Διαστατικός τύπος ειδικής θερμοχωρητικότητας

Υπάρχει στενή σχέση μεταξύ θερμότητας και θερμοκρασίας για οποιαδήποτε κατάσταση της ύλης, στερεή ή υγρή. Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας που ένα σώμα μπορεί να απορροφήσει ή να χάσει. Λόγω αυτού του φαινομένου, η θερμοκρασία του σώματος θα αλλάξει. Για παράδειγμα, όταν κρατάτε ένα χαλύβδινο κουτάλι πάνω από τη φωτιά, θα απορροφήσει τη θερμική ενέργεια και ως εκ τούτου, τα μόρια θα αρχίσουν να δονούνται πιο γρήγορα. Αυτό θα προκαλέσει αύξηση της θερμοκρασίας του. Το ακριβώς αντίθετο συμβαίνει όταν το σώμα αρχίζει να χάνει θερμική ενέργεια, μειώνοντας τη θερμοκρασία του. Ένα χαρακτηριστικό που ονομάζεται ειδική θερμική χωρητικότητα θεωρείται ότι κατανοεί τη σχέση μεταξύ θερμότητας και θερμοκρασίας.

Τι είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα και πώς σχετίζεται με τη θερμοκρασία ενός σώματος;

Σύμφωνα με τη θερμοδυναμική, όλοι θα συνεχίσουν να ανταλλάσσουν θερμική ενέργεια μεταξύ ενός συστήματος και του περιβάλλοντός του για να επιτύχουν θερμική ισορροπία. Η έννοια της ειδικής θερμοχωρητικότητας και ο τύπος της διαφοράς δυναμικού μπαίνει στον ρόλο του παιχνιδιού.

Θερμικός νόμος ισορροπίας

Είναι καλύτερα να κατανοήσουμε τη θερμική ισορροπία πριν προχωρήσουμε στις λεπτομέρειες της ειδικής θερμικής χωρητικότητας και στην έννοια του τύπου της διαφοράς δυναμικού. Εάν δύο σώματα εμπλέκονται στη μεταφορά θερμότητας, τότε η ποσότητα ενέργειας που χάνεται από το ένα σώμα θα απορροφηθεί από το άλλο μέχρι να επιτύχουν και τα δύο θερμική ισορροπία ή η θερμοκρασία και των δύο σωμάτων γίνει ίση.

Για παράδειγμα, εάν το σώμα Α είναι στους 40°C και το σώμα Β στους 70°C, η θερμότητα θα ρέει από το θερμότερο σώμα στο ψυχρότερο. Επομένως, η θερμοκρασία του σώματος Β θα μειωθεί ενώ αυτή του σώματος Α θα αυξηθεί έως ότου και τα δύο αυτά σώματα φτάσουν την ίδια θερμοκρασία.

Ορισμός ειδικής θερμοχωρητικότητας

Η ειδική θερμοχωρητικότητα ορίζεται ως η ποσότητα θερμικής ενέργειας που απορροφάται ανά μονάδα μάζας για να αυξηθεί η θερμοκρασία κατά 1 βαθμό. Ομοίως, η θερμική ενέργεια που χάνεται από τη μοναδιαία μάζα για τη μείωση της θερμοκρασίας κατά 1 βαθμό ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότητα. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί περαιτέρω με τον τύπο των παραδειγμάτων δυνητικής ενέργειας.

Η φυσική έκφραση της ειδικής θερμοχωρητικότητας

Η θερμική ενέργεια είναι ευθέως ανάλογη με τη μάζα και τη θερμοκρασία της. Για παράδειγμα, εάν οι μάζες δύο σωμάτων είναι διαφορετικές, τότε το ένα με μεγαλύτερη μάζα θα έχει περισσότερη θερμική ενέργεια από το άλλο. Ομοίως, εάν θεωρήσουμε δύο σώματα σε διαφορετικές θερμοκρασίες, το σώμα σε υψηλότερη θερμοκρασία θα έχει περισσότερη θερμική ενέργεια, η οποία μπορεί να εξηγηθεί με τον τύπο των παραδειγμάτων δυνητικής ενέργειας.

Ως εκ τούτου, από αυτήν την παραπάνω εξήγηση, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι:

Q  ∝ mT

Όπου Q =θερμική ενέργεια

m =μάζα του σώματος που εξετάζεται

T =θερμοκρασία σώματος

Αυτή η εξίσωση μπορεί να γραφτεί ως:

Q =cmT

Όπου c ορίζεται ως η ειδική θερμοχωρητικότητα. Είναι μια σταθερή μεταβλητή και δεν θα αλλάξει για ένα συγκεκριμένο υλικό, επειδή η μάζα και η θερμοκρασία του δεν θα αλλάξουν.

cmT =Q

c =Q/mT

Αυτή η εξίσωση εξηγεί ότι η ειδική θερμοχωρητικότητα υπολογίζεται ως η ποσότητα θερμότητας που απορροφάται από τη μοναδιαία μάζα για αλλαγή της θερμοκρασίας της κατά 1 βαθμό.

Παραγωγή του τύπου διαστάσεων ειδικής θερμοχωρητικότητας

Οι διαστάσεις βοηθούν στην κατανόηση των χαρακτηριστικών ή των μονάδων που θα επηρεάσουν μια εξαρτημένη μονάδα και πώς. Για παράδειγμα, εάν ο τύπος διαστάσεων έχει [M0], σημαίνει ότι η μάζα δεν θα έχει καμία συνεισφορά στο χαρακτηριστικό. Ομοίως, όταν οι διαστάσεις δύο μονάδων είναι θετικές, είναι ευθέως ανάλογες μεταξύ τους. Επομένως, εάν η τιμή μιας μονάδας αυξηθεί, θα έχει την ίδια επίδραση στην άλλη τιμή. Όταν οι μονάδες συσχετίζονται ως προς τους αρνητικούς δείκτες, συμβολίζει την έμμεση αναλογικότητα.

Από την παραπάνω δήλωση, η ειδική θερμοχωρητικότητα ορίζεται από τον τύπο δυνητικών διαφορών όπως:

c =Q/mT

όπου c είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα

Q είναι η θερμική ενέργεια

m είναι η μάζα

T είναι η θερμοκρασία του σώματος

Λαμβάνοντας υπόψη τις ανεξάρτητες μονάδες για τις διαστάσεις, I,e, μήκος (L), μάζα (M) και θερμοκρασία (K), ο διαστατικός τύπος της ειδικής θερμοχωρητικότητας και ο τύπος της δυνητικής ενέργειας μπορεί να είναι περιγράφεται ως:

c =  [ML2T-2] / [M][K1]

Ή, c =  [ML2T-2] / [M][K1][L0]

Ή, c =[M1-1 . L2-0 . Τ-2 . Κ-1]

Ή, c =  [M0L2T-2K-1]

Ή, c =[L2T-2K-1]

Έτσι, η μονάδα SI για ειδική θερμική χωρητικότητα θα είναι:

c =m2sec-2K-1

Ή, c =JouleKg-1K-1

Συμπέρασμα

Η ειδική θερμοχωρητικότητα και ο τύπος διαφοράς δυναμικού διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στον προσδιορισμό της θερμικής ισορροπίας, της θερμοδυναμικής, της ενθαλπίας και πολλών άλλων χαρακτηριστικών. Η συμπεριφορά διαφορετικών αντικειμένων στην εφαρμογή θερμικής ενέργειας εξαρτάται από αυτό το συγκεκριμένο χαρακτηριστικό. Για παράδειγμα, εάν μια ουσία έχει χαμηλή ειδική θερμοχωρητικότητα, δεν θα χρειαστεί υπερβολική θερμική ενέργεια για να αλλάξει τη θερμοκρασία της κατά 1 βαθμό. Καθώς αυτό το συγκεκριμένο φυσικό χαρακτηριστικό εξαρτάται από πολλές άλλες μονάδες, η μελέτη του τύπου διαστάσεων του βοηθά στον προσδιορισμό της εξάρτησής του και του πώς θα αλλάξει όταν αλλάξουν οι άλλοι παράγοντες. Επιπλέον, η ειδική θερμοχωρητικότητα διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό της μέγιστης θερμότητας που μπορεί να απορροφήσει ή να χάσει πριν αλλάξει την κατάστασή του, επομένως ο τύπος της έννοιας της δυνητικής ενέργειας.