NHIỆT RIÊNG: NÓ BAO GỒM NHỮNG GÌ, CÁCH TÍNH TOÁN VÀ VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2026

Các nhiệt dung riêng là số lượng năng lượng được hấp thụ một gam một chất để tăng nhiệt độ của nó bởi một độ Celsius. Nó là một tính chất vật lý chuyên sâu, vì nó không phụ thuộc vào khối lượng vì nó chỉ được biểu thị cho một gam chất; tuy nhiên, nó liên quan đến số lượng các hạt và khối lượng mol của chúng, cũng như các lực liên phân tử liên kết chúng.

Lượng năng lượng mà chất hấp thụ được biểu thị bằng đơn vị jun (J), và ít phổ biến hơn, bằng calo (Cal). Nói chung, người ta cho rằng năng lượng được hấp thụ qua nhiệt; tuy nhiên, năng lượng có thể đến từ một nguồn khác, chẳng hạn như công việc thực hiện trên chất đó (ví dụ như khuấy mạnh).

Nước sôi. Nguồn: Pixabay

Hình ảnh trên cho thấy một ấm đun nước mà từ đó hơi nước được tạo ra khi đun nóng của nó được giải phóng. Để đun nước, nó phải hấp thụ nhiệt từ ngọn lửa nằm dưới ấm. Như vậy, thời gian trôi qua, và tùy thuộc vào cường độ của lửa, nước sẽ sôi khi đạt đến độ sôi.

Nhiệt lượng riêng xác định lượng năng lượng mà nước tiêu thụ cho mỗi độ ºC mà nhiệt độ của nó tăng lên. Giá trị này là không đổi nếu các thể tích nước khác nhau được đun nóng trong cùng một ấm đun nước, vì như đã nói ở phần đầu, nó là một tính chất chuyên sâu.

Giá trị thay đổi là tổng lượng năng lượng được hấp thụ bởi mỗi khối lượng nước được đun nóng, còn được gọi là nhiệt dung. Khối lượng nước cần đun nóng càng lớn (2, 4, 10, 20 lít) thì nhiệt dung của nó càng lớn; nhưng nhiệt dung riêng của nó không đổi.

Tính chất này phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thể tích; tuy nhiên, vì mục đích hiểu đơn giản, các biến thể tương ứng của chúng bị bỏ qua.

Nhiệt dung riêng là gì?

Nhiệt lượng riêng có nghĩa là gì đối với một chất nhất định đã được xác định. Tuy nhiên, ý nghĩa thực sự của nó được thể hiện tốt hơn với công thức của nó, điều này làm cho nó rõ ràng thông qua các đơn vị của nó, đó là độ rõ ràng mà nó liên quan đến khi các biến mà nó phụ thuộc được phân tích. Công thức của nó là:

Ce = Q / ΔT m

Trong đó Q là nhiệt bị hấp thụ, ΔT là sự thay đổi nhiệt độ và m là khối lượng của chất; mà theo định nghĩa tương ứng với một gam. Thực hiện phân tích các đơn vị của nó, chúng tôi có:

Ce = J / ºC · g

Điều này cũng có thể được thể hiện theo những cách sau:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · Kg

Cách đầu tiên trong số chúng là đơn giản nhất, và đó là các ví dụ sẽ được tiếp cận trong các phần sau.

Công thức biểu thị rõ ràng lượng năng lượng được hấp thụ (J) bởi một gam chất ở một độ ºC. Nếu chúng ta muốn loại bỏ lượng năng lượng này, chúng ta sẽ phải bỏ phương trình J sang một bên:

J = Ce · ºC · g

Điều đó được thể hiện theo cách phù hợp hơn và theo các biến số sẽ là:

Q = Ce ΔT m

Nhiệt dung riêng được tính như thế nào?

Nước như một tài liệu tham khảo

Trong công thức trên, 'm' không đại diện cho một gam chất, vì nó đã được tìm thấy ngầm trong Ce. Công thức này rất hữu ích để tính nhiệt độ cụ thể của các chất khác nhau thông qua phép đo nhiệt lượng.

Làm sao? Sử dụng định nghĩa về calo, là lượng năng lượng cần thiết để làm nóng một gam nước từ 14,5 đến 15,5ºC; điều này bằng 4,184 J.

Nhiệt dung riêng của nước cao bất thường và tính chất này được dùng để đo nhiệt độ riêng của các chất khác khi biết giá trị 4,184 J.

Nhiệt dung riêng cao có nghĩa là gì? Rằng nó cung cấp một lực cản đáng kể để tăng nhiệt độ của nó, vì vậy nó phải hấp thụ nhiều năng lượng hơn; nghĩa là, nước cần được đun nóng lâu hơn nhiều so với các chất khác, mà ở gần nguồn nhiệt sẽ nóng lên gần như ngay lập tức.

Vì lý do này, nước được sử dụng trong các phép đo nhiệt lượng, vì nó không bị thay đổi nhiệt độ đột ngột khi hấp thụ năng lượng giải phóng từ các phản ứng hóa học; hoặc, đối với trường hợp này, do tiếp xúc với vật liệu khác nóng hơn.

Cân bằng nhiệt

Vì nước cần hấp thụ rất nhiều nhiệt để tăng nhiệt độ của nó, ví dụ, nhiệt có thể đến từ một kim loại nóng. Có tính đến khối lượng của nước và kim loại, sự trao đổi nhiệt sẽ xảy ra giữa chúng cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng nhiệt.

Khi điều này xảy ra, nhiệt độ của nước và kim loại bằng nhau. Nhiệt lượng do kim loại nóng toả ra bằng nhiệt lượng do nước hấp thụ.

Phát triển toán học

Biết được điều này, và với công thức cuối cùng cho Q vừa được mô tả, chúng ta có:

Q _Nước = -Q _{Kim loại}

Dấu hiệu âm cho biết nhiệt được tỏa ra từ vật ấm hơn (kim loại) sang vật lạnh hơn (nước). Mỗi chất có nhiệt riêng Ce và khối lượng của nó, vì vậy biểu thức này phải được phát triển như sau:

Q _Nước = Ce _Nước · ΔT _Nước · m _Nước = - ( _{Kim loại} Ce · ΔT _{Kim loại} · m _{Kim loại} )

_{Kim loại} chưa biết là Ce _Metal , vì ở trạng thái cân bằng nhiệt, nhiệt độ cuối cùng của cả nước và kim loại là như nhau; Ngoài ra, nhiệt độ ban đầu của nước và kim loại đã được biết trước khi tiếp xúc, cũng như khối lượng của chúng. Do đó, Ce _Metal phải được xóa :

Ce _{Kim loại} = (Ce _Nước · ΔT _Nước · m _Nước ) / (-ΔT _{Kim loại} · m _{Kim loại} )

Không quên rằng Ce _Water là 4,184 J / ºC · g. Nếu khai triển ΔT _Nước và ΔT _{Kim loại} , chúng ta sẽ có (T _f - T _Water ) và (T _f - T _Metal ), tương ứng. Nước nóng lên, trong khi kim loại nguội đi, và đó là lý do tại sao dấu âm nhân lên ΔT _{Kim loại,} rời ra (T _{Kim loại} - T _f ). Nếu không, ΔT _{Kim loại} sẽ có giá trị âm vì T _f nhỏ hơn (lạnh hơn) so với T _{Kim loại} .

Cuối cùng, phương trình được biểu diễn theo cách này:

Ce _Metal = Ce _Water · (T _f - T _Water ) · m _Water / (T _Metal - T _f ) · m _Metal

Và với nó, các nhiệt cụ thể được tính toán.

Ví dụ tính toán

Có một quả cầu bằng kim loại lạ nặng 130g, có nhiệt độ 90ºC. Vật này được ngâm trong một thùng nước 100g ở 25ºC, bên trong một nhiệt lượng kế. Khi đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt, nhiệt độ của bình chứa là 40 ° C. Tính Ce của kim loại.

Nhiệt độ cuối cùng, T _f , là 40 ° C. Khi biết các dữ liệu khác, Ce có thể được xác định trực tiếp:

Ce _{Kim loại} = (4,184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100g) / (90 - 40) ºC · 130g

_{Kim loại} Ce = 0,965 J / ºC · g

Lưu ý rằng nhiệt dung riêng của nước gấp bốn lần nhiệt lượng của kim loại (4,184 / 0,965).

Khi Ce rất nhỏ, xu hướng nóng lên càng lớn; có liên quan đến độ dẫn nhiệt và sự khuếch tán của nó. Một kim loại có Ce cao hơn sẽ có xu hướng tỏa ra hoặc mất nhiều nhiệt hơn khi nó tiếp xúc với một vật liệu khác, so với một kim loại khác có Ce thấp hơn.

Ví dụ

Nhiệt cụ thể cho các chất khác nhau được hiển thị dưới đây.

Nước

Nhiệt dung riêng của nước, như đã nêu, là 4,184 J / ° C · g.

Nhờ giá trị này, nó có thể nhận được nhiều ánh nắng mặt trời trong đại dương và nước sẽ khó bay hơi đến mức đáng kể. Điều này dẫn đến sự chênh lệch nhiệt không ảnh hưởng đến sinh vật biển. Ví dụ, khi bạn đi bơi ở bãi biển, ngay cả khi ngoài trời rất nắng, nước vẫn cảm thấy nhiệt độ thấp hơn và mát hơn.

Nước nóng cũng cần giải phóng nhiều năng lượng để tự làm mát. Trong quá trình này, nó làm nóng các khối không khí lưu thông, làm tăng nhiệt độ (ôn đới) ở các vùng ven biển trong mùa đông.

Một ví dụ thú vị khác là nếu chúng ta không được tạo ra từ nước, một ngày dưới ánh nắng mặt trời có thể gây chết người, vì nhiệt độ cơ thể của chúng ta sẽ tăng lên nhanh chóng.

Giá trị duy nhất này của Ce là do các liên kết hydro giữa các phân tử. Chúng hấp thụ nhiệt để phân hủy, vì vậy chúng dự trữ năng lượng. Cho đến khi chúng bị phá vỡ, các phân tử nước sẽ không thể dao động khi tăng động năng trung bình, điều này được phản ánh khi nhiệt độ tăng lên.

Nước đá

Nhiệt dung riêng của nước đá là 2,090 J / ºC · g. Giống như nước, nó có giá trị cao bất thường. Điều này có nghĩa là một tảng băng, chẳng hạn, sẽ cần phải hấp thụ một lượng nhiệt khổng lồ để tăng nhiệt độ của nó. Tuy nhiên, một số tảng băng trôi ngày nay thậm chí đã hấp thụ nhiệt cần thiết để tan chảy (nhiệt tiềm ẩn của phản ứng tổng hợp).

Nhôm

Nhiệt dung riêng của nhôm là 0,900 J / ºC · g. Nó thấp hơn một chút so với kim loại trong hình cầu (0,965 J / ºC · g). Ở đây nhiệt được hấp thụ để làm rung các nguyên tử kim loại của nhôm trong cấu trúc tinh thể của chúng, chứ không phải các phân tử riêng lẻ được giữ với nhau bằng lực giữa các phân tử.

Bàn là

Nhiệt dung riêng của sắt là 0,444 J / ºC · g. Ít hơn nhôm, có nghĩa là nó cung cấp ít điện trở hơn khi bị nung nóng; nghĩa là, trước khi cháy một miếng sắt sẽ nóng đỏ sớm hơn nhiều so với miếng nhôm.

Nhôm có khả năng chống nóng cao hơn, giữ thức ăn nóng lâu hơn khi loại giấy nhôm nổi tiếng được dùng để bọc đồ ăn nhẹ.

Không khí

Nhiệt dung riêng của không khí xấp xỉ 1,003 J / ºC · g. Giá trị này chịu nhiều áp suất và nhiệt độ vì nó bao gồm một hỗn hợp khí. Tại đây nhiệt được hấp thụ để làm rung các phân tử nitơ, oxy, carbon dioxide, argon, v.v.

Bạc

Cuối cùng, nhiệt dung riêng của bạc là 0,234 J / ºC · g. Trong tất cả các chất được đề cập, nó có giá trị Ce thấp nhất, điều này có nghĩa là khi gặp sắt và nhôm, một miếng bạc sẽ nóng lên nhiều hơn cùng lúc với hai kim loại kia. Trên thực tế, nó hài hòa với khả năng dẫn nhiệt cao.

Người giới thiệu

1. Serway & Jewett. (2008). Vật lý: dành cho khoa học và kỹ thuật. (Ấn bản thứ bảy), Tập 1, Học tập Cengage.
2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Hóa học. (Tái bản lần thứ tám). Học tập Cengage.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 5 tháng 11 năm 2018). Nhiệt dung riêng trong Hóa học. Phục hồi từ: thinkco.com
4. Eric W. Weisstein. (2007). Nhiệt dung riêng. Phục hồi từ: scienceworld.wolfram.com
5. R Tàu. (2016). Nhiệt dung riêng. Đại học Bang Georgia. Đã khôi phục từ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Nhiệt dung riêng. Phục hồi từ: es.wikipedia.org