Tabla de Contenidos
Özgül ısı (C e ) , bir malzemenin sıcaklığını bir birim artırmak için malzemenin birim kütlesine uygulanması gereken ısı miktarıdır . Maddenin yoğun bir termal özelliğidir, yani malzemenin kapsamına veya miktarına değil, yalnızca bileşimine bağlıdır. Bu anlamda, her malzemenin olası uygulamalarını belirlemek için büyük önem taşıyan ve farklı sıcaklıklardaki cisimler veya ortamlarla temas ettiklerinde maddelerin termal davranışlarının bir kısmını belirlemeye yardımcı olan karakteristik bir özelliktir.
Belirli bir bakış açısından, özgül ısının, sıcaklığını bir birim artırmak için bir sisteme sağlanması gereken ısı miktarı olarak tanımlayan, ısı kapasitesinin (C) yoğun versiyonuna karşılık geldiğini söyleyebiliriz. Bir sistemin (bir cisim, bir madde vb.) ısı kapasitesi ile kütlesi arasındaki orantı sabiti olarak da anlaşılabilir.
Bir maddenin özgül ısısının değeri, ısıtmanın (veya soğutmanın) sabit basınçta mı yoksa sabit hacimde mi gerçekleştirildiğine bağlıdır. Bu, her madde için iki özgül ısıya yol açar, yani sabit basınçta özgül ısı (C P ) ve sabit hacimde özgül ısı (C V ). Bununla birlikte, fark yalnızca gazlarda görülebilir, bu nedenle sıvılar ve katılar için genellikle sadece kuru özgül ısıdan söz ederiz.
özgül ısı formülü
Bir cismin ısı kapasitesinin kütlesi ile orantılı olduğunu deneyimlerimizden biliyoruz.
Bir önceki bölümde bahsettiğimiz gibi özgül ısı bu iki değişken arasındaki orantı sabitini temsil eder, dolayısıyla yukarıdaki orantı ilişkisi aşağıdaki denklem şeklinde yazılabilir:
Özgül ısı için bir ifade elde etmek için bu denklemi çözebiliriz:
Öte yandan, ısı kapasitesinin, bir sistemin sıcaklığını ΔT miktarı kadar artırmak için gereken ısı (q) ile söz konusu sıcaklık artışı arasındaki orantı sabiti olduğunu biliyoruz. Başka bir deyişle, q = C * ΔT olduğunu biliyoruz. Bu denklemi yukarıda gösterilen ısı kapasitesi denklemiyle birleştirerek şunu elde ederiz:
Özgül ısıyı bulmak için bu denklemi çözerek, bunun için ikinci bir denklem elde ederiz:
Özgül Isı Birimleri
Özgül ısı için elde edilen son denklem, bu değişkenin birimlerinin [q][m] -1 [ΔT] -1 yani ısı birimleri bölü kütle ve sıcaklık birimleri olduğunu göstermektedir. Çalıştığınız birimler sistemine bağlı olarak bu birimler şunlar olabilir:
| Birim sistemi | Özgül ısı birimleri |
| Uluslararası sistem | J.kg -1 .K -1 , am 2 ⋅K – 1 ⋅s – 2’ye eşdeğerdir |
| Imparatorluk sistemi | BTU⋅lb – 1 ⋅°F – 1 |
| kalori | cal.g -1 .°C -1 , Cal.kg -1 .°C -1’e eşittir |
| diğer birimler | kJ.kg -1 .K -1 |
NOT: Bu birimleri kullanırken cal ve Cal arasında ayrım yapmak önemlidir.Birincisi, 1g suyun sıcaklığını yükseltmek için gereken ısı miktarına karşılık gelen normal kaloridir (bazen küçük kalori veya gram-kalori olarak da adlandırılır). Cal (büyük harfle) 1.000 cal’e veya aynısı olan 1 kcal’a eşdeğer bir birimdir. Bu son ısı birimi sağlık bilimlerinde, özellikle beslenme alanında günlük olarak kullanılmaktadır. Bu bağlamda, gıdada bulunan enerji miktarını temsil etmek için kullanılan mükemmel bir birimdir (yiyecek bağlamında kalori hakkında konuştuğumuzda, neredeyse her zaman kireç değil Cal’ı kastediyoruz).
Özgül Isı Hesaplama Problemlerine Örnekler
Aşağıda, hem saf bir madde için hem de özgül ısılarını bildiğimiz saf maddeler karışımı için özgül ısıyı hesaplama sürecini örnekleyen çözülmüş iki problem bulunmaktadır.
Problem 1: Saf maddenin özgül ısısının hesaplanması
Açıklama: Bilinmeyen bir gümüş metal örneğinin bileşimini belirlemek istiyorsunuz. Gümüş, alüminyum veya platin olabileceğinden şüpheleniliyor. Ne olduğunu belirlemek için, 10.0 g’lık bir metal örneğini 25.0°C sıcaklıktan suyun normal kaynama noktasına, yani 100.0°C’ye ısıtmak için gereken ısı miktarı ölçülür. 41.92 kal. Gümüşün, alüminyumun ve platinin özgül ısılarının sırasıyla 0.234 kJ.kg -1 .K -1 , 0.897 kJ.kg -1 .K -1 ve 0.129 kJ.kg -1 .K -1 olduğunu bilerek, Hangi metalin olduğunu belirleyin. numuneden yapılmıştır.
Çözüm
Problemin sorduğu şey, nesnenin yapıldığı malzemeyi tanımlamaktır. Öz ısı yoğun bir özellik olduğu için her malzemenin özelliğidir, bu nedenle onu tanımlamak için özgül ısısını belirlemek ve ardından şüpheli metallerin bilinen değerleri ile karşılaştırmak yeterlidir.
Bu durumda özgül ısının belirlenmesi üç basit adımla gerçekleştirilir:
Adım #1: İfadedeki tüm verileri çıkarın ve ilgili birim dönüşümlerini gerçekleştirin
Herhangi bir problemde olduğu gibi, ihtiyacımız olan ilk şey, gerektiğinde elimizde olması için verileri organize etmektir. Ayrıca birim dönüşümlerini baştan yapmak daha sonra unutmamızı engelleyecek ve sonraki adımlarda hesaplamaları da kolaylaştıracaktır.
Bu durumda ifade, numunenin kütlesini, bir ısıtma işleminden sonraki ilk ve son sıcaklıkları ve numuneyi ısıtmak için gereken ısı miktarını verir. Ayrıca üç aday metalin özgül ısılarını da verir. Birim cinsinden, özgül ısıların kJ.kg -1 .K .1 cinsinden olduğunu , ancak kütle, sıcaklıklar ve ısının sırasıyla g, °C ve cal cinsinden olduğunu not edebiliriz. Daha sonra birimleri, her şeyin aynı sistemde olması için dönüştürmeliyiz. Kütle, sıcaklık ve ısıyı ayrı ayrı dönüştürmek, özgül ısının bileşik birimlerini üç kez dönüştürmekten daha kolaydır, dolayısıyla izleyeceğimiz yol şu olacaktır:
Adım #2: Özgül ısıyı hesaplamak için denklemi kullanın
Artık ihtiyacımız olan tüm verilere sahip olduğumuza göre, tek yapmamız gereken özgül ısıyı hesaplamak için uygun denklemi kullanmak. Elimizdeki veriler göz önüne alındığında, yukarıda sunulan Ce için ikinci denklemi kullanacağız.
Adım #3: Malzemeyi tanımlamak için numunenin özgül ısısını bilinen özgül ısılarla karşılaştırın
Numunemiz için elde edilen özgül ısıyı üç aday metalinkiyle karşılaştırdığımızda ona en çok benzeyenin gümüş olduğunu gözlemleriz. Bu nedenle, adaylar yalnızca gümüş, alüminyum ve platin metalleri ise, numunenin gümüşten oluştuğu sonucuna varırız.
Problem 2: Saf maddelerden oluşan bir karışımın özgül ısısının hesaplanması
Açıklama: %85 bakır, %5 çinko, %5 kalay ve %5 kurşun içeren bir alaşımın ortalama özgül ısısı ne olur? Her metalin özgül ısıları, C e, Cu = 385 J.kg -1 .K -1 ; C e, Zn =381 J.kg -1 .K -1 ; C e, Sn = 230 J.kg -1 .K -1 ; C e, Pb = 130 J.kg -1 .K -1 .
Çözüm
Bu, biraz daha fazla yaratıcılık gerektiren biraz farklı bir problemdir. Farklı malzemelerin karışımlarına sahip olduğumuzda, termal özellikler ve diğer özellikler özel bileşime bağlı olacaktır ve genel olarak saf bileşenlerin özelliklerinden farklı olacaktır.
Öz ısı yoğun bir özellik olduğundan, ek bir miktar değildir, yani bir karışım için toplam özgül ısı elde etmek için özgül ısıları ekleyemeyiz. Bununla birlikte, ek olan, kapsamlı bir özellik olduğu için toplam ısı kapasitesidir.
Bu nedenle, sunulan alaşım durumunda, alaşımın toplam ısı kapasitesinin bakır, çinko, kalay ve kurşun kısımlarının ısı kapasitelerinin toplamı olacağını söyleyebiliriz, yani:
Bununla birlikte, her durumda ısı kapasitesi, kütle ile özgül ısı arasındaki çarpıma karşılık gelir, dolayısıyla bu denklem şu şekilde yeniden yazılabilir:
C e al, alaşımın ortalama özgül ısısını temsil ederken (toplam özgül ısı demek doğru değildir), yani bulmak istediğimiz bilinmeyendir. Bu özellik yoğun olduğundan, hesaplanması elimizdeki numune miktarına bağlı olmayacaktır. Bunu göz önünde bulundurarak, 100 g alaşımımız olduğunu varsayabiliriz, bu durumda bileşenlerin her birinin kütleleri ilgili yüzdelerine eşit olacaktır. Bunu varsayarak, ortalama özgül ısının hesaplanması için gereken tüm verileri elde ederiz.
Şimdi bilinen değerleri değiştiriyoruz ve hesaplamayı yapıyoruz. Basit olması açısından, değerler değiştirilirken birimler dikkate alınmaz. Bunu ancak tüm özgül ısılar ve tüm kütleler aynı birim sisteminde olduğu için yapabiliriz. Paydaki gramlar eninde sonunda paydadakilerle birbirini götüreceğinden, kütleleri kilograma çevirmek gerekli değildir.
Referanslar
Broncesval SL. (2019, 20 Aralık). B5 | Bronz Bakır Alaşım Kalay Çinko . bronzval. https://www.broncesval.com/bronce/b5-bronce-aleacion-de-cobre-estanio-zinc/
Chang, R. (2002). Fizikokimya (1. baskı ). MCGRAW HILL EĞİTİMİ.
Chang, R. (2021). Kimya (11. baskı ). MCGRAW HILL EĞİTİMİ.
Franco G., A. (2011). Bir katının özgül ısısının 3 n belirlenmesi 3 . Bilgisayar ile fizik. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/calorimetro/calorimetro.htm
Metallerin özgül ısısı . (2020, 29 Ekim). bilimsel alfa https://sciencealpha.com/es/specific-heat-of-metals/
