Savitoji šiluma: apibrėžimas, formulė ir matavimo būdai

Sužinokite, kas yra savitoji šiluma, jos formulę, matavimo būdus ir praktines taikymas — aiškūs paaiškinimai, pavyzdžiai ir skaičiavimai studentams ir inžinieriams.

Savitoji šiluma (s) nurodo, kiek šilumos reikia, kad vieno medžiagos masės vienetas pakiltų vienu temperatūros laipsniu. Tai viena iš šiluminės talpos formų ir svarbi termodinaminė savybė. Terminas „šiluminė talpa“ kartais gali būti klaidinantis, nes šiluma q reiškia energijos kiekį, pridėtą arba pašalintą per sistemos ribą; temperatūros pokyčiai iš tikrųjų atspindi energijos pokyčius. Todėl savitoji šiluma tiksliau nusako medžiagos gebėjimą sugerti arba išskirti energiją kaitinant ar vėsinant medžiagą.

Formulė ir vienetai

Paprastai savitoji šiluma žymima mažąja raide c arba, kaip aukščiau, s. Ji apskaičiuojama pagal santykį tarp perduotos šilumos q, medžiagos masės m ir temperatūros pokyčio ΔT:

c = q / (m · ΔT)

Dažniausi vienetai: J/(kg·K) (SI sistema). Taip pat vartojami moliniai vienetai J/(mol·K) (molinė šiluma).

Specifinės sąlygos: c_p ir c_v

Skiriamos dvi dažniausiai vartojamos savitosios šilumos reikšmės:

• c_p – savitoji šiluma esant pastoviam slėgiui (dažniausiai laboratorinėms sąlygoms). Tai nurodo šilumos kiekį, reikalingą 1 kg medžiagos temperatūrai pakelti 1 K esant pastoviam slėgiui.
• c_v – savitoji šiluma esant pastoviam tūriui. Fizinėje prasmėje c_v susijusi su vidine energija, o c_p – su entalpija: c_v = (1/m)(∂U/∂T)_V, c_p = (1/m)(∂H/∂T)_p.

Dujos pasižymi didesniu skirtumu tarp c_p ir c_v nei skysčiai ar kietosios medžiagos, nes daromas darbas plėtojantis esant slėgiui. Moliškame pavidale galioja ryšys moliniais dydžiais: C_p – C_v = R (R – universali dujų konstanta). Masiniais vienetais skirtumas yra c_p – c_v = R / M, kur M – molinė masė.

Temperatūros priklausomybė ir fazių pokyčiai

Savitoji šiluma paprastai priklauso nuo temperatūros. Kai kuriems medžiagų intervalams c gali būti beveik pastovus, tačiau plačiame temperatūrų diapazone arba arti fazių perėjimų (lydymosi, garavimo) c labai kinta. Fazės pokyčio metu energija panaudojama latentinei šilumai, o ne temperatūros kilimui, todėl savitoji šiluma tiesiogiai neapibūdina energijos poreikio fazės keitimuisi.

Matavimo būdai

Pagrindiniai savitosios šilumos matavimo metodai:

• Maišymo kalorimetrija – paprastas laboratorinis metodas: karštas mėginys dedamas į žinomą kiekį vandens arba kitos medžiagos, kurios c žinoma; po sušildymo nustatomas pusiausvyros temperatūros pokytis. Lygtis: m_s c_s (T_s – T_f) = m_w c_w (T_f – T_w), iš kurios išsprendžiama c_s.
• Adiabatinis kalorimetras – mažina šilumos nuostolius į aplinką ir leidžia tiksliau matuoti Q bei apskaičiuoti c.
• Elektrinis šildymas – žinant įvestą elektros galią P ir laiką t, Q = P·t; matuojant masę ir ΔT gaunama c = Q/(m ΔT). Reikalinga gera izoliacija ir tikslus temperatūros matavimas.
• Diferencialinė skenuojanti kalorimetrija (DSC) – palyginamos mėginio ir referencinės tuščios ląstelės šiluminės srovės pokyčiai; ypač tinkama kietosioms medžiagoms ir polimerams bei fazių perėjimų analizei.
• Bombų kalorimetras – paprastai naudojamas degimo energijai matuoti, bet tam tikrais atvejais pritaikomas ir šilumos charakteristikoms nustatyti.

Matuojant svarbu mažinti sistemos šilumos nuostolius, užtikrinti vienodą temperatūros pasiskirstymą (maišymas) ir tiksliai nustatyti mases bei temperatūras. Matavimo netikslumai dažnai kyla dėl šilumos nuostolių, netinkamo termometro kalibravimo ar nevisiško šilumos perdavimo tarp mėginio ir matuoklės.

Pavyzdžiai ir tipinės reikšmės

• Vanduo (skystas, ~20 °C): apie 4184 J·kg⁻¹·K⁻¹ (dažnai rašoma ~4186 J/(kg·K)).
• Ledų (~0 °C): ~2100 J·kg⁻¹·K⁻¹.
• Aluminiumas: ~900 J·kg⁻¹·K⁻¹.
• Geležis: ~450 J·kg⁻¹·K⁻¹.
• Saulės oro (sausos, 1 atm, Cp): apie 1005 J·kg⁻¹·K⁻¹.

Šios vertės yra apytikslės ir gali skirtis priklausomai nuo temperatūros bei medžiagos grynumo.

Praktinė reikšmė

Savitoji šiluma svarbi inžinerijoje, klimato valdyme, maisto pramonėje, medžiagų apdirbime ir energetikoje. Pvz., didelė vandens savitoji šiluma daro vandenį geru šilumos akumuliatoriumi; medžiagų parinkimas šiluminiams izoliatoriams ar šilumos kaupikliais priklauso nuo jų savitosios šilumos.

Apibendrinant: savitoji šiluma yra medžiagos savybė, rodanti jos gebėjimą kaupti arba išskirti energiją keičiantis temperatūrai. Tiksliems skaičiavimams būtina žinoti, ar matuojama esant pastoviam slėgiui ar tūriui, bei atsižvelgti į temperatūros priklausomybę ir galimus fazių perėjimus.

Paieška pagal raidę