Lämpö ja kalorimetria
Lämpö virtaa aina kuumemmasta kappaleesta kylmempään, ei koskaan päinvastoin, kunnes molemmat saavuttavat saman lämpötilan. Kuinka paljon energiaa siihen tarvitaan, riippuu kolmesta asiasta: kuinka paljon ainetta lämmität, mistä se on tehty ja kuinka suuri lämpötilanmuutos haluat.
Kaava
Q = m · c · ΔT
- Q — lämpöenergia (J): energia, joka siirtyy kappaleeseen tai sieltä ulos lämpönä
- m — massa (kg): kuinka paljon ainetta lämmitetään tai jäähdytetään
- c — ominaislämpö (J/(kg·K)): energia, joka tarvitaan yhden kilogramman materiaalin nostamiseen yhdellä kelvinillä
- ΔT — lämpötilanmuutos (K): ero loppu- ja alkulämpötilan välillä
Ratkaistu esimerkki
Kuinka paljon lämpöenergiaa tarvitaan lämmittämään 2 kg vettä 5 kelvinillä? (veden ominaislämpö ≈ 4000 J/(kg·K))
- m = 2 kg
- c = 4000 J/(kg·K)
- ΔT = 5 K
- Q = m · c · ΔT
- Q = 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K
Q = 40,000 J
Testaa itseäsi
Arvon 2 kg sijaan sinulla on nyt 4 kg vettä ja haluat silti nostaa sitä 5 kelvinillä. Kuinka paljon lämpöenergiaa tarvitaan?
- 40,000 J
- 160,000 J
- Oikea vastaus: 80,000 J
Oikein! Massan kaksinkertaistaminen kaksinkertaistaa tarvittavan energian: 4 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 80,000 J.
Takaisin 2 kg veteen, mutta nyt haluat nostaa sen lämpötilan 10 kelvinillä arvon 5 sijaan. Kuinka paljon lämpöenergiaa tarvitaan?
- Oikea vastaus: 80,000 J
- 40,000 J
- 20,000 J
Täsmälleen – lämpötilanmuutoksen kaksinkertaistaminen kaksinkertaistaa energian: 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 10 K = 80,000 J.
Missä tätä näkee
Samana iltapäivänä rannan hiekka polttaa jalkojasi, kun taas valtameri pysyy viileänä – kilogramma vettä nielee noin 4000 joulea per kelvin, monta kertaa enemmän kuin hiekka tarvitsee, joten meri lämpenee hitaasti koko kauden. Metallilusikka kuumassa keitossa näyttää toisen puolen: matala ominaislämpö, nopea lämpötilanvaihtelu.
Yleiset virheet
Syvin sekaannus on lämmön ja lämpötilan käsitteleminen samana asiana – lämpötila on, kuinka nopeasti molekyylit liikkuvat keskimäärin, lämpö on energiaa kuljetuksessa, ja vaihtokurssi niiden välillä on se, mitä tämä laki toteaa: Q = m · c · ΔT. Katso sitten verrannollisuutta: massan kaksinkertaistaminen kaksinkertaistaa energian (2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 40,000 J muuttuu arvoon 80,000 J arvolla 4 kg), ja samoin lämpötilanmuutoksen kaksinkertaistaminen. Eri materiaalit maksavat oikeasti eri hinnan.
Miten tämä kytkeytyy
Ideaalikaasulaki kertoi, miten kaasun lämpötila määrää sen paineen; tämä on hinnasto lämpötilan muuttamiseen ylipäätään – massa, materiaali ja muutos, kerrottuna. Lämpökoneet, seuraavaksi, yrittävät ajaa tuon lämmönvirran syklin läpi ja erottaa siitä työtä, ja ne välittävät syvästi siitä, kuinka paljon lämpöä niiden piti käyttää.