Toplina i kalorimetrija
Toplina uvijek teče od vrućeg objekta hladnijem, nikad obrnuto, dok oboje ne dostignu istu temperaturu. Koliko energije to traži ovisi o tri stvari: koliko tvari griješ, od čega je, i koliku promjenu temperature želiš.
Formula
Q = m · c · ΔT
- Q — toplinska energija (J): energija prenesena u objekt ili iz njega kao toplina
- m — masa (kg): koliko tvari se grije ili hladi
- c — specifični toplinski kapacitet (J/(kg·K)): energija potrebna za dizanje jednog kilograma materijala za jedan kelvin
- ΔT — promjena temperature (K): razlika između konačne i početne temperature
Riješeni primjer
Koliko je toplinske energije potrebno za zagrijavanje 2 kg vode za 5 kelvina? (specifični kapacitet vode ≈ 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
Testiraj se
Umjesto 2 kg, sada imaš 4 kg vode i još uvijek želiš podići za 5 kelvina. Koliko toplinske energije treba?
- 40,000 J
- 160,000 J
- Točan odgovor: 80,000 J
Točno! Udvostručenje mase udvostručuje potrebnu energiju: 4 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 80 000 J.
Natrag na 2 kg vode, ali sada želiš podići temperaturu za 10 kelvina umjesto 5. Koliko toplinske energije treba?
- Točan odgovor: 80,000 J
- 40,000 J
- 20,000 J
Upravo tako — udvostručenje promjene temperature udvostručuje energiju: 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 10 K = 80 000 J.
Gdje ovo vidiš
Isto popodne, pijesak na plaži peče stopala dok ocean ostaje hladan — kilogram vode guta oko 4000 džula po kelvinu, nekoliko puta više nego pijesak treba, pa se more grije sporo cijele sezone. Metalna žlica u vrućoj juhi pokazuje drugu stranu: nizak specifični kapacitet, brz zamah temperature.
Česte greške
Najdublja zabuna je toplina i temperatura kao ista stvar — temperatura je koliko se molekule u prosjeku brzo gibaju, toplina je energija u prijelazu, a tečaj razmjene između njih jest ono što ovaj zakon iskazuje: Q = m · c · ΔT. Zatim prati razmjernost: udvostručenje mase udvostručuje energiju (2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 40 000 J postaje 80 000 J pri 4 kg), a isto radi i udvostručenje promjene temperature. Različiti materijali doista plaćaju različite stope.
Kako se povezuje
Zakon idealnog plina rekao ti je kako temperatura plina postavlja njegov tlak; ovo je cjenik za mijenjanje temperature uopće — masa, materijal i promjena, pomnoženo. Toplinski strojevi, sljedeće, pokušavaju provući taj tok topline kroz ciklus i izvući rad iz njega, i jako će im biti stalo do toga koliko su topline morali potrošiti.