Toplota in kalorimetrija
Toplota vedno teče iz bolj vročega telesa v hladnejšega, nikoli obratno, dokler oba ne dosežeta iste temperature. Koliko energije to vzame, je odvisno od treh stvari: koliko snovi segrevaš, iz česar je narejena in kako veliko spremembo temperature želiš.
Formula
Q = m · c · ΔT
- Q — toplotna energija (J): energija, prenesena v predmet ali iz njega kot toplota
- m — masa (kg): koliko snovi se segreva ali hladi
- c — specifična toplota (J/(kg·K)): energija, potrebna, da se en kilogram materiala dvigne za en kelvin
- ΔT — sprememba temperature (K): razlika med končno in začetno temperaturo
Rešen primer
Koliko toplotne energije je potrebno, da se 2 kg vode segreje za 5 kelvinov? (specifična toplota 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
Preizkusi se
Namesto 2 kg imaš sedaj 4 kg vode in še vedno želiš dvigniti za 5 kelvinov. Koliko toplotne energije je potrebno?
- 40,000 J
- 160,000 J
- Pravilen odgovor: 80,000 J
Prav! Podvojitev mase podvoji potrebno energijo: 4 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 80,000 J.
Nazaj na 2 kg vode, a sedaj želiš dvigniti temperaturo za 10 kelvinov namesto 5. Koliko toplotne energije je potrebno?
- Pravilen odgovor: 80,000 J
- 40,000 J
- 20,000 J
Točno — podvojitev spremembe temperature podvoji energijo: 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 10 K = 80,000 J.
Kje to vidiš
Isti popoldan peščina plaže opeče stopala, ocean pa ostane hladen — kilogram vode pogoltne približno 4000 joulov na kelvin, večkrat od tistega, kar peščina potrebuje, zato se morje segreva počasi vso sezono. Kovinska žlica v vroči juhi pokaže drugo stran: nizka specifična toplota, hiter temperaturni zamah.
Pogoste napake
Najgloblja zmeda je toplota in temperatura kot isto — temperatura je, kako hitro se molekule povprečno premikajo, toplota je energija v tranzitu, menjalno razmerje med njima pa je tisto, kar ta zakon izraža: Q = m · c · ΔT. Nato glej sorazmernost: podvojitev mase podvoji energijo (2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 40,000 J postane 80,000 J pri 4 kg), in prav tako podvojitev spremembe temperature. Različni materiali res plačujejo različne stopnje.
Kako se povezuje
Zakon idealnega plina ti je povedal, kako temperatura plina nastavi njegov tlak; to je cenik za spreminjanje temperature sploh — masa, material in sprememba, pomnoženi ven. Toplotni stroji, ki sledijo, poskušajo pognati ta toplotni tok skozi krog in izvleči delo iz njega, pa jih bo zelo skrbelo, koliko toplote so morali porabiti.