Ciepło właściwe

Ciepłem właściwym nazywamy ilość energii potrzebnej do ogrzania 1 kg substancji o 1°C. To, o ile zmieni się temperatura podgrzewanej przez nas substancji przez transfer pewnej ilości energii zależy od ciepła właściwego tej substancji, oznaczanego literą c.

Przykładowo, dużo łatwiej jest podgrzać stal (c = 450 J/KgC) niż wodę (c = 4190 J/KgC). Im mniejsze ciepło właściwe substancji tym łatwiej podgrzać (lub ochłodzić) tę substancję.

1. Czym jest ciepło właściwe

Już w osiemnastym wieku, szkocki fizyk Joseph Black odkrył, że dostarczając taką samą ilość ciepła do dwóch substancji o takiej samej masie powodujemy różny wzrost temperatury. Ciepło właściwe to właściwość substancji ilustrująca jak łatwo jest podgrzać lub ochłodzić tą substancję.

Podgrzewając substancję powodujemy wzrost jej temperatury. O ile wzrośnie temperatura substancji zależy od kilku czynników: masy substancji, jej ciepła właściwego oraz ilości dostarczonego ciepła. Zależność tą możemy zapisać za pomocą wzoru: Q = mc ⋅ Δt.

\large Q = m \cdot c \cdot \Delta t

Gdzie Q – ciepło (przepływ energii), m – masa, c – to ciepło właściwe, Δt – zmiana temperatury.

2. Jak obliczyć ciepło właściwe

Ciepło właściwe możemy wyliczyć ze wzoru na przepływ energii (ciepło) powyżej.

\large c = \frac{Q}{m \cdot \Delta t} = \frac{Q}{m \cdot (t_k-t_p)}

Gdzie Q – ciepło (przepływ energii), m – masa, c – to ciepło właściwe, Δt – zmiana temperatury, tk – temperatura końcowa, tp – temperatura początkowa.

Jednostką ciepła właściwego jest J/kgC (J/kgK) – dżul przez kilogram Celsjusz (Kelwin).

Przykładowe zadanie:

Czajnik zagotował pół litra wody dostarczając jej 168 300 J ciepła (pobierając moc 1870 W przez około 90 sekund). Oblicz ciepło właściwe wody jeżeli temperatura początkowa wynosiła 20C.

Dane:

Q = 168 300 J
m = 0,5 kg
Δt = 100C – 20C = 80C

\large c = \frac{Q}{m \cdot \Delta t} = \frac{168 300}{0.5 kg \cdot 80C}

c = ~4207 J/KgC

Uzyskany wynik różni się nieznacznie od tabelarycznej wartości ciepła właściwego z uwagi na błędy pomiarowe oraz niedoskonałą izolacje czajnika (czajnik też trochę się nagrzewa podczas gotowania wody).

3. Od czego zależy ciepło właściwe

Ciepło właściwe zależy od warunków, w których odbywa się przepływ energii -temperatury substancji oraz ciśnienia. W niskich temperaturach wartość ciepła właściwego może gwałtownie zmaleć – czyli będzie łatwiej ogrzać taką substancję.

Dla nieznacznych zmian temperatury ciepło właściwe możemy w uproszczeniu przyjąć jako stałe.

4. Tabela ciepła właściwego substancji

Tabela wartości ciepła właściwego wybranych substancji dla temperatury 20C oraz ciśnienia 1 atm (~1013 hPa).

SubstancjaCiepło właściwe (J/kgC)
Aluminium900
Alkohol etylowy2400
Lód2100
Miedź385
Para wodna2010
Woda4190
Żelazo450