"Institute of Educational Policy" Books

Search

Go
Show

1.13 Ειδικές θερμότητες

Απ' όσα είπαμε έως τώρα, αλλά και από την καθημερινή εμπειρία μας, προκύπτει ότι όταν ένα σώμα παίρνει θερμότητα η θερμοκρασία του αυξάνεται. Πόση είναι όμως αυτή η αύξηση της θερμοκρασίας; Ήδη από το δέκατο όγδοο αιώνα οι ερευνητές είχαν διαπιστώσει ότι η θερμότητα που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία ενός σώματος είναι ανάλογη προς τη μάζα m του σώματος και προς τη μεταβολή Δθ της θερμοκρασίας του.

Αυτή η εξαιρετικά απλή διαπίστωση μπορεί να εκφραστεί με εξίσωση. Σχέση ανάμεσα στη ροή της θερμότητας και στη μεταβολή της θερμοκρασίας Q = m c Δθ (17) όπου c είναι ένα μέγεθος χαρακτηριστικό του υλικού που ονομάζεται ειδική θερμότητα.

Η ειδική θερμότητα ενός υλικού, εκφράζει τη θερμότητα που χρειάζεται να προσλάβει ή να αποβάλει η μονάδα μάζας του υλικού, για να μεταβληθεί η θερμοκρασία της κατά μία μονάδα θερμοκρασίας.

Από τη σχέση (17) βρίσκουμε ότι: c = Q/mΔΤ. Συνεπώς η ειδική θερμότητα θα μετριέται σε J/kg °C ή σε Cal/kg °C. Στον πίνακα IV δίνουμε τις τιμές της ειδικής θερμότητας για διάφορες ουσίες.

Το γινόμενο mc ονομάζεται θερμοχωρητικότητα Κ και αφορά πάντα ένα συγκεκριμένο σώμα. Αν, για παράδειγμα, ένα δοχείο αποτελείται από αλουμίνιο μάζας mαλ με ειδική θερμότητα cαλ, από βακελίτη μάζας mβακ με ειδική θερμότητα Cβακ και από γυαλί μάζας mγυαλ με ειδική θερμότητα cγυαλ, η θερμοχωρητικότητα του δοχείου θα είναι: [pic]

ΠΙΝΑΚΑΣ IV Ειδικές θερμότητες (Σε 1 atm και 20 oC) Ειδική θερμότητα - Ειδική θερμότητα Ουσία - Kcal/kg oC - J/kg oC – Ουσία - Kcal/kg oC - J/kg oC Αλουμίνιο - 0,22 – 900 – Οινόπνευμα - 0,58 - 2400 Χαλκός - 0,093 – 390 - Γλυκερίνη (50 °C) - 0,60 - 2500 Γυαλί - 0,20 – 840 – Υδράργυρος - 0,033 - 140 Διαμάντι - 0,12 – 500 – Νερό - - Ατσάλι (σίδηρος) - 0,11 – 450 – Πάγος (-5 oC) - 0,50 - 2100 Μόλυβδος - 0,031 – 130 - Υγρό (15 oC) - 1,00 - 4186 Μάρμαρο - 0,21 – 860 - Ατμός (110 oC) - 0,48 - 2010 Ασβέστης - 0,195 – 820 - Ανθρώπινο σώμα - 0,83 – 3470 Άργυρος - 0,051 – 230 – Πρωτεΐνες - 0,4 - 1700 Ξύλο - 0,4 – 1700 – Βενζίνη - 0,41 - 1720 Αλάτι - 0,21 – 880 - - -

Οι τιμές της ειδικής θερμότητας c εξαρτώνται σε μικρό βαθμό από τη θερμοκρασία (και πολύ λίγο από την πίεση), αλλά για μεταβολές της θερμοκρασίας που δεν είναι πολύ μεγάλες η ειδική θερμότητα των διάφορων υλικών μπορεί να θεωρηθεί σταθερή.

Προσπαθήστε με βάση τη μεγάλη διαφορά που υπάρχει στην ειδική θερμότητα του χώματος και του νερού και αφού διαβάσετε την παρακάτω πειραματική δραστηριότητα να εξηγήσετε τα ακόλουθα φαινόμενα.

α) Το καλοκαίρι στις παραθαλάσσιες περιοχές τις απογευματινές ώρες φυσά ένα δροσερό αεράκι από τη θάλασσα προς τη στεριά (θαλάσσια αύρα), ενώ τις πρώτες πρωινές ώρες συμβαίνει ακριβώς το αντίθετο, φυσά από την ξηρά προς τη θάλασσα (απόγειος αύρα).

β) Στο εσωτερικό της Πελοποννήσου και της Κεντρικής Ελλάδας (Τρίπολη, Αγρίνιο, Λάρισα) σημειώνονται το καλοκαίρι πολύ υψηλές θερμοκρασίες και το χειμώνα πολύ χαμηλές. Αντίθετα, στις παραθαλάσσιες και νησιωτικές περιοχές έχουμε μέτριες θερμοκρασίες τόσο το καλοκαίρι όσο και το χειμώνα.

Οι ειδικές θερμότητες των αερίων είναι πιο πολύπλοκες απ' όσο για τα στερεά και για τα υγρά, που η μεταβολή του όγκου τους λόγω της μεταβολής της θερμοκρασίας είναι σχετικά μικρή.

ΠΙΝΑΚΑΣ V Ειδικές θερμότητες αερίων (Kcal/kg °C) Αέριο - σταθερή πίεση - σταθερός όγκος Ατμός (100 oC) - 0,482 - 0,350 Οξυγόνο - 0,218 - 0,155 Ήλιο - 1,15 - 0,75 Διοξείδιο του άνθρακα - 0,199 - 0,153 Άζωτο - 0,248 - 0,177

Η ειδική θερμότητα των αερίων, δηλαδή το ποσό της θερμότητας που πρέπει να πάρει ή να δώσει ένα γραμμάριο του αερίου, για να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά ένα βαθμό, είναι φανερό ότι θα εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η αύξηση της θερμοκρασίας. Δηλαδή, θα είναι διαφορετική αν γίνεται υπό σταθερή πίεση και διαφορετική αν γίνεται υπό σταθερό όγκο. Για μερικά αέρια αυτό φαίνεται στον πίνακα V.

Παρατηρούμε από τον πίνακα V ότι για τα αέρια η διαφορά ανάμεσα στην ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση Cp και υπό σταθερό όγκο Cv είναι σημαντική, και μάλιστα η πρώτη είναι πάντα μεγαλύτερη από τη δεύτερη. Μήπως αυτό είναι κάτι που το περιμένατε; (Θυμηθείτε ότι κατά τη θέρμανση του το αέριο υπό σταθερή πίεση διαστέλλεται και συνεπώς παράγει και έργο Ρ ΔV).