Główna zawartość

Kurs: Chemia - program rozszerzony > Rozdział 10

Lekcja 1: Energia wewnętrzna

Ciepło i temperatura

Google Classroom

What heat means in thermodynamics, and how we can calculate heat using the heat capacity.

Kluczowe informacje

Ciepło, $q$ ‍, to energia cieplna przenoszona z cieplejszego systemu do chłodniejszego, z którym ma kontakt.

Temperatura to miara średniej energii kinetycznej atomów lub cząsteczek w systemie.

Zerowa zasada termodynamiki głosi, że w stanie termicznej równowagi, między dwoma obiektami nie dochodzi do transferu ciepła; mają tą samą temperaturę.

Możemy wyliczyć ciepło wydzielone lub zaabsorbowane używając pojemności cieplnej $C$ ‍, masy substancji $m$ ‍, oraz zmiany w temperaturze $Δ T$ ‍ stosując równanie:

$q = m \times C \times Δ T$ ‍

Ciepło w termodynamice

Co zawiera więcej ciepła: filiżanka kawy czy szklanka mrożonej herbaty? Na zajęciach chemii byłoby to pytanie podchwytliwe (przepraszamy!). W termodynamice, ciepło ma bardzo specyficzne znaczenie, inne od tego którego używamy na co dzień. Naukowcy definiują ciepło jako energię termiczną przenoszoną pomiędzy dwoma systemami o różnej temperaturze, które pozostają w kontakcie. Ciepło jest zapisywane za pomocą symbolu q lub Q, i ma swoją jednostkę o nazwie dżul (

J

Ciepło jest czasem nazywane funkcją procesu, ponieważ jest definiowane w kontekście procesu, przez który dochodzi do transferu energii. Nie mówimy o kubku kawy zawierającym ciepło, ale możemy mówić o cieple przechodzącym z kubka gorącej kawy na Twoją rękę. Ciepło jest także właściwością ekstensywną, więc zmiana temperatury wynikająca z ciepła przechodzącego do systemu zależy od tego, ile jest w nim cząsteczek.

Związek pomiędzy ciepłem a temperaturą

Ciepło i temperaturą są dwoma odmiennymi, ale bardzo zbliżonymi pojęciami. Zauważ, że mają różne jednostki: temperatura jest mierzona w stopniach Celsjusza (

^{\circ} C

) lub Kelvina (

K

), natomiast ciepło mierzy się w jednostkach energii, dżulach (

J

). Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej atomów lub cząsteczek w układzie. Cząsteczki wody w filiżance gorącej kawy mają wyższą średnią energię kinetyczną niż cząsteczki wody w szklance mrożonej herbaty, co oznacza również, że poruszają się z większą prędkością. Temperatura jest również parametrem intensywnym, co oznacza, że temperatura jest stała niezależnie od ilości substancji (tak długo, jak całość ma taką samą temperaturę!). Dlatego chemicy używają punktu topnienia do identyfikacji czystych substancji

-

temperatura topnienia jest właściwością substancji, która nie zależy od masy próbki.

Na poziomie atomowym, cząsteczki w każdym obiekcie są w ciągłym ruchu i zderzają się ze sobą. Przy każdym zderzeniu może dojść do transferu energii kinetycznej. Kiedy dwa systemy się stykają, kolizje cząsteczek będą przenosiły ciepło z układu cieplejszego do zimniejszego. Energia termalna będzie przepływać w tym kierunku aż do momentu zrównania temperatury w obu obiektach. Kiedy dwa stykające się systemy mają taką samą temperaturę, nazywamy ten stan równowagą termiczną.

Zerowe prawo termodynamiki: Definiowanie równowagi termicznej

Zerowa zasada termodynamiki definiuje równowagę termodynamiczną wewnątrz układu izolowanego. Mówi ona, że jeśli dwa ciała w równowadze termodynamicznej są w kontakcie, nie ma żadnej wymiany ciepła pomiędzy nimi, a więc są w tej samej temperaturze. Inny sposób sformułowania tego prawa: jeśli każde z dwóch ciał jest w równowadze termodynamicznej z trzecim ciałem, to są w równowadze termodynamicznej ze sobą nawzajem.

The zeroth law allows us to measure the temperature of objects. Any time we use a thermometer, we are using the zeroth law of thermodynamics. Let's say we are measuring the temperature of a water bath. In order to make sure the reading is accurate, we usually want to wait for the temperature reading to stay constant. We are waiting for the thermometer and the water to reach thermal equilibrium! At thermal equilibrium, the temperature of the thermometer bulb and the water bath will be the same, and there should be no net heat transfer from one object to the other (assuming no other loss of heat to the surroundings).

Heat capacity: Converting between heat and change in temperature

Jak można zmierzyć ciepło? Podsumujmy, czego się dowiedzieliśmy do tej pory o cieple:

Kiedy układ absorbuje lub traci ciepło, zmieni się średnia energia kinetyczna cząsteczek. Dlatego, transfer ciepła skutkuje zmianą temperatury układu pod warunkiem, że w układzie nie zachodzi zmiana stanu skupienia.
Zmiana temperatury wynikająca z transferu ciepła do lub z układu zależy od liczby cząsteczek w układzie.

Do zmierzenia zmiany temperatury w systemie możemy użyć termometru. Jak możemy wykorzystać zmianę temperatury do obliczenia przepływu ciepła?

Aby dojść do tego, jak ciepło przychodzące do systemu zmieni jego temperaturę, musimy wiedzieć przynajmniej

2

rzeczy:

Liczba cząsteczek w systemie
Ciepło właściwe systemu

The heat capacity tells us how much energy is needed to change the temperature of a given substance assuming that no phase changes are occurring. There are two main ways that heat capacity is reported. The specific heat capacity (also called specific heat), represented by the symbol

c

C

, is how much energy is needed to increase the temperature of one gram of a substance by

1^{\circ} C

1 K

. Specific heat capacity usually has units of

\frac{J}{grams \cdot K}

. The molar heat capacity,

C_{m}

C_{mol}

, measures the amount of thermal energy it takes to raise the temperature of one mole of a substance by

1^{\circ} C

1 K

, and it usually has units of

\frac{J}{mol \cdot K}

. For example, the heat capacity of lead might be given as the specific heat capacity,

0.129 \frac{J}{g \cdot K}

, or the molar heat capacity,

26.65 \frac{J}{mol \cdot K}

Let's think about what is happening on a molecular level when we add thermal energy to some molecules. The thermal energy can be stored as vibrations and rotations between atoms within a molecule, which does not significantly increase the temperature of the system. The energy can also be used to disrupt intermolecular interactions and increase the velocity of the entire molecule, which increases the translational kinetic energy of the molecule.

Temperature is primarily a measure of the translational kinetic energy of the system. Depending on the molecular structure and intermolecular interactions, different substances can store different amounts of thermal energy as vibrations and rotations before the temperature increases.

Obliczanie $q$ ‍ używając ciepła właściwego

We can use the heat capacity to determine the heat released or absorbed by a material using the following formula:

$q = m \times C \times Δ T$ ‍

where

m

is the mass of the substance (in grams),

C

is the specific heat capacity, and

Δ T

is the change in temperature during the heat transfer. Note that both mass and specific heat capacity can only have positive values, so the sign of

q

will depend on the sign of

Δ T

. We can calculate

Δ T

using the following equation:

$Δ T = T_{końcowe} - T_{początkowe}$ ‍

where

T_{final}

and

T_{initial}

can have units of either

^{\circ} C

K

. Based on this equation, if

q

is positive (energy of the system increases), then our system increases in temperature and

T_{final} > T_{initial}

. If

q

is negative (energy of the system decreases), then our system's temperature decreases and

T_{final} < T_{initial}

Example problem: Cooling a cup of tea

Let's say that we have

250 mL

of hot tea which we would like to cool down before we try to drink it. The tea is currently at

370 K

, and we'd like to cool it down to

350 K

. How much thermal energy has to be transferred from the tea to the surroundings to cool the tea?

Przyjmijmy założene, że herbata to w większości woda, abyśmy mogli użyć gęstości i pojemności cieplnej wody w naszych obliczeniach. Ciepło właściwe wody to

4.18 \frac{J}{g \cdot K}

, a gęstość wody to

1.00 \frac{g}{mL}

. Możemy obliczyć energię przetransferowaną w procesie schładzania herbaty za pomocą następujących kroków:

1. Obliczanie masy substancji

Możemy obliczyć masę herbaty/wody znając objętość i gęstość wody:

$m = 250 mL \times 1, 00 \frac{g}{mL} = 250 g$ ‍

2. Obliczanie zmiany w temperaturze, $Δ T$ ‍

Zmianę temperatury,

Δ T

, obliczamy znając temperaturę początkową i końcową:

$\begin{aligned} Δ T & = T_{końcowe} - T_{początkowe} \\ = 350 K - 370 K \\ = - 20 K \end{aligned}$ ‍

Ponieważ temperatura herbaty się obniża a

Δ T

jest ujemna, spodziewamy się również ujemnej

q

, skoro nasz układ traci energię termiczną.

3. Rozwiązanie dla $q$ ‍

Teraz możemy obliczyć ciepło przetransferowane z gorącej herbaty używając równania:

$\begin{aligned} q & = m \times C \times Δ T \\ = 250 g \times 4, 18 \frac{J}{g \cdot K} \times - 20 K \\ = - 21000 J \end{aligned}$ ‍

Obliczyliśmy, że herba przekaże

21000 J

energii do otoczenia jak wystygnie z

370 K

350 K

Podsumowanie

W termodynamice, ciepło i temperatura są terminami o podobnym znaczeniu, które są precyzyjnie zdefiniowane.

Ciepło, $q$ ‍, jest energią termiczną, która przy stykających się układach przechodzi z układu o wyższej temperaturze do układu o niższej temperaturze.
Temperatura to miara średniej energii kinetycznej atomów lub cząsteczek w systemie.

The zeroth law of thermodynamics says that no heat is transferred between two objects in thermal equilibrium; therefore, they are the same temperature.
We can calculate the heat released or absorbed using the specific heat capacity $C$ ‍, the mass of the substance $m$ ‍, and the change in temperature $Δ T$ ‍ in the following equation:

$q = m \times C \times Δ T$ ‍

Źródła

Ten artykuł został napisany na podstawie następujących źródeł:

“Introduction to Thermodynamics” from Boundless Chemistry, CC BY-SA 4.0.
"The Zeroth Law of Thermodynamics" from Boundless Physics, CC BY-SA 4.0.
"Heat Capacity" from UC Davis ChemWIki, CC BY-NC-SA 3.0 US.

Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Dodatkowe źródła

Kotz, J. C., Treichel, P. M., Townsend, J. R., and Treichel, D. A. (2015). Specific Heat Capacity: Heating and Cooling. In Chemistry and Chemical Reactivity, Instructor's Edition (9th ed., pp. 184-189). Stamford, CT: Cengage Learning.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Na razie brak głosów w dyskusji

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.

Chemia - program rozszerzony

Kurs: Chemia - program rozszerzony > Rozdział 10

Kluczowe informacje

Ciepło w termodynamice

Związek pomiędzy ciepłem a temperaturą

Zerowe prawo termodynamiki: Definiowanie równowagi termicznej

Heat capacity: Converting between heat and change in temperature

Obliczanie q‍ używając ciepła właściwego

Example problem: Cooling a cup of tea

1. Obliczanie masy substancji

2. Obliczanie zmiany w temperaturze, ΔT‍

3. Rozwiązanie dla q‍

Podsumowanie

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Obliczanie $q$ ‍ używając ciepła właściwego

2. Obliczanie zmiany w temperaturze, $Δ T$ ‍

3. Rozwiązanie dla $q$ ‍