Toplina i toplinski kapacitet
- izračunati toplinu koju treba dovesti nekom sustavu ili koju sustav može predati
- napisati fizičke izraze za specifični i za molarni toplinski kapacitet
- opisati princip rada kalorimetra.
Sjeti se!
Toplina je fizikalna veličina kojom se opisuje energija koja prelazi s toplijeg
na hladnije tijelo.
Označava se slovom Q.
Mjerna jedinica je joule (čitamo: džul).
Označava se slovom J.
Naučimo novo!
Energija je sposobnost sustava da obavi rad.
Rad (W) i toplina (Q) su oblici energije u kojima ona prelazi iz jednog sustava u drugi ili iz sustava u okolinu.
Energija se označava slovom E.
Mjerna jedinica energije je Joule (čitamo: džul). Označava se slovom J.
Toplina (Q) se spontano, bez vanjskog utjecaja, prenosi s tijela više temperature na tijelo niže temperature.
U dodiru dvaju tijela različite temperature hladnije se tijelo zagrijava, a toplije se hladi.
Unutarnja energija sustava (∆U) je zbroj (+) kinetičke i potencijalne energije svih jedinki u sustavu.
Gibanje pojedine jedinke proizvodi kinetičku energiju.
Međudjelovanje pojedinih jedinki proizvodi potencijalnu energiju.
Unutarnju energiju (∆U), toplinu (Q) i rad (W) povezuje Prvi zakon termodinamike.
Naučimo formulu:
ΔU = Q + W
ΔU = energija sustava
Q = toplina
W = rad
Uvod
Energija, E, se može definirati kao mjera za sposobnost sustava da obavi rad. Rad, W, i toplina, Q, su oblici energije u kojima ona prelazi iz jednog sustava u drugi ili iz sustava u okolinu.
Toplina se spontano, bez vanjskog utjecaja, prenosi s tijela više temperature na tijelo niže temperature. U dodiru dvaju tijela različite temperature hladnije se tijelo zagrijava, a toplije se hladi.
Unutarnja energija sustava je zbroj kinetičke i potencijalne energije svih jedinki u sustavu.
Gibanje pojedine jedinke proizvodi kinetičku energiju, a međudjelovanje pojedinih jedinki proizvodi potencijalnu energiju.
Unutarnju energiju, toplinu i rad povezuje Prvi zakon termodinamike:
Sustav može biti:
1. otvoren – moguća je izmjena tvari i energije s okolinom
2. zatvoren – moguća je izmjena energije, ali ne i tvari s okolinom
3. izoliran – nije moguća izmjena ni tvari ni energije s okolinom.
Vrste sustava
Sustav može biti:
- otvoren – moguća je izmjena tvari i energije s okolinom
- zatvoren – moguća je izmjena energije, ali ne i tvari s okolinom
- izoliran – nije moguća izmjena ni tvari ni energije s okolinom.
Primjeri sustava
Možemo li staklenik smatrati približno izoliranim sustavom?
Svoje zaključke argumentirajte simulacijom i stvarnim iskustvom.
Možemo li staklenik smatrati približno izoliranim sustavom? Svoje zaključke argumentirajte na temelju simulacije i stvarnoga iskustva.
Promotrite reakciju magnezija (Mg) s klorovodičnom kiselinom (HCl).
Odgovorite na sljedeća pitanja.
Promotrite reakciju magnezija s klorovodičnom kiselinom i potom odgovorite na sljedeća pitanja.
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Jednadžba prikazane kemijske reakcije:
Temperatura se u reakcijskom sustavu:
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Reakcija je:
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Koji se plin oslobađa u reakciji?
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Reakcijski sustav je:
Želite li pokušati ponovo?
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Jednadžba kemijske reakcije:
Temperatura se u reakcijskom sustavu:
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Reakcija je:
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Koji se plin oslobađa u reakciji?
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Reakcijski sustav je:
Želite li pokušati ponovo?
Toplinski kapacitet
Toplinski kapacitet je karakteristično svojstvo pojedine vrste tvari.
Označava se slovom C.
Toplinski kapacitet ovisi o količini apsorbirane (upijene) topline (označavamo slovom Q) i prirasta temperature (označavamo s delta T, ΔT).
Mjerna jedinica za toplinski kapacitet je J K-1 (čitamo: džul po kelvinu).
Toplinski kapacitet nekog predmeta je ekstenzivno svojstvo jer ovisi o količini tvari od koje je predmet načinjen.
Specifični toplinski kapacitet je toplina koju treba dovesti 1 kilogramu neke tvari da se temperatura povisi za 1 K (čitamo: kelvin).
Specifični toplinski kapacitet označavamo malim slovom c.
Mjerna jedinica za specifični toplinski kapacitet (c) je J K–1 g–1ili J K–1 kg–1 (čitamo: džul po gramu i kelvinu ili džul po kilogramu i kelvinu).
Toplinski kapacitet
Toplinski kapacitet, C, karakteristično je svojstvo pojedine vrste tvari; ovisi o količini apsorbirane topline Q i prirasta temperature .
Mjerna jedinica za toplinski kapacitet je .
Toplinski kapacitet nekog predmeta je ekstenzivno svojstvo jer ovisi o količini tvari od koje je predmet načinjen.
Specifični toplinski kapacitet, c, je toplina koju treba dovesti 1 kilogramu neke tvari da se temperatura povisi za 1K.
Mjerna jedinica za specifični toplinski kapacitet je 1 ili .
Tablica 1. Specifični toplinski kapacitet (c) nekih čvrstih tvari i tekućina pri 25 °C. | |
tvar | c/(J kg–1 K–1) |
živa | 140 |
željezo | 450 |
bakar | 385 |
cink | 390 |
staklo | 800 |
aluminij | 900 |
vodena para | 2030 |
led | 2050 |
etanol | 2440 |
voda | 4200 |
Tablica 1. Specifični toplinski kapacitet nekih čvrstih tvari i tekućina pri 25 °C. | |
---|---|
tvar | c/(J kg–1 K–1) |
živa | 140 |
željezo | 450 |
bakar | 385 |
cink | 390 |
staklo | 800 |
aluminij | 900 |
vodena para | 2030 |
led | 2050 |
etanol | 2440 |
voda | 4200 |
Molarni toplinski kapacitet je toplina koju je treba dovesti 1 molu neke tvari da se temperatura povisi za 1 K.
Označavamo ga slovima (Cm) :
Mjerna jedinica za molarni toplinski kapacitet (Cm) je J K–1 mol–1
(čitamo: džul po kelvinu i molu).
Specifični (c) i molarni toplinski kapacitet (Cm) intenzivna su svojstva i NE ovise o količini tvari.
Molarni toplinski kapacitet, , je toplina koju treba dovesti 1 molu neke tvari da se temperatura povisi za 1 K.
Mjerna jedinica za molarni toplinski kapacitet je .
Specifični i molarni toplinski kapacitet intenzivna su svojstva jer ne ovise o količini tvari.
Prirast temperature (ΔT) nekog sustava za jednaku dovedenu količinu topline (Q) ovisi o specifičnom toplinskom kapacitetu (c) i masi tvari (m).
Prirast temperature nekog sustava za jednaku dovedenu količinu topline ovisi o specifičnom toplinskom kapacitetu i masi tvari.
Riješeni primjer 1.
Koliko je topline (Q) potrebno dovesti vodi (H2O) mase (m) 250 g da bismo je zagrijali s 18,0°C (t1) na 75,0 °C (t2 ).
Specifični toplinski kapacitet (c) vode je 4190 J kg–1 K–1.
Zadano je:
m(H2O) = 250 g
t1 = 18 °C
t2 = 75 °C
c(H2O) =
Traži se:
Izradak:
Δt = 57 °C
ΔT = 57 K
Odgovor:
Da se zagrije 250 g (m) vode od na , treba dovesti toplinu (Q) od 59,7 kJ.
Riješeni primjer 1.
Koliko je topline potrebno dovesti vodi mase 250 g da bismo je zagrijali s na ?
Specifični toplinski kapacitet vode je .
Zadano je:
m(H2O) = 250 g
t1 = 18 °C
t2 = 75 °C
c(H2O) =
Traži se:
Izradak:
Δt = 57 °C
ΔT = 57 K
Odgovor:
Da se zagrije 250 g vode od na , treba dovesti toplinu od 59,7 kJ.
Riješeni primjer 2.
Mase (m) metalnih valjka su jednake (=) i iznose 1 kg.
Početna temperatura (t1) im je jednake (=) i iznosi 25 °C.
Zaključite na temelju njihovih specifičnih toplinskih kapaciteta (c) koji od valjaka će postići najveću, a koji najmanju temperaturu?
Provjerite računom.
metal | c /(J kg-1K-1) |
---|---|
Al | 900 |
Au | 129 |
Cu | 385 |
Fe | 450 |
Izradak:
Prirast temperature (ΔT) nekog sustava za jednaku (=) dovedenu količinu topline (ΔQ) ovisi o specifičnom toplinskom kapacitetu (c) i masi (m) tvari.
ΔQ = m ⋅ c ⋅ ΔT
ΔT = ΔQ / m ⋅ c
Iz formule se može zaključiti da će metal (Au) s najmanjim specifičnim toplinskim kapacitetom (c) postići najveću temperaturu.
Metal (Al) s najvećim specifičnim toplinskim kapacitetom (c) postići će najmanju temperaturu.
Riješeni primjer 2.
Ako su mase metalnih valjka jednake i iznose 1 kg i početna temperatura im je jednaka i iznosi 25 °C, zaključite na temelju njihovih specifičnih toplinskih kapaciteta koji od valjaka će postići najveću, a koji najmanju temperaturu? Provjerite računom.
metal | c /(J kg-1K-1) |
---|---|
Al | 900 |
Au | 129 |
Cu | 385 |
Fe | 450 |
Izradak:
Prirast temperature nekog sustava za jednaku dovedenu količinu topline ovisi o specifičnom toplinskom kapacitetu i masi tvari.
ΔQ = m ⋅ c ⋅ ΔT
ΔT = ΔQ / m ⋅ c
Iz formule se može zaključiti da će metal s najmanjim specifičnim toplinskim kapacitetom (Au) postići najveću, a metal s najvećim specifičnim toplinskim kapacitetom (Al) najmanju temperaturu.
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Mjerna jedinica za specifični toplinski kapacitet (c) je:
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Najveći toplinski kapacitet (C) ima:
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Željeznom se predmetu mase (m) 1450 g, temperature (t1) 180 °C hlađenjem snizila unutarnja energija (Q) za 65,3 kJ.
Specifični toplinski kapacitet (c) željeza (Fe) je 450 J kg–1 K–1.
Na koju se temperaturu (t2) ohladio željezni predmet?
m = 1450 g
c = 450 J kg–1 K–1
Q = 65,3 kJ
t1= 180 °C
t2 = ?
∆t = ?
Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Koliko je topline (Q)potrebno da se komad bakra (Cu) mase (m) 100 g, zagrije s 18 °C (t1) na 90 °C (t2) ?
Specifični toplinski kapacitet (c) bakra (Cu) je 0,385 J g–1 K–1.
m = 100 g
c = 0,385 J g–1 K–1
t1 = 18 °C t2 = 90 °C
∆t = ?
Q = ?
Q = m · ∆t · c
Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.
Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.
Želite li pokušati ponovo?
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Mjerna jedinica za specifični toplinski kapacitet je:
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Najveći toplinski kapacitet ima:
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Željeznom se predmetu mase 1450 g, temperature hlađenjem snizila unutarnja energija za 65,3 kJ. Specifični toplinski kapacitet željeza je . Na koju se temperaturu ohladio željezni predmet?
Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.
Klikom odaberite jedan točan odgovor.
Odaberite točan odgovor.
Koliko je topline potrebno da se komad bakra mase 100 g zagrije s na ?
Rješenje:
Specifični toplinski kapacitet bakra je .
Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.
Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.
Želite li pokušati ponovo?
Kalorimetar
Kalorimetar je reakcijska posuda (čaša, tikvica) toplinski dobro izolirana.
To podrazumijeva da nema prijelaza topline između tvari u kalorimetru i okoline.
Kalorimetrom se mjeri prirast topline određene množine tvari tijekom fizikalne ili kemijske promjene.
Kalorimetar
Kalorimetar je reakcijska posuda (čaša, tikvica) toplinski dobro izolirana, što podrazumijeva da nema prijelaza topline između tvari u kalorimetru i okoline. Kalorimetrom se mjeri prirast topline određene množine tvari tijekom fizikalne ili kemijske promjene.
Tijekom gorenja uzorka (hrane) određene mase oslobađa se toplina koja grije vodu u spremniku
Mjeri se temperatura u određenim vremenskim intervalima.
Na temelju oslobođene topline izračuna se kalorijska vrijednost hrane.
Tijekom gorenja uzorka (hrane) određene mase oslobađa se toplina koja grije vodu u spremniku
Mjeri se temperatura u određenim vremenskim intervalima. Na temelju oslobođene topline izračuna se kalorijska vrijednost hrane.
Na kraju…
Riješite interaktivni kviz!
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
Energija (E) se može definirati kao mjera za sposobnost sustava da obavi rad.
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
Osnovna jedinica za energiju je joule (J)
().
James Prescott Joule (1818. – 1889.) je engleski fizičar po kojemu je nazvana mjerna jedinica za rad.
Ista mjerna jedinica joule (1 J) se koristi za rad i za energiju.
Budući da je rad jednak (=) produktu sile i puta na kojemu ta sila djeluje, a sila je jednaka (=) produktu mase i akceleracije, mjerna jedinica .
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
U zatvorenu sustavu nije moguća izmjena tvari s okolinom.
U zatvorenu je sustavu moguća samo izmjena energije unutar sustava.
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
Specifični toplinski kapacitet (c) je toplina koju treba dovesti 1 molu neke tvari da se temperatura povisi za 1 K.
Specifični toplinski kapacitet (c) je toplina koju treba dovesti 1 molu neke tvari da se temperatura povisi za 1 K.
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
Mjerna jedinica za molarni toplinski kapacitet (Cm) je .
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
Apsolutni iznos prirasta temperature iskazan u °C ili K je isti.
Dvije različite temperaturne ljestvice, jedna u Celzijusovim stupnjevima (°C) nastala empirijski na termometru sa živom, a druga u kelvinima (K) izvedena kao posljedica termodinamičkih zakona, imaju jednaku podjelu.
Zato su mjerne jedinice jednake (1 °C = 1 K).
Razlika temperatura ima istu brojčanu vrijednost bez obzira u kojoj je ljestvici izražena.
Ista temperatura izražena je različitim brojčanim vrijednostima u kelvinima (K) ili u Celzijusovim stupnjevima (°C).
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
1 J = 4,18 cal
Kalorija (cal) je stara jedinica za energiju. Danas se još uvijek često u kalorijama iskazuje energijska vrijednost hrane.
(1 J = 4,18 cal).
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
Voda ima veći > specifični toplinski kapacitet (c) od željeza (Fe).
Specifični toplinski kapacitet (c) ovisi o vrsti tvari.
U usporedbi s ostalim tvarima voda () ima vrlo velik specifični toplinski kapacitet (c).
Zbog toga se rabi kao sredstvo za prijenos topline, npr. u centralnom grijanju.
Velik specifični toplinski kapacitet vode ima utjecaj i na klimu.
Zato su zime u primorskim krajevima blaže od zima u unutrašnjosti.
Želite li pokušati ponovo?
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
Energija, E, se može definirati kao mjera za sposobnost sustava da obavi rad.
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
Osnovna jedinica za energiju je joule ().
James Prescott Joule (1818. – 1889.) je engleski fizičar po kojemu je nazvana mjerna jedinica za rad. Ista mjerna jedinica joule (1 J) se koristi za rad i za energiju. Budući da je rad jednak produktu sile i puta na kojemu ta sila djeluje, a sila je jednaka produktu mase i akceleracije, mjerna jedinica ().
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
U zatvorenu sustavu nije moguća izmjena tvari s okolinom.
U zatvorenu je sustavu moguća samo izmjena energije unutar sustava.
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
Specifični toplinski kapacitet, c, je toplina koju treba dovesti 1 molu neke tvari da se temperatura povisi za 1 K.
Specifični toplinski kapacitet, c, je toplina koju treba dovesti 1 molu neke tvari da se temperatura povisi za 1 K.
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
Mjerna jedinica za molarni toplinski kapacitet je .
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
Apsolutni iznos prirasta temperature iskazan u °C ili K je isti.
Dvije različite temperaturne ljestvice, jedna u Celzijusovim stupnjevima (°C) nastala empirijski na termometru sa živom, a druga u kelvinima (K) izvedena kao posljedica termodinamičkih zakona, imaju jednaku podjelu. Zato su mjerne jedinice jednake (1 K = °C) i razlika temperatura ima istu brojčanu vrijednost bez obzira u kojoj ljestvici je izražena, a ista temperatura izražena je različitim brojčanim vrijednostima u kelvinima ili u Celzijusovim stupnjevima.
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
1 J = 4,18 cal
Kalorija je stara jedinica za energiju. Danas se još uvijek često u kalorijama iskazuje energijska vrijednost hrane. (1 cal = 4,18 J).
Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.
Je li ova tvrdnja točna?
Voda ima veći specifični toplinski kapacitet od željeza.
Podatke za vrijednosti specifičnih toplinskih kapaciteta pronađite u Tablici 1.
Specifični toplinski kapacitet ovisi o vrsti tvari. U usporedbi s ostalim tvarima voda ima vrlo velik specifični toplinski kapacitet, zbog toga se koristi kao sredstvo za prijenos topline, npr. kod centralnog grijanja.
Velik specifični toplinski kapacitet vode ima utjecaj i na klimu. Zato su zime u primorskim krajevima blaže su od onih u unutrašnjosti.
Želite li pokušati ponovo?
Više informacija o toplinskom kapacitetu možete pronaći u jedinici 2.1 Unutarnja energija i toplina u DOS-u Fizika 2.