6. Värme, värmekapacitet, specifik värmekapacitet (s. 93 105) Termodynamikens nollte huvudsats säger att temperaturskillnader utjämnas i isolerade system. Med andra ord strävar system efter termisk jämvikt två föremål med olika temperatur kommer att utjämna temperaturskillnaden mellan sig genom ett utbyte av energi i form av värme. Om ingen värmeöverflyttning sker, är föremålen i termisk jämvikt. Detta är grunden för termometerns funktion. Om A och C är i termisk jämvikt, sker ingen värmeförflyttning mellan dem. 6.1 Värmemängd, Q Begreppet värmemängd, eller bara värme, betecknar den energi som flyttas mellan föremål pga. deras olika temperatur. Värme betecknas med bokstaven Q och har enheten joule. Föremål kan motta eller avge värme, man säger aldrig att föremål har värme. Av sig själv (spontant) avges värme från varmare föremål till kallare. Lagen om värmenergins bevarande: Om två kroppar med olika temperatur förenas kommer den varmare kroppen att avge lika mycket värme som den kallare mottar. Detta kan skrivas matematiskt i formen (31) 1
6.2. Värmets spridning Värmeenergi flyttar sig från områden med högre temperatur till områden med lägre temperatur. Hur snabbt värmet flyttar sig beror på hur det sprids; värmet kan spridas genom ledning, strömning eller strålning. 6.2.1 Ledning Vid ledning överförs värmet genom rörelsen hos de atomer och molekyler som bygger upp föremålet värmeenergin övergår i rörelseenergi som sprids via vibrationer i ämnets atomer. Ledningen är den viktigaste värmespridningsmetoden för fasta ämnen. Olika ämnen har olika stor värmeledningsförmåga en spik och en trälave i en bastu har samma temperatur, men en av dem leder värme bättre... 6.2.2 Strålning Värme sprids även i form av elektromagnetisk strålning. Våglängden för strålningen är större än för det synliga ljuset, och strålningen kallas även infraröd strålning. Genom att analysera strålningens våglängd i detalj kan temperaturen för strålningskällan bestämmas. Alla föremål med en temperatur över absoluta nollpunkten utsänder strålning. 6.2.3 Strömning Strömning, eller konvektion, innebär att värmet sprids genom den fria rörelsen hos ämnets atomer och molekyler. Konvektion sker i vätskor och gaser. Då vätskor och gaser värms upp, minskar de i regel i densitet. Detta leder till att de stiger uppåt i den omgivande gasen/vätskan, och kallare gas/vätska strömmar in för att ta deras plats. Denna kallare gas/vätska värms sedan upp i sin tur. Litet hjälp för att komma ihåg bättre: BUNNY DEATH! 2
6.4 Värmekapacitet, C En tesked med kokande vatten svalnar rätt snabbt; en stor kastrull med kokande vatten kan vara brännhet mycket lång tid. Båda avger värme till omgivningen, men en mycket större mängd värme har lagrats i ämbaret, så det tar mycket längre tid att nå jämvikt med omgivningen. Värmekapacitet är en egenskap som beskriver föremåls förmåga att lagra eller avge värmeenergi. Ett föremål med stor värmekapacitet kan motta eller avge en stor mängd värme utan att dess temperatur ändras mycket för ett föremål med liten värmekapacitet är det tvärtom, temperaturen ändras mycket redan för små värmemängder som mottas eller avges. Värmekapaciteten beskrivs som förhållandet mellan den värmemängd som tillförs eller avges och föremålets temperaturförändring: Ugnen har stor värmekapacitet det krävs mycket värmeenergi för att den skall värmas upp, men å andra sidan lagrar den mycket värmeenergi och det tar lång tid innan den svalnar. (32) Värmekapacitetens enhet är J/K, eller J/. Värmekapaciteten anger också hur stor energi som behövs för att öka föremålets temperatur med en kelvin. Vi kan beräkna värmemängden som krävs för en viss temperaturändring genom att omvandla uttrycket till: (33) 3
6.5 Specifik värmekapacitet, c Det är naturligt att stora föremål har stor värmekapacitet, och små föremål liten värmekapacitet. Ändå kan lika stora föremål av olika material ha olika värmekapacitet. Tydligen beror värmekapaciteten inte bara på storleken utan också på ämnet. Den specifika värmekapaciteten anger hur ämnet inverkar på förmågan att lagra värme. Den betecknas med c, och fås som förhållandet mellan föremålets värmekapacitet och massan för föremålet: (33) För en viss värmemängd, ändras temperaturen olika mycket för samma mängd av olika ämnen. Enheten för den specifika värmekapaciteten är J/kgK eller J/kg. Den specifika värmekapaciteten anger alltså hur stor värmemängd som behöver avges eller mottas, per kilogram av föremålet, för att ändra temperaturen med en kelvin. Då vi känner till föremålets massa och temperaturförändringens storlek, kan vi alltså beräkna värmemängden som förflyttas med hjälp av följande uttryck: (34) 4
Ex. 21 Beräkna den värmemängd som krävs för att öka kaffets temperatur med 68 kelvin. 5
Ex. 22 897 J/kgK I en isolerande kalorimeter finns en behållare med vatten, vars temperatur i början är 23,2 C. Ett föremål med temperaturen 67,8 C sänks i vattnet. Då termisk jämvikt har uppnåtts är vattnets temperatur 25,6 C. Vad är föremålets specifika värmekapacitet? 6
Ex. 23 Ett blyklot faller från höjden 21 m och landar utan att studsa. Anta att hälften av den energi som skapas i klotet på grund av kollisionen med marken omvandlas till värme som sprids i klotet. Hur mycket ändras klotets temperatur? Läs sid. 93 103 Lös uppgifter 5 5, 5 13, 5 16, 5 19, 5 20, 5 23 7
Bilagor bunnydea.avi