Spezifische Wärmekapazität
Spezifische Wärme(n) ist eine besondere Art der Wärmekapazität. Spezifische Wärme ist die thermodynamische Eigenschaft, die angibt, welche Wärmemenge erforderlich ist, damit eine einzelne Masseneinheit einer Substanz um ein Grad Temperatur erhöht wird. Je nach dem Ausmaß, in dem sie Wärme absorbieren, ergeben sich unterschiedliche Bereiche der spezifischen Wärmewerte für Substanzen. Der Begriff Wärmekapazität kann irreführend sein, da Wärme q der Begriff für die Zufuhr oder Abfuhr von Energie über eine Barriere zu einer Substanz oder einem System als Folge einer Temperaturerhöhung oder -senkung ist. Temperaturänderungen sind in Wirklichkeit Änderungen der Energie. Daher sind die spezifische Wärme und andere Formen der Wärmekapazität genauere Maße für die Fähigkeit einer Substanz, Energie zu absorbieren, wenn die Temperatur der Substanz ansteigt.
Einheiten
Einheiten sind sehr wichtig, um jede thermodynamische Eigenschaft auszudrücken; dasselbe gilt für die spezifische Wärme. Energie in Form von Wärme wird in Joule (J) oder Kilojoule (kJ) ausgedrückt, die die gebräuchlichsten Einheiten im Zusammenhang mit Energie sind. Eine Masseneinheit wird in Gramm oder Kilogramm in Bezug auf die spezifische Wärme gemessen. Pro ein Gramm ist die Standardform, die in Tabellen mit spezifischen Wärmewerten verwendet wird, aber manchmal werden auch Bezüge mit einem Kilogramm angegeben. Ein Grad Temperatur wird entweder auf der Celsius- oder Kelvinskala gemessen, in der Regel jedoch in Celsius. Die dann am häufigsten verwendeten Einheiten für die spezifische Wärme sind J/(g-°C).
Faktoren, die die spezifische Wärme bestimmen
Temperatur und Druck
Zwei Faktoren, die die spezifische Wärme eines Materials verändern, sind Druck und Temperatur. Die spezifische Wärme wird bei einem standardmäßigen, konstanten Druck (normalerweise Atmosphärendruck) für Materialien definiert und wird im Allgemeinen bei 25 °C (298,15 K) angegeben. Eine Standardtemperatur wird verwendet, weil die spezifische Wärme temperaturabhängig ist und sich bei verschiedenen Temperaturwerten ändern kann. Die spezifische Wärme wird als intensive Eigenschaft bezeichnet (d.h. intensive und extensive eigenschaftsintensive Eigenschaft). Solange die Temperatur und der Druck auf den in der Norm angegebenen Werten liegen und keine Phasenänderung auftritt, bleibt der Wert für die spezifische Wärme eines beliebigen Materials unabhängig von der Masse des vorhandenen Materials konstant.
Energetische Freiheitsgrade
Ein großer Faktor in der Größenordnung der spezifischen Wärme eines Materials liegt auf molekularer Ebene in den energetischen en:Freiheitsgraden (Physik und Chemie), die dem Material in der Phase (fest, flüssig oder gasförmig), in der es sich befindet, zur Verfügung stehen. Es gibt vier Arten von energetischen Freiheitsgraden: Translation, Rotation, Vibration und Elektronik. Um jeden Freiheitsgrad zu erreichen, ist ein Mindestmaß an Energie erforderlich. Daher hängt die Energiemenge, die in einer Substanz gespeichert werden kann, von der Art und Anzahl der energetischen Freiheitsgrade ab, die bei einer bestimmten Temperatur zu der Substanz beitragen. Flüssigkeiten haben im Allgemeinen mehr Modi mit niedriger Energie und mehr energetische Freiheitsgrade als Feststoffe und die meisten Gase. Dieser breitere Bereich von Möglichkeiten innerhalb der Freiheitsgrade erzeugt für flüssige Substanzen typischerweise größere spezifische Wärme als für Festkörper oder Gase. Dieser Trend lässt sich in der Tabelle der spezifischen Wärmekapazitäten#Tabelle der spezifischen Wärmekapazitäten und durch Vergleich von flüssigem Wasser mit festem Wasser (Eis), Kupfer, Zinn, Sauerstoff und Graphit erkennen.
Verwendung
Die spezifische Wärme wird verwendet, um die Wärmemenge zu berechnen, die absorbiert wird, wenn einem Material oder einer Substanz durch eine Temperaturerhöhung über einen definierten Bereich Energie zugeführt wird. Die Berechnung der einem Material oder einer Substanz zugeführten Wärme- oder Energiemenge ist ein relativ einfacher Prozess, solange die Anfangs- und Endtemperatur des Materials aufgezeichnet werden, die Masse des Materials angegeben wird und die spezifische Wärme bekannt ist. Die spezifische Wärme, die Masse des Materials und die Temperaturskala müssen alle in den gleichen Einheiten vorliegen, um die Berechnung für die Wärme genau durchführen zu können.
Die Gleichung zur Berechnung der Wärme (q) lautet wie folgt:
Q = s × m × ΔT
In der Gleichung ist s die spezifische Wärme in (J/g-°C). m ist die Masse der Substanz in Gramm. ΔT bezieht sich auf die in der Substanz beobachtete Temperaturänderung (°C). Die Konvention besteht darin, die Anfangstemperatur des Materials von der Endtemperatur nach dem Erhitzen abzuziehen, so dass ΔT in der Gleichung TFinal-TInitial ist. Das Einsetzen aller Werte in die Gleichung und das Multiplizieren mit through annulliert die Einheiten von Masse und Temperatur und lässt die entsprechenden Einheiten von Joule für die Wärme übrig. Berechnungen wie diese sind nützlich in en:Calorimetry Calorimetry
