Η ειδική θερμότητα είναι μια μέτρηση που χρησιμοποιείται στη θερμοδυναμική και τη θερμιδομετρία που δηλώνει την ποσότητα θερμικής ενέργειας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας μιας δεδομένης μάζας μιας συγκεκριμένης ουσίας κατά κάποιο ποσό. Ενώ μερικές φορές χρησιμοποιούνται διαφορετικές κλίμακες μέτρησης, αυτός ο όρος συνήθως αναφέρεται συγκεκριμένα στην ποσότητα που απαιτείται για να αυξηθεί 1 γραμμάριο κάποιας ουσίας κατά 1.8°F (1° Κελσίου). Επομένως, εάν προστεθεί διπλάσια ενέργεια σε μια ουσία, η θερμοκρασία της θα πρέπει να αυξηθεί κατά δύο φορές περισσότερο. Η ειδική θερμότητα εκφράζεται συνήθως σε τζάουλ, τη μονάδα που χρησιμοποιείται συνήθως στη χημεία και τη φυσική για να περιγράψει την ενέργεια. Είναι ένας σημαντικός παράγοντας για την επιστήμη, τη μηχανική και την κατανόηση του κλίματος της Γης.
Θερμότητα και θερμοκρασία
Η θερμική ενέργεια και η θερμοκρασία είναι δύο διαφορετικές έννοιες και η κατανόηση της διαφοράς είναι σημαντική. Το πρώτο είναι μια ποσότητα στη θερμοδυναμική που περιγράφει το μέγεθος της αλλαγής που μπορεί να προκαλέσει ένα σύστημα στο περιβάλλον του. Η μεταφορά αυτής της ενέργειας σε ένα αντικείμενο κάνει τα μόριά του να κινούνται πιο γρήγορα. Αυτή η αύξηση της κινητικής ενέργειας είναι αυτό που μετράται, ή βιώνεται, ως αύξηση της θερμοκρασίας.
Ειδική Θερμότητα και Θερμοχωρητικότητα
Αυτές οι δύο ιδιότητες συχνά συγχέονται. Το πρώτο είναι ο αριθμός των τζάουλ που απαιτούνται για να αυξηθεί η θερμοκρασία μιας δεδομένης μάζας μιας ουσίας κατά κάποια μονάδα. Δίνεται πάντα «ανά μονάδα μάζας», για παράδειγμα, 0.45 j/g°C, που είναι η ειδική θερμότητα του σιδήρου, ή ο αριθμός των τζάουλ θερμικής ενέργειας για την αύξηση της θερμοκρασίας ενός γραμμαρίου σιδήρου κατά ένα βαθμό Κελσίου. Αυτή η τιμή είναι επομένως ανεξάρτητη από την ποσότητα σιδήρου.
Η θερμοχωρητικότητα — μερικές φορές αποκαλούμενη «θερμική μάζα» — είναι ο αριθμός των τζάουλ που απαιτούνται για να αυξηθεί η θερμοκρασία μιας συγκεκριμένης μάζας υλικού κατά 1.8°F (1°C) και είναι απλώς η ειδική θερμότητα του υλικού πολλαπλασιαζόμενη επί τη μάζα του. Μετριέται σε τζάουλ ανά °C. Η θερμοχωρητικότητα ενός αντικειμένου από σίδηρο, και βάρους 100 g, θα ήταν 0.45 Χ 100, δίνοντας 45 j/°C. Αυτή η ιδιότητα μπορεί να θεωρηθεί ως η ικανότητα ενός αντικειμένου να αποθηκεύει θερμότητα.
Η ειδική θερμότητα μιας ουσίας ισχύει περισσότερο ή λιγότερο σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, δηλαδή, η ενέργεια που απαιτείται για να παραχθεί μια άνοδος κατά ένα βαθμό σε μια δεδομένη ουσία ποικίλλει ελάχιστα μόνο με την αρχική της τιμή. Δεν ισχύει, ωστόσο, όταν η ουσία υφίσταται αλλαγή κατάστασης. Για παράδειγμα, εάν η θερμότητα εφαρμόζεται συνεχώς σε μια ποσότητα νερού, θα προκαλέσει αύξηση της θερμοκρασίας σύμφωνα με την ειδική θερμότητα του νερού. Ωστόσο, όταν επιτευχθεί το σημείο βρασμού, δεν θα υπάρξει περαιτέρω αύξηση. Αντίθετα, η ενέργεια θα χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή υδρατμών. Το ίδιο ισχύει και για τα στερεά όταν επιτευχθεί το σημείο τήξης.
Ένα ξεπερασμένο πλέον μέτρο ενέργειας, οι θερμίδες, βασίζεται στην ειδική θερμότητα του νερού. Μία θερμίδα είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία ενός γραμμαρίου νερού κατά 1.8°F (1°C) σε κανονική πίεση αέρα. Ισοδυναμεί με 4.184 τζάουλ. Ελαφρώς διαφορετικές τιμές μπορεί να δοθούν για την ειδική θερμότητα του νερού, καθώς ποικίλλει λίγο ανάλογα με τη θερμοκρασία και την πίεση.
επιδράσεις
Διαφορετικές ουσίες μπορεί να έχουν πολύ διαφορετικές ειδικές θερμότητες. Τα μέταλλα, για παράδειγμα, τείνουν να έχουν πολύ χαμηλές τιμές. Αυτό σημαίνει ότι θερμαίνονται γρήγορα και κρυώνουν γρήγορα. τείνουν επίσης να επεκτείνονται σημαντικά καθώς ζεσταίνονται. Αυτό έχει συνέπειες για τη μηχανική και το σχεδιασμό: συχνά πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η επέκταση των μεταλλικών μερών σε κατασκευές και μηχανήματα.
Το νερό, αντίθετα, έχει πολύ υψηλή ειδική θερμότητα – εννέα φορές αυτή του σιδήρου και 32 φορές μεγαλύτερη από αυτή του χρυσού. Λόγω της μοριακής δομής του νερού, απαιτείται μεγάλη ποσότητα ενέργειας για να αυξηθεί η θερμοκρασία του έστω και σε μικρή ποσότητα. Σημαίνει επίσης ότι το ζεστό νερό χρειάζεται πολύ χρόνο για να κρυώσει.
Αυτή η ιδιότητα είναι απαραίτητη για τη ζωή στη Γη, καθώς το νερό έχει σημαντική σταθεροποιητική επίδραση στο παγκόσμιο κλίμα. Κατά τη διάρκεια του χειμώνα, οι ωκεανοί ψύχονται αργά και απελευθερώνουν σημαντική ποσότητα θερμότητας στο περιβάλλον, κάτι που βοηθά στη διατήρηση της παγκόσμιας θερμοκρασίας αρκετά σταθερή. Αντίθετα, το καλοκαίρι, απαιτείται μεγάλη θερμότητα για να αυξηθούν σημαντικά οι θερμοκρασίες των ωκεανών. Αυτό έχει μια μετριαστική επίδραση στο κλίμα. Οι ηπειρωτικοί εσωτερικοί χώροι, μακριά από τον ωκεανό, αντιμετωπίζουν πολύ μεγαλύτερες ακραίες θερμοκρασίες από τις παράκτιες περιοχές.