Voda je nejběžnější látkou na Zemi a jednou z nejdůležitějších látek v přírodě. Zabírá více než tři čtvrtiny povrchu planety a hraje klíčovou roli v mnoha biologických, chemických a fyzikálních procesech.
Jednou ze základních vlastností vody je její tepelná kapacita. Tepelná kapacita je množství tepla potřebné k ohřevu nebo chlazení látky na jednotku hmotnosti na jeden stupeň Celsia. Voda má velmi vysokou tepelnou kapacitu, což z ní činí vynikající regulátor teploty na Zemi a v organismech živých bytostí.
Podívejme se na konkrétní příklad. Předpokládejme, že chceme vědět, jak moc se zahřeje 2 l vody, když se přidá 84 kJ energie. Pro výpočet budeme muset použít vzorec:
Kde Q - množství tepla, m - hmotnost vody, c - tepelná kapacita vody a ΔT - rozdíl v teplotě.
Stanovení množství tepla
Množství tepla, které látka absorbuje nebo rozdává, lze vypočítat pomocí vzorce:
Q = mcΔT
- Q - množství tepla měřené v joulech (J)
- m - hmotnost látky měřená v kilogramech (kg)
- c - měrná tepelná kapacita látky měřená v joulech na kilogram na stupeň Celsia (J/kg·°c)
- ΔT - změna teploty látky měřená ve stupních Celsia (°C)
K určení množství tepla potřebného k ohřevu 2 litrů vody při přidání 84 kJ energie je tedy nutné znát specifickou tepelnou kapacitu vody a změnu teploty.
Pokud je například měrná tepelná kapacita vody 4,18 J / kg·°C a změna teploty je 1 stupeň Celsia, lze množství tepla vypočítat následovně:
Q = (2 kg) * (4,18 J / kg * °C) * (1°C) = 8,36 J
V tomto případě se tedy voda ohřeje na 8,36 J.
Fyzikální vlastnosti vody
- Hustota: Voda má největší hustotu při teplotě 4 stupně Celsia. Hustota vody při této teplotě je přibližně 1000 kg / m3.
- Tepelná kapacita: Voda má vysokou tepelnou kapacitu, to znamená schopnost absorbovat a dodávat velké množství tepelné energie bez náhlé změny teploty. Díky této vlastnosti se voda používá jako chladicí médium.
- Tepelná vodivost: Voda je špatný vodič tepla, takže ji lze použít k tepelné izolaci.
- Povrchové napětí: Voda má povrchové napětí, které se projevuje tvorbou vodních fólií na povrchu a schopností plaveckých brouků chodit po vodě.
- Bod mrazu a bod varu: Bod mrazu vody je 0 stupňů Celsia a bod varu je 100 stupňů Celsia při atmosférickém tlaku.
- Změna objemu při zahřívání: Voda se při zahřívání rozpíná a smršťuje, když se ochlazuje, což je příčinou tvorby ledu a tepelných konvekcí v přírodě.
Tyto fyzikální vlastnosti činí vodu obzvláště důležitou a nezbytnou látkou pro život na Zemi. Díky nim má voda řadu důležitých funkcí v organismech, životním prostředí a průmyslu.
Vzorec pro výpočet
Pro výpočet změny teploty lze použít vzorec:
q-množství tepla přeneseného do systému (energie v tomto úkolu měřená v joulech);
m-hmotnost látky (množství vody v našem případě měřené v kilogramech);
C-měrná tepelná kapacita látky (pro vodu se počítá přibližně 4.18 J / G*°C);
ΔT - změna teploty (teplota po zahřátí minus původní teplota, obě hodnoty se měří ve stupních Celsia).
Převod měrných jednotek
Litr (l) - druh objemové jednotky, která se používá k měření objemu kapaliny. 1 litr se rovná 1000 mililitrům nebo 0,001 metrů krychlových.
Pro výpočet teplotních změn vody při přidávání energie je nutné vzít v úvahu její hmotnost a tepelnou kapacitu.
Hmotnost vody (m) - je to množství vody měřené v kilogramech. V tomto úkolu je hmotnost vody 2 kilogramy, protože hmotnost a objem vody jsou vzájemně propojeny a rovny: 1 litr vody váží přibližně 1 kilogram.
Tepelná kapacita vody (c) - to je veličina, která ukazuje, kolik tepla musí být předáno látce, aby se zvýšila její teplota. U vody je tepelná kapacita obvykle 4,18 kJ / kg⋅°C.
Teplo přenášené vodou lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:
- Q - energie přenášená látkou (kj)
- m - hmotnost látky (kg)
- c - tepelná kapacita látky (kJ / kg⋅°C)
- ΔT - změna teploty látky (°C)
Pro výpočet změny teploty vody při přidání 84 kJ energie je tedy nutné do vzorce vložit známé hodnoty:
84 kj = 2 kg × 4,18 kJ / kg⋅°C × ΔT
Z této rovnice lze určit změnu teploty vody (ΔT).
Hodnota koeficientu tepelné kapacity pro vodu
K určení množství energie potřebné k ohřevu 2 litrů vody na určitý počet stupňů lze tedy použít vzorec:
Energie = hmotnost * koeficient tepelné kapacity * změna teploty
V tomto případě je hmotnost vody 2 kilogramy (1 litr vody je přibližně 1 kilogram) a změnu teploty lze vypočítat s vědomím množství přidané energie.
Pomocí tohoto vzorce a známých hodnot tedy budete moci vypočítat, o kolik stupňů se zahřeje 2 litry vody, když se přidá 84 kJ energie.
Příklad výpočtu
Pro výpočet změny teploty vody při přidávání energie je nutné použít rovnici tepelné rovnováhy:
kde Q je přidaná energie (v tomto případě 84 kj), m je hmotnost vody (2 L), c je specifická tepelná kapacita vody, ΔT je změna teploty.
U vody je měrná tepelná kapacita c asi 4.18 J/(G·°C), což odpovídá 4.18 kJ/(kg·°c). Převedeme 2 l vody na kg:
2 L * 1 Kg / L = 2 kg
Nyní můžeme vypočítat změnu teploty:
84 kj = 2 kg * 4.18 kJ/(kg·°c) * ΔT
ΔT = 84 kj / (2 kg * 4.18 kJ/(kg * °c))
Při přidání 84 kJ energie do 2 l vody se tedy její teplota změní asi o 10,05 °C.
- Při přidání 84 kJ energie do 2 l vody dojde k ohřevu vody.
- K určení množství tepla potřebného k ohřevu vody lze použít rovnici Q = m*c * ΔT, kde Q je množství tepla, m je hmotnost látky, c je specifická tepelná kapacita, ΔT je změna teploty.
- V tomto případě je hmotnost vody 2 kg(protože hustota vody je 1 g/cm^3), měrná tepelná kapacita vody je 4.18 J/(G*°C).
- Vzhledem k tomu, že 1 kj = 1000 J, dostaneme, že 84 kj = 84 000 j.
- Pomocí vzorce Q = M*C * ΔT a nastražením známých hodnot lze najít změnu teploty ΔT.