A hőkapacitás egy test vagy rendszer hányada, amely az adott testre továbbított hőenergia és az abban a folyamatban tapasztalt hőmérséklet-változás között keletkezik. Egy másik pontosabb definíció az, hogy arra utal, hogy mennyi hőt kell átadni egy testnek vagy rendszernek, hogy annak hőmérséklete egy kelvin fokkal növekedjen.
Folyamatosan előfordul, hogy a melegebb testek hőt adnak a hűvösebb testeknek egy olyan folyamatban, amely addig tart, amíg a két érintkező test között hőmérséklet-különbség van. Ezután a hő az az energia, amelyet egyik rendszerről a másikra továbbít az az egyszerű tény, hogy a kettő között hőmérséklet-különbség van.
Megállapodás szerint a pozitív hő (Q) az a rendszer, amelyet egy rendszer elnyel, és a rendszer által átvitt negatív hő.
A fentiekből az következik, hogy nem minden tárgy ugyanolyan könnyedén szívja fel és tartja vissza a hőt; így bizonyos anyagok könnyebben felmelegszenek, mint mások.
Figyelembe kell venni, hogy egy test hőkapacitása végső soron annak természetétől és összetételétől függ.
Képletek, mértékegységek és mértékek
A hőkapacitás a következő kifejezés alapján határozható meg:
SHa a hőmérséklet-változás elég kicsi, az előző kifejezés leegyszerűsíthető és helyettesíthető a következővel:
Tehát a hőkapacitás mértékegysége a nemzetközi rendszerben a Joule per kelvin (J/K).
A hőkapacitás mérhető állandó Cp nyomáson vagy állandó Cv térfogaton.
Fajlagos hő
A rendszer hőkapacitása gyakran az anyag mennyiségétől vagy tömegétől függ. Ebben az esetben, ha a rendszer egyetlen, homogén jellemzőkkel rendelkező anyagból áll, fajlagos hőre van szükség, amelyet fajlagos hőkapacitásnak is nevezünk (c).
Tehát a fajlagos hőhő az a hőmennyiség, amelyet az anyag egységnyi tömegéhez kell leadni, hogy hőmérséklete egy kelvin fokkal növekedjen, és amelyet a következő kifejezés alapján lehet meghatározni:
Ebben az egyenletben m az anyag tömege. Ezért a fajlagos hő mértékegysége ebben az esetben a Joule/kilogramm/kelvin (J/kg K), vagy a Joule/gramm/kelvin (J/g K).
Hasonlóképpen, a moláris fajlagos hő az a hőmennyiség, amelyet egy anyag moljához kell juttatni ahhoz, hogy annak hőmérséklete egy kelvin fokkal növekedjen. És a következő kifejezés alapján határozható meg:
Ebben a kifejezésben n az anyag móljainak száma. Ez azt jelenti, hogy a fajlagos hő mértékegysége ebben az esetben a Joule per mol mol/kelvin (J/mol K).
A víz fajhője
Számos anyag fajlagos hőmérséklete kiszámítható és könnyen elérhető a táblázatokban. A víz fajhőértéke folyékony állapotban 1000 kalória/kg K = 4186 J/kg K. Éppen ellenkezőleg, a víz fajhője gáz halmazállapotban 2080 J/kg K és szilárd állapotban 2050 J/kg K.
Hőátadás
Ily módon és tekintettel arra, hogy az anyagok túlnyomó többségének specifikus értékeit már kiszámolták, két test vagy rendszer közötti hőátadást a következő kifejezésekkel lehet meghatározni:
Vagy ha moláris fajlagos hőt használunk:
Figyelembe kell venni, hogy ezek a kifejezések lehetővé teszik a hőáramok meghatározását, amíg nincs állapotváltozás.
Az állapotváltozási folyamatokban látens hőről (L) beszélünk, amelyet az anyagmennyiség által a fázis vagy állapot megváltoztatásához szükséges energiának nevezünk, akár szilárdról folyékonyra (fúziós hő, Lf), akár folyékonyról gázra (hő) párolgás, Lv).
Figyelembe kell venni, hogy az ilyen hő formájában felhasznált energia teljes mértékben a fázisváltozás során kerül felhasználásra, és nem fordítja meg a hőmérséklet változását. Ilyen esetekben a hőáram kiszámításához egy párolgási folyamatban a következő kifejezések szolgálnak:
Ha moláris fajlagos hőt alkalmazunk: Q = Lv n
Fúziós folyamatban: Q = Lf m
Ha moláris fajlagos hőt alkalmazunk: Q = Lf n
Általában, hasonlóan a fajlagos hőhöz, a legtöbb anyag látens hőmérséklete már kiszámításra került, és könnyen elérhető táblázatokban. Így például víz esetén:
Lf = 334 kJ/kg (79,7 cal/g) 0 ° C-on; Lv = 2257 kJ/kg (539,4 cal/g) 100 ° C-on.
Példa
Víz esetében, ha 1 kg fagyasztott vizet (jeget) -25 ° C és 125 ° C (vízgőz) hőmérsékleten melegítenek, a folyamat során felhasznált hőt a következőképpen számítják ki:
1. szakasz
Jég -25 ° C és 0 ° C között.
Q = c mTT = 2050 1 25 = 51250 J
2. szakasz
Állapotváltás jégről folyékony vízre.
Q = Lf m = 334000 1 = 334000 J
3. szakasz
Folyékony víz 0 ° C és 100 ° C között.
Q = c mTT = 4186 1 100 = 418600 J
4. szakasz
Állapotváltás folyékony vízről vízgőzre.
Q = Lv m = 2257000 1 = 2257000 J
5. szakasz
Vízgőz 100 ° C és 125 ° C között.
Q = c mTT = 2080 1 25 = 52000 J
Így a folyamat során a teljes hőáram az öt szakasz mindegyikében keletkező összege, és ennek eredményeként 31112850 J.