8.3 Kalorimetri

Kapittel 8: Termofysikk

Under arbeid

Dette kapittelet skrives fortsatt.

Kalorimetri er den kvantitative beskrivelsen av varme — vi beregner nøyaktig hvor mye energi som trengs for å varme opp et stoff eller gjennomføre en faseovergang.

Temperaturendring innen en fase

Definisjon: Spesifikk varmekapasitet

Varmen som trengs for å endre temperaturen til et legeme med masse \(m\) med \(\Delta T\): \[Q = c \cdot m \cdot \Delta T\] der \(c\) er den spesifikke varmekapasiteten med enhet \(\mathrm{kJ}\,\mathrm{(}^{-1}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{K}\,\mathrm{)}\).

Merk: \(\Delta T\) er den samme i Celsius og Kelvin: \(\Delta T[\mathrm{K}] = \Delta T[{}^{\circ}\mathrm{C}]\).

Stoff \(c\) / \(\mathrm{kJ/(kg}\,\mathrm{,K)}\)
Bly 0.13
Sølv 0.24
Kobber 0.39
Jern 0.45
Glass 0.84
Aluminium 0.90
Luft 1.0
Vanndamp 2.0
Is 2.1
Menneskekropp 3.5
Vann 4.2

For sammensatte systemer (f.eks. termos + vann) bruker vi den totale varmekapasiteten \(C\) (uten masse):

Definisjon: Varmekapasitet

\[Q = C \cdot \Delta T \qquad [C] = \mathrm{J/K}\] \(C\) er summen av \(c_i m_i\) for alle deler av systemet.

Faseovergang

Definisjon: Spesifikk fasevarme

Varmen som tilføres eller avgis når en masse \(m\) av et stoff skifter fase ved konstant temperatur: \[Q = \ell \cdot m\] der \(\ell\) er den spesifikke fasevarmen med enhet \(\mathrm{kJ/kg}\).

Når et stoff størkner, avgis like mye varme som det trengs for å smelte det. Den spesifikke smeltevarmen er derfor også den spesifikke størkningsvarmen. På samme måte er den spesifikke fordampingsvarmen lik den spesifikke kondensasjonsvarmen. Tabellene viser verdier for noen vanlige stoffer ved normalt lufttrykk.

Smelting og størkning

Stoff \(t_\text{smelte}\) / \({}^{\circ}\mathrm{C}\) \(\ell_\text{smelte}\) / \(\mathrm{kJ/kg}\)
Oksygen \(-219\) 13.9
Nitrogen \(-210\) 25.7
Etanol \(-114\) 108
Kvikksølv \(-39\) 11.4
Vann (is) 0 334
Bly 327 23
Aluminium 660 397
Sølv 962 105
Gull 1064 64
Kobber 1085 207
Jern 1538 247

Fordamping og kondensasjon

Stoff \(t_\text{koke}\) / \({}^{\circ}\mathrm{C}\) \(\ell_\text{fordamp}\) / \(\mathrm{kJ/kg}\)
Helium \(-269\) 20.9
Nitrogen \(-196\) 199
Oksygen \(-183\) 213
Etanol 78 855
Vann 100 2 259
Kvikksølv 357 295
Bly 1749 860
Sølv 2162 2 360
Aluminium 2519 10 500
Kobber 2562 4 730

Eksempel 8.6: Fordampe vann

Hvor mye energi kreves for å fordampe \(2.0\,\mathrm{L}\) vann fra \(100\,^\circ\)C (væske) til \(100\,^\circ\)C (damp)?

Massen: \(m = \rho V = 1.0\,\mathrm{kg/L}\cdot2.0\,\mathrm{L} = 2.0\,\mathrm{kg}\).

Siden temperaturen er konstant (faseovergang): \[Q = \ell_{\text{fordamp}} \cdot m = 2259\,\mathrm{kJ/kg} \cdot 2.0\,\mathrm{kg} = 4518\,\mathrm{kJ} \approx \underline{\underline{4.5\,\mathrm{MJ}}}\] Til sammenlikning: denne energien tilsvarer å løfte de \(2.0\,\mathrm{kg}\) til en høyde \(h = Q/(m\mathrm{g}) = 4.518\!\cdot\!10^6/(2.0\cdot 9.81) \approx 2.3\cdot 10^{5}\,\mathrm{m}\) — over 200 km opp i luften!

Eksempel 8.7: Avkjøling av glass

Et legeme av glass med masse \(m = 10\,\mathrm{kg}\) avkjøles fra \(35\,^\circ\)C til \(-15\,^\circ\)C. Hvor mye energi avgir glasset som varme?

\(c_{\text{glass}} = 0.84\,\mathrm{kJ/(kg}\,\mathrm{,K)}\), \(\Delta T = -15 - 35 = -50\,\mathrm{K}\). \[Q = c \cdot m \cdot \Delta T = 0.84\,\mathrm{kJ/(kg}\,\mathrm{,K)} \cdot 10\,\mathrm{kg} \cdot (-50\,\mathrm{K}) = -420\,\mathrm{kJ} \approx \underline{\underline{-4.2\cdot 10^{2}\,\mathrm{kJ}}}\] Det negative fortegnet bekrefter at glasset avgir omtrent \(4.2\cdot 10^{2}\,\mathrm{kJ}\) til omgivelsene.

Eksempel 8.8: Varmekapasitet til en termosflaske

Det trengs \(180\,\mathrm{J}\) for å øke temperaturen i en termosflaske med \(\Delta T = 5.0\,\mathrm{K}\). Hva er varmekapasiteten til flaska?

\[Q = C\cdot\Delta T \implies C = \frac{Q}{\Delta T} = \frac{180\,\mathrm{J}}{5.0\,\mathrm{K}} = \underline{\underline{36\,\mathrm{J}\,\mathrm{K}^{-1}}}\]

Eksempel 8.9: Kalorimeter — spesifikk varmekapasitet

En ukjent væske med masse \(m_v = 200\,\mathrm{g}\) legges i en termosflaske med varmekapasitet \(C_{\text{termos}} = 50\,\mathrm{J}\,\mathrm{K}^{-1}\). Tilsammen \(7.00\,\mathrm{kJ}\) tilføres, og temperaturen stiger fra \(15.2\,^\circ\)C til \(28.0\,^\circ\)C. Finn den spesifikke varmekapasiteten \(c_v\) til væska.

Temperaturendring: \(\Delta T = 28.0 - 15.2 = 12.8\,\mathrm{K}\).

All tilført energi \(E\) fordeles mellom væsken og termosen: \[E = Q_v + Q_{\text{termos}} = c_v m_v \Delta T + C_{\text{termos}} \Delta T\] \[\implies c_v = \frac{E - C_{\text{termos}}\,\Delta T}{m_v\,\Delta T} = \frac{7000\,\mathrm{J} - 50\,\mathrm{J}\,\mathrm{K}^{-1}\cdot12.8\,\mathrm{K}} {0.200\,\mathrm{kg}\cdot12.8\,\mathrm{K}} = \frac{7000 - 640}{2.56} \approx \underline{\underline{2.5\,\mathrm{kJ}\,\mathrm{(}^{-1}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{K}\,\mathrm{)}}}\]

Cola og is

En boks cola (\(m_\text{c} = 350\,\mathrm{g}\)) har romtemperatur, \(t_\text{c} = 20\,^\circ\)C. Du legger i \(m_\text{is} = 20\,\mathrm{g}\) is med temperatur \(t_\text{is} = -5.0\,^\circ\)C. Anta at cola oppfører seg termisk som vann, og at det ikke utveksles varme med omgivelsene.

  1. Beregn energien som trengs for å varme opp isen til \(0\,^\circ\)C og smelte den.

  2. Finn slutt-temperaturen \(t_\text{f}\) i blandingen.

(Spesifikk varmekapasitet: \(c_\text{vann} = c_\text{cola} = 4.2\,\mathrm{kJ/(kg}\,\mathrm{,K)}\), \(c_\text{is} = 2.1\,\mathrm{kJ/(kg}\,\mathrm{,K)}\). Spesifikk smeltevarme: \(\ell_\text{smelte} = 334\,\mathrm{kJ/kg}\).)

a) Først varmer vi isen fra \(-5.0\,^\circ\)C til \(0\,^\circ\)C, altså \(\Delta T = 5.0\,\mathrm{K}\): \[Q_1 = c_\text{is}\, m_\text{is}\,\Delta T = 2.1\,\mathrm{kJ/(kg}\,\mathrm{,K)}\cdot0.020\,\mathrm{kg}\cdot5.0\,\mathrm{K} = 0.21\,\mathrm{kJ}\] Så smelter vi isen ved \(0\,^\circ\)C: \[Q_2 = \ell_\text{smelte}\, m_\text{is} = 334\,\mathrm{kJ/kg}\cdot0.020\,\mathrm{kg} = 6.68\,\mathrm{kJ}\] Totalt: \[Q_1 + Q_2 = 0.21\,\mathrm{kJ} + 6.68\,\mathrm{kJ} = 6.89\,\mathrm{kJ} \approx \underline{\underline{6.9\,\mathrm{kJ}}}\] Vi sjekker at all isen smelter. Colaen kan avgi høyst \(4.2\cdot 0.350\cdot 20\,\mathrm{kJ} = 29.4\,\mathrm{kJ}\) før den når \(0\,^\circ\)C. Det er mye mer enn \(6.89\,\mathrm{kJ}\), så all isen smelter, og \(t_\text{f} > 0\,^\circ\)C.

b) Varmen colaen avgir, er lik varmen isen (og smeltevannet) tar opp. Smeltevannet varmes fra \(0\,^\circ\)C til \(t_\text{f}\): \[c_\text{cola}\, m_\text{c}\,(20 - t_\text{f}) = Q_1 + Q_2 + c_\text{vann}\, m_\text{is}\,(t_\text{f} - 0)\] Med tallene inn (energi i kJ, temperatur i \(^\circ\)C): \[4.2\cdot 0.350\cdot(20 - t_\text{f}) = 6.89 + 4.2\cdot 0.020\cdot t_\text{f}\] \[29.4 - 1.47\,t_\text{f} = 6.89 + 0.084\,t_\text{f} \quad\implies\quad t_\text{f} = \frac{29.4 - 6.89}{1.47 + 0.084} = 14.5\,{}^{\circ}\mathrm{C} \approx \underline{\underline{14\,{}^{\circ}\mathrm{C}}}\]

Vannkoker

En vannkoker har effekten \(P = 2.0\,\mathrm{kW}\). Du fyller den med \(1.5\,\mathrm{L}\) vann med temperatur \(12\,^\circ\)C. Anta at all energien fra vannkokeren går til vannet.

  1. Hvor mye energi trengs for å varme opp vannet til \(100\,^\circ\)C?

  2. Hvor lang tid tar det før vannet koker?

  3. Vannkokeren slår seg ikke av, og koker bort \(0.20\,\mathrm{kg}\) vann før du slår den av. Hvor lenge sto den på etter at vannet begynte å koke?

a) \(1.5\,\mathrm{L}\) vann har massen \(m = 1.5\,\mathrm{kg}\). Temperaturendringen er \(\Delta T = 100 - 12 = 88\,\mathrm{K}\): \[Q = c\, m\,\Delta T = 4.2\,\mathrm{kJ/(kg}\,\mathrm{,K)}\cdot1.5\,\mathrm{kg}\cdot88\,\mathrm{K} = 554\,\mathrm{kJ} \approx \underline{\underline{5.5\cdot 10^{2}\,\mathrm{kJ}}}\]

b) Effekt er energi per tid, \(P = E/t\): \[t = \frac{Q}{P} = \frac{554\cdot 10^{3}\,\mathrm{J}}{2.0\cdot 10^{3}\,\mathrm{W}} = 277\,\mathrm{s} \approx \underline{\underline{2.8\cdot 10^{2}\,\mathrm{s}}}\] Det er omtrent \(4.6\,\mathrm{min}\).

c) Energien som trengs for å fordampe \(0.20\,\mathrm{kg}\) vann, er \[Q = \ell_\text{fordamp}\, m = 2259\,\mathrm{kJ/kg}\cdot0.20\,\mathrm{kg} = 452\,\mathrm{kJ}\] \[t = \frac{Q}{P} = \frac{452\cdot 10^{3}\,\mathrm{J}}{2.0\cdot 10^{3}\,\mathrm{W}} = 226\,\mathrm{s} \approx \underline{\underline{2.3\cdot 10^{2}\,\mathrm{s}}}\] Det er nesten fire minutter, selv om bare en liten del av vannet koker bort.