Spesifikk varmekapasitet

Spesifikk varmekapasitet, eller berre spesifikk varme (Symbol: C eller c) er eit mål på varmenergien som krevst for å heve temperaturen til eit visst stoff med ein grad. Vanlegvis er mengde spesifisert per masse, t.d. vatn har ein masse-spesifikk varmekapasitet på om lag 4184 joule per kelvin per kilogram. Volum-spesifikk og mol-spesifikk varmekapasitet vert òg brukt.

Spesifikk varme er ein intensiv eigenskap, som tyder at det er ein eigenskap av sjølve stoffet, og ikkje storleiken eller forma til prøven. Verdien av han er avhengig av den mikroskopiske strukturen til stoffet.

Den spesifikke varmen til så godt som alle stoff kan målast, inkludert reine grunnstoff, kjemiske sambindingar, legeringar, løysingar og komposittmateriale.

Tidlegare vart omgrepet òg kalla eigenvarme.

Symbol og standarar

Spesifikk varmekapasitet vert vanlegvis uttrykt i anten masse eller stoffmengd, men for enkelte væsker og faste stoff vert òg volum brukt. Når det er snakk om volum-spesifikk varmekapasitet vert som regel indeksen v brukt, og for masse-spesifikk varmekapasitet vert m brukt, men sidan denne er den mest vanleg vert ikkje alltid indeksen tatt med. Når stoffmengd er storleikseininga, vert symbolet den store bokstaven C, men stundom vert òg m brukt her òg. Ein annan variant vert av og til brukt i kjemi, der C er symbolet for entalpi (H for mol eller h for masse) vert brukt som indeks.

I ingeniørkunst vert som regel masse-spesifikk og volum-spesifikk varmekapasitet brukt, og desse vert som oftast skrive c_m og c_v for å ikkje forveksle dei. Ein bør derimot passe seg òg ikkje forveksle c_v med varmekapasiteten for gass med konstant volum (som nemnt under), og heller ikkje indeksen m som òg stundom vert brukt for molar varmekapasitet. Av og til må ein bruke to indeksar for å indikere intensive storleikar, slik som $C_{V,m}$ for molar varmekapasitet for gass med konstant volum.

I SI-systemet er eininga for spesifikk varmekapasitet anten joule per gram per kelvin (J g^–1 K^–1) eller joule per mol per kelvin (J mol^–1 K^–1).

Ein har i tillegg to forskjellige indeksar som vert brukt etter kva målemetode av den spesifikke varmekapasiteten som er brukt. Om den spesifikke varmen er målt under konstant trykk, vert symbolet C_p eller c_p. Men væsker og gassar vert ofte òg målt under konstant volum, og har då symbolet C_v eller c_v. Målingar under konstant trykk gjev vanlegvis større verdiar enn målingar ved konstant volum fordi det må utførast eit arbeid under den førstnemnde. Skilnaden er særleg stor for gassar, der verdiane kan vere 30 til 66,7 % større enn under konstant volum.

Symbola for spesifikk varmekapasitet er derfor som følgjer:

	Under konstant trykk	Ved konstant volum
Storleikseining = mol	C_p eller C_pH	C_v eller C_vH
Storleikseining = masse	c_p eller C_ph	c_v eller C_vh

Dei spesifikke varmekapasitetane til stoff som består av molekyl (og som altså ikkje er einatomiske varierer i forhold til temperaturen. Derfor må ein i tillegg nemne kva temperatur ein har målt varmekapasitetane i. Døme på to måtar og oppgje varmekapasitet på er:

Vatn (væske): c_p = 4,1855 J g^–1 K^–1 (15 °C)
Vatn (væske): C_vH = 74,539 J mol^–1 K^–1 (25 °C)

Trykket som den spesifikke varmekapasiteten vert målt under er særleg viktig for gassar og væsker. Standardtrykket var tidlegare nesten alltid ein standardatmosfære, som er definert som det midla trykket i havnivået, som er nøyaktig 1013,25 hPa. I 1982 rådde derimot IUPAC til at «standard trykket» burde vere definert som nøyaktig 1000 hPa.^[1] Dette var eit rundt tal, og var nyttig sidan relativt få folk bur og arbeider nøyaktig i havnivå. Så derfor bør ein nemne trykket som den spesifikke varmekapasiteten er målt under. Eit døme på dette er:

Vatn (gass): C_vH = 28,03 J mol^–1 K^–1 (100 °C, 1013,25 hPa)

Merk at denne spesifiseringa av målinga vart tatt ved konstant volum.

Faktorar som påverkar den spesifikke varmekapasiteten

Molekyl har indre strukturar fordi er bygd opp av atom. Desse atom rører på seg internt i molekylet. Varmeenergi som er lagra i desse rørslene medverkar ikkje til temperaturen til stoffet.

Fridomsgrader: Molekyl er ganske forskjellige frå einatmoiske gassar som helium eller argon. Med monatmoiske rørsle utgjer varmenergi berre translasjonsrørsle. Translasjonsrørsle er rørsla til ein heil lekam i eit tredimensjonalt rom, der partiklane flyttar seg rundt om og utvekslar energi i kollisjonar. Desse enkle rørslene i dei tre dimensjonane langs x-, y- og z-aksen i rommet tyder at eit einatomisk atom har tre translasjonsfridomsgrader. Molekyl har derimot forskjellige interne vibrasjons- og rotasjonsfridomsgrader, fordi dei er samansette lekamar (sjå animasjonen til høgre). Det er lagra varmenergi i desse interne rørslene, til dømes har nitrogen, som er eit to-atomig molekyl fem aktive fridomsgrader: Dei tre translasjonsrørslene, pluss to interne rotasjonsfridomsgrader. Nitrogen har dermed fem-tredjedelar den molare spesifikke varmekapasiteten ved konstant volum som einatomige gassar.

Molar masse: Når den spesifikke varmekapasiteten c til eit stoff vert målt, får ein forskjellige verdiar for forskjellig stoff, fordi dei har forskjellig molar masse (i hovudsak vekta til kvart enkelte atom eller molekyl). Varmeenergi oppstår delvis på grunn av talet på atom eller molekyl som vibrerer. Viss eit stoff har lettare molare masse, så vil kvart gram av stoffet ha fleire atom eller molekyl tilgjengeleg for å lagre varmeenergi. Dette er årsaka til at hydrogen, det lettaste stoffet som finst, har så høg spesifikk varmekapasitet per gram. Eit gram av gassen inneheld relativt mange molekyl. Viss den spesifikke varmekapasiteten vert målt ut frå mol, vil skilnaden mellom stoffa vere mindre, og hydrogen skil seg ikkje ut på same måten. Stoff med høg molar masse - som bensin - kan lagre mykje energi per mol og likevel ha liten spesifikk varmekapasitet målt ut frå masse.

Hydrogenband: Molekyl som inneheld hydrogen, som etanol, ammoniakk og vatn har kraftige intermolekylære hydrogenband når dei er i væskefasen sin. Desse banda gjev enno ein stad der kinetisk (varme) energi kan lagrast.

Likningar

Likninga som knyter varmeenergi til spesifikk varmekapasitet, der storleikseiningar er masse, er gjeven ved:

Q = m c ΔT

der Q er varmeenergien som vert tilført eller tatt vekk frå stoffet, m er massen til stoffet, c er den spesifikke varmekapasiteten, og ΔT er temperaturskilnaden.

Når storleikseininga er mol, vert likninga for spesifikk varmekapasitet:

Q = n C ΔT

der n er talet på mol og C den spesifikke varmekapasiteten.

Tabell for spesifikk varmekapasitet

Stoff	Fasetilstand	c_p J g⁻¹ K⁻¹	C_p J mol⁻¹ K⁻¹	C_v J mol⁻¹ K⁻¹
Aluminium	fast	0,897	24,2
Ammoniakk	væske	4,700	80,08
Argon	gass	0,5203	20,7862	12,4717
Bensin	væske	2,22	228
Beryllium	fast	1,82	16,4
Diamant	fast	0,5091	6,115
Etanol	væske	2,44	112
Grafitt	fast	0,710	8,53
Gull	fast	0,1291	25,42
Helium	gass	5,1932	20,7862	12,4717
Hydrogen	gass	14,30	28,82
Jarn	fast	0,450	25,1
Kopar	fast	0,385	24,47
Kvikksølv	væsle	0,1395	27,98
Litium	fast	3,58	24,8
Luft (Havnivå, tørr, 0 °C)	gass	1,0035	29,07
Luft (typiske romforhold^A)	gass	1,012	29,19
Neon	gass	1,0301	20,7862	12,4717
Nitrogen	gass	1,040	29,12	20,8
Oksygen	gass	0,918	29,38
Silika (smelta saman)	fast	0,703	42,2
Uranium	fast	0,116	27,7
Vatn	gass (100 °C)	2,080	37,47	28,03
	væske (25 °C)	4,1813	75,327	74,53
	fast (0 °C)	2,114	38,09
Alle målingar er ved 25 °C untatt der andre temperaturar er nemnd. Særskilde minimums- og maksimumsverdiar er vist i raudbrun tekst.

^A Ei høgd på 194 m over havet (middelhøgda som menneske bur i), ein innandørstemperatur på 23 °C, doggpunkt på 9 °C (40,85 % relativ fukt).

Spesifikk varmekapasititet for bygningsmaterial

Stoff	Fasetilstand	c_p J g⁻¹ K⁻¹
Asfalt	fast	0,92
Glas, kvarts	fast	0,84
Glas, kron	fast	0,67
Glas, flint	fast	0,503
Glas, pyrex	fast	0,753
Granitt	fast	0,790
Gips	fast	1,09
Marmor, glimmer	fast	0,880
Murstein	fast	0,84
Sand	fast	0,835
Sement	fast	0,88
Jord	fast	0,80
Tre	fast	0,42

Sjå òg

Kjelder

↑ IUPAC.org, Gold Book, Standardtrykk

[1] IUPAC.org, Gold Book, Standardtrykk

[1]