Ειδική θερμότητα
Η ειδική θερμότητα (s) είναι ένας ιδιαίτερος τύπος θερμοχωρητικότητας. Η ειδική θερμότητα είναι η θερμοδυναμική ιδιότητα, η οποία δηλώνει την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση μιας μονάδας μάζας μιας ουσίας κατά έναν βαθμό θερμοκρασίας. Για τις ουσίες παρατηρούνται ποικίλα εύρη τιμών ειδικής θερμότητας ανάλογα με τον βαθμό απορρόφησης θερμότητας. Ο όρος θερμοχωρητικότητα μπορεί να είναι παραπλανητικός, δεδομένου ότι θερμότητα q είναι ο όρος που δίνεται στην προσθήκη ή την αφαίρεση ενέργειας, μέσω ενός φράγματος σε μια ουσία ή ένα σύστημα, ως αποτέλεσμα της αύξησης ή της μείωσης της θερμοκρασίας αντίστοιχα. Οι μεταβολές της θερμοκρασίας είναι στην πραγματικότητα μεταβολές της ενέργειας. Επομένως, η ειδική θερμότητα και άλλες μορφές θερμοχωρητικότητας είναι ακριβέστερα μέτρα της ικανότητας μιας ουσίας να απορροφά ενέργεια καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία της ουσίας.
Μονάδες
Οι μονάδες είναι πολύ σημαντικές για την έκφραση οποιασδήποτε θερμοδυναμικής ιδιότητας- το ίδιο ισχύει και για την ειδική θερμότητα. Η ενέργεια με τη μορφή θερμότητας εκφράζεται σε Joules (J) ή kilojoules (kJ), οι οποίες είναι οι πιο κοινές μονάδες που σχετίζονται με την ενέργεια. Μια μονάδα μάζας μετριέται σε γραμμάρια ή χιλιόγραμμα όσον αφορά την ειδική θερμότητα. Ανά ένα γραμμάριο είναι η τυπική μορφή που χρησιμοποιείται στους πίνακες τιμών ειδικής θερμότητας, αλλά μερικές φορές παρατηρούνται αναφορές που χρησιμοποιούν ένα χιλιόγραμμο. Ένας βαθμός θερμοκρασίας μετράται είτε στην κλίμακα Κελσίου είτε στην κλίμακα Κέλβιν, αλλά συνήθως στην κλίμακα Κελσίου. Οι συνηθέστερα συσχετιζόμενες τότε μονάδες για την ειδική θερμότητα είναι J/(g-°C).
Παράγοντες που καθορίζουν την ειδική θερμότητα
Θερμοκρασία και πίεση
Δύο παράγοντες που μεταβάλλουν την ειδική θερμότητα ενός υλικού είναι η πίεση και η θερμοκρασία. Η ειδική θερμότητα ορίζεται σε μια τυπική, σταθερή πίεση (συνήθως ατμοσφαιρική πίεση) για τα υλικά και αναφέρεται γενικά στους 25 °C (298,15 K). Χρησιμοποιείται μια πρότυπη θερμοκρασία επειδή η ειδική θερμότητα έχει εξάρτηση από τη θερμοκρασία και μπορεί να αλλάξει σε διαφορετικές τιμές θερμοκρασίας. Η ειδική θερμότητα αναφέρεται ως εντατική ιδιότητα (en:Intensive and extensive properties intensive property.) Εφόσον η θερμοκρασία και η πίεση βρίσκονται στις τυποποιημένες τιμές που αναφέρονται και δεν συμβαίνει αλλαγή φάσης, η τιμή της ειδικής θερμότητας οποιουδήποτε υλικού παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από τη μάζα του υλικού που υπάρχει .
Ενεργειακοί βαθμοί ελευθερίας
Ένας μεγάλος παράγοντας για το μέγεθος της ειδικής θερμότητας ενός υλικού έγκειται στο μοριακό επίπεδο, στους ενεργειακούς en:Degrees of freedom (physics and chemistry) βαθμούς ελευθερίας που διαθέτει το υλικό στη φάση (στερεό, υγρό ή αέριο) στην οποία βρίσκεται. Οι ενεργειακοί βαθμοί ελευθερίας είναι τεσσάρων τύπων: μετατόπιση, περιστροφή, δόνηση και ηλεκτρονικοί. Για την επίτευξη κάθε βαθμού ελευθερίας απαιτείται ένα ελάχιστο ποσό ενέργειας. Επομένως, η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί σε μια ουσία εξαρτάται από τον τύπο και τον αριθμό των ενεργειακών βαθμών ελευθερίας που συμβάλλουν στην ουσία σε μια δεδομένη θερμοκρασία. Τα υγρά έχουν γενικά περισσότερους τρόπους χαμηλής ενέργειας και περισσότερους ενεργειακούς βαθμούς ελευθερίας από τα στερεά και τα περισσότερα αέρια. Αυτό το ευρύτερο φάσμα δυνατοτήτων εντός των βαθμών ελευθερίας δημιουργεί συνήθως μεγαλύτερες ειδικές θερμότητες για τις υγρές ουσίες απ' ό,τι για τα στερεά ή τα αέρια. Αυτή η τάση μπορεί να φανεί στο en:Heat capacity#Πίνακας ειδικών θερμοχωρητικοτήτων Πίνακας ειδικών θερμοχωρητικοτήτωνκαι συγκρίνοντας το υγρό νερό με το στερεό νερό (πάγος), το χαλκό, τον κασσίτερο, το οξυγόνο και το γραφίτη.
Χρήση
Η ειδική θερμότητα χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ποσότητας θερμότητας που απορροφάται όταν προστίθεται ενέργεια σε ένα υλικό ή μια ουσία μέσω αύξησης της θερμοκρασίας σε ένα καθορισμένο εύρος. Ο υπολογισμός της ποσότητας θερμότητας ή ενέργειας που προστίθεται σε ένα υλικό είναι μια σχετικά εύκολη διαδικασία εφόσον καταγράφονται η αρχική και η τελική θερμοκρασία του υλικού, αναφέρεται η μάζα του υλικού και είναι γνωστή η ειδική θερμότητα. Η ειδική θερμότητα, η μάζα του υλικού και η κλίμακα θερμοκρασίας πρέπει να έχουν τις ίδιες μονάδες προκειμένου να εκτελεστεί με ακρίβεια ο υπολογισμός της θερμότητας.
Η εξίσωση για τον υπολογισμό της θερμότητας (q) έχει ως εξής:
Q = s × m × ΔT
Στην εξίσωση, s είναι η ειδική θερμότητα σε (J/g-°C). m είναι η μάζα της ουσίας σε γραμμάρια. ΔT αναφέρεται στη μεταβολή της θερμοκρασίας (°C) που παρατηρείται στην ουσία. Η σύμβαση προβλέπει την αφαίρεση της αρχικής θερμοκρασίας του υλικού από την τελική θερμοκρασία μετά τη θέρμανση, οπότε η ΔΤ είναι TFinal -Tαρχική στην εξίσωση. Αντικαθιστώντας όλες τις τιμές στην εξίσωση και πολλαπλασιάζοντας τις ακυρώνει τις μονάδες μάζας και θερμοκρασίας αφήνοντας τις κατάλληλες μονάδες Joules για τη θερμότητα. Υπολογισμοί όπως αυτός είναι χρήσιμοι στην en:Calorimetry calorimetry
