Soortelijke warmte

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

De soortelijke warmte c, ook specifieke warmte of specifieke warmtecapaciteit geheten, is een grootheid die de hoeveelheid warmte Q beschrijft die nodig is om de temperatuur van een eenheidsmaat massa met een temperatuursinterval te verhogen. De soortelijke warmte kan uitgedrukt worden in J kg-1.K-1 en is dan de benodigde hoeveelheid warmte-energie (in J) om één kg stof één graad in temperatuur te doen stijgen.

Voor veel stoffen is de hoeveelheid warmte die nodig is voor een bepaalde temperatuurstijging bij benadering recht evenredig met de grootte van die temperatuurstijging en met de massa. De soortelijke warmte is daarbij de evenredigheidsconstante.

In het algemeen, maar speciaal voor gassen, is er verschil in de benodigde hoeveelheid warmte bepaald bij constant volume (c_v) of bij constante druk (c_p). Bij ideale gassen is c_p 40% groter dan c_v. Dit komt doordat bij een isobare opwarming (constante druk) er arbeid wordt geleverd aan de omgeving, terwijl dit bij een isochore (constant volume) niet zo is. Bij isobare opwarming moet er dus meer energie aan het systeem worden geleverd om op te warmen, gezien een deel van die energie wordt gebruikt voor het leveren van de arbeid. De verhouding \frac{c_p}{c_v} wordt meestal aangeduid met het symbool k, \kappa of \gamma .

De soortelijke warmte wordt meestal experimenteel bepaald. Soms kan ze ook berekend worden, maar dat is meestal erg ingewikkeld.

Vergelijking[bewerken]

  • De vergelijking die warmtehoeveelheid aan soortelijke warmte relateert, waarin de hoeveelheid substantie is uitgedrukt in massa, wordt gegeven door:
Q = m c \Delta T
Q is de toegevoegde warmtehoeveelheid, m is de massa van de substantie, c is de soortelijke warmte en \Delta T is de temperatuurverandering.
  • Een tweede vergelijking specificeert warmtecapaciteit. Deze vergelijking ziet er als volgt uit:
Q = C \Delta T
Q is de toegevoegde warmtehoeveelheid, C is de warmtecapaciteit en \Delta T is de temperatuurverandering.

Warmtecapaciteit[bewerken]

Met behulp van de soortelijke warmte (c) kan de warmtecapaciteit (C) van een bepaalde massa (m) stof berekend worden:

C = m c

Wanneer van een aantal stoffen samen (bijvoorbeeld een glas met water) de warmtecapaciteit berekend moet worden, dienen de afzonderlijke warmtecapaciteiten opgeteld te worden (in het voorbeeld dus C = m_g c_g + m_w c_w).

Let erop dat de kapitaal C voor warmtecapaciteit staat en de onderkast c voor soortelijke warmte.

Inwendige vrijheidsgraden[bewerken]

De soortelijke warmte hangt ten nauwste samen met de inwendige vrijheidsgraden (trillingswijzen, rotaties, translatiebewegingen, elektronische overgangen) waarin de toegevoegde thermische energie terecht kan. Zijn er maar weinig vrijheidsgraden beschikbaar dan zal de temperatuur sneller omhoog gaan dan wanneer er veel zijn. Daarom heeft een vloeistof in de regel een hogere soortelijke warmte dan de overeenkomstige vaste stof, omdat de moleculen vrijer zijn zich te bewegen in de vloeistof.

Tabel[bewerken]

Voor vaste stoffen en vloeistoffen zijn c_V en c_p (soortelijke warmte bij constant volume, respectievelijk constante druk) vrijwel aan elkaar gelijk. Voor gassen is dit niet het geval.

Vaste stoffen en Vloeistoffen
Materiaal Fasetoestand Soortelijke warmte J/(kg.K)
aluminium vast 880
brons vast 380
constantaan vast 410
diamant vast 502
ethanol vloeistof 2460
goud vast 129
grafiet vast 720
ijzer vast 444
koper vast 385
kwik vloeistof 139
lithium vast 3582
messing vast 377
olie vloeistof ≈ 2000
water vloeistof 4186
vast (0°C) 2060

Voor gassen is de soortelijke warmte onder constante druk of constant volume niet gelijk. Ook de temperatuur speelt een grote rol.

Gassen
gas temperatuur
(°C)
Soortelijke warmte: c_V
J/(kg.K)
argon 15 320
helium 18 3160
koolstofdioxide 20 650
lucht 0-100 710
stikstof 0-200 730
waterdamp 100 1410
waterstof 16 10140
zuurstof 13-207 650

Uit deze tabel blijkt dat vele metalen zoals koper, aluminium of kwik een lage waarde hebben voor de soortelijke warmte, wat betekent dat ze snel opwarmen bij een beperkte toevoer van warmte, maar weinig warmte kunnen vasthouden. Water daarentegen heeft een zeer grote soortelijke warmte, dit is de reden dat het vaak wordt gebruikt als warmtevoerend medium, bijvoorbeeld in de systemen voor centrale verwarming.