Spetsiifiline soojus (massi erisoojus) — määratlus ja ühikud

Spetsiifiline soojus (erisoojus) — selge määratlus, valemid ja ühikud. Õpi, kuidas aine erisoojus määrab soojuse neeldumise ja temperatuuri muutusi praktiliste näidetega.

Spetsiifiline soojus (s) ehk massi erisoojus on soojusmahtuvuse erivorm. Erisoojus on termodünaamiline omadus, mis näitab, kui palju soojust on vaja aine ühe massiühiku temperatuuritõusuks ühe kraadi võrra. Mõisteid sageli segatakse: soojus q tähistab energiat, mis antakse süsteemile või võetakse süsteemist ära, põhjustades temperatuuri muutuse; temperatuuri muutus on konkreetne energia muutuse mõõde. Seetõttu on erisoojus üks täpsemaid näitajaid aine võime kohta energiat absorbeerida või varustada, kui tema temperatuur muutub.

Määratlus ja valem

Spetsiifiline soojus c (või mõnes kirjanduses tähistatuna s) defineeritakse valemiga:

c = q / (m · ΔT)

kus q on antud või eraldunud soojushulk (J), m on mass (kg) ja ΔT on temperatuuri muutus (K või °C). Vastavalt sellele saab soojushulka arvutada ka valemiga:

q = m · c · ΔT

Ühik ja ühikute teisendused

Spetsiifilise soojuse SI-ühik on joule kilogrammi kohta kelvini kohta ehk J·kg⁻¹·K⁻¹. Levinud on ka kilojouleid või kaloreid:

• 1 J·kg⁻¹·K⁻¹ = 1 J/(kg·K)
• 1 cal·g⁻¹·°C⁻¹ ≈ 4,184 J·kg⁻¹·K⁻¹ (seega vesi ≈ 1 cal·g⁻¹·°C⁻¹ = 4184 J·kg⁻¹·K⁻¹)

Spetsiifilist soojusvõimsust võib väljendada ka molaarse erisoojuse kujul ühikutes J·mol⁻¹·K⁻¹, mis annab soojuse, mis on vaja ühe mooli aine temperatuuri ühe kraadi võrra tõstmiseks.

Konstantne rõhk vs konstantne ruumimaht (c_p ja c_v)

Gaaside puhul tuleb sageli eristada erisoojust konstantsel rõhul (c_p) ja konstantsel ruumimahul (c_v). Neid seob ideaalgaasi korral relation:

c_p − c_v = R_specific

kus R_specific on spetsiifiline gaasikonstant (R/M, kus R on universaalne gaasikonstant ja M molaarkaal). Mollaarsetes ühikutes kehtib ideaalgaasi lähendusel C_p − C_v = R.

Tüüpilised väärtused ja näited

• Vesi (vedel): ~4184 J·kg⁻¹·K⁻¹
• Õhk (kuiv, konst. rõhul): ~1005 J·kg⁻¹·K⁻¹
• Alumiinium: ~900 J·kg⁻¹·K⁻¹
• Raud (teras): ~450 J·kg⁻¹·K⁻¹
• Plii: ~130 J·kg⁻¹·K⁻¹

Need väärtused sõltuvad temperatuurist ja olekust; näiteks tahkete ainete molaarne erisoojus läheneb sageli ligikaudu 3R (Dulong–Petiti seadus) toatemperatuuril.

Mõjutavad tegurid ja piirangud

• Spetsiifiline soojus sõltub temperatuurist — paljudel ainetel muutub c oluliselt väga madalatel või väga kõrgetel temperatuuridel.
• Faasilised üleminekud (nt sulamine, aurumine) ei kajastu erisoojuses ise, vaid nõuavad latentset soojust; erisoojus kehtib faasi piires, mitte üleminekupunktis.
• Segude ja lahustite puhul on erisoojus sõltuv koosseisust ja intermolekulaarsetest interaktsioonidest.

Mõõtmine ja rakendused

Erisoojust määratakse tavaliselt kalorimeetria abil — mõõdetakse sisse- või eralduvat soojust konkreetse massi ja temperatuuri muutuse puhul. Spetsiifiline soojus on oluline mitmes valdkonnas:

• insenerteadus (soojusvahetid, kütuse- ja jahutussüsteemid),
• meteoroloogia ja kliimateadus (vee kõrge erisoojus stabiliseerib kliimat),
• materjaliteadus (termiline stabiilsus, kuumtöötlus),
• toiduainete töötlemine ja keemiatööstus (temperatuurikontroll protsessides).

Kokkuvõte: spetsiifiline soojus on põhiline termodünaamiline omadus, mis kvantifitseerib aine võimet salvestada või anda soojust massiühiku ja temperatuuriühiku kohta. Selle korrektsel mõistmisel ja kasutamisel on suur tähtsus nii teaduses kui ka tehnilistes rakendustes.

Otsing