Värmekapacitet

Kim och Philip tänkte koka lite te. Det är för mycket vatten, Philip! Det kommer ta en evighet att koka upp! Kim har rätt. Att koka upp mycket vatten kräver mer tid och energi.

Varför är det så? När man värmer upp vatten, överför man värmeenergi – termisk energi, från vattenkokaren till vattnet. Sedan stiger vattentemperaturen eftersom partiklarna inuti börjar röra sig snabbare. Vattnet tar in termisk energi som omvandlas till rörelseenergi – kinetisk energi av partiklarna. I den här formen lagras energin inuti vattnet.

Mängden värme ett ämne kan ta in och lagra är dess VÄRMEKAPACITET. Värmekapaciteten är beroende av tre faktorer: – av hur mycket temperaturen förändras – hur mycket av ett ämne som finns – och vilket ämne det är. Högre temperatur betyder högre kinetisk energi hos atomer. Så ju mer vi höjer temperaturen, desto mer energi lagras i ämnet. Mängden ämne har betydelse, eftersom det avgör hur många partiklar som finns där.

Var och en av partiklarna inuti ämnet lagrar energi, så ju fler de är, desto mer energi kan de sammanlagt ta in och lagra. Att räkna partiklar vore väldigt opraktiskt, så vi använder bara massa för att uttrycka mängden ämne. För att se vilket sorts ämne som har att göra med värmekapacitet, kan vi göra ett experiment! Vi börjar med att ta två identiska glasbägare. Vi fyller en av dem med lite vatten och den andra med samma mängd etanol.

Vi ställer dem över samma värmekälla under lika lång tid – 60 sekunder. Så, om vi mäter temperaturen i varje bägare, kommer det att vara någon skillnad? Vi kollar ... Etanolen är mycket varmare än vattnet! Det här beror på att etanol och vatten är gjorda av olika molekyler, som är ihopkopplade och arrangerade på olika sätt.

I en del ämnen är det lättare för atomer att röra sig – den kinetiska energin ökar snabbare, och likaså temperaturen. Andra ämnen, som vatten, behöver absorbera mer energi utifrån för att få atomerna att röra sig. Atomernas kinetiska energi ökar långsamt och likadant med temperaturen. Mängden värme som krävs för att höja temperaturen på ett kilo av ett ämne med en grad Celsius eller en Kelvin är specifik för det ämnet. Vi kallar den här egenskapen SPECIFIK VÄRMEKAPACITET – eller bara SPECIFIK VÄRME. Ämnen med hög specifik värme, som vatten, kan ta in och lagra mer hetta än de med lägre specifik värme – som etanol.

För många ämnen kan vi slå upp värdet av deras specifika värme i en tabell. Men om vi har ett föremål och inte vet vilket ämne det är gjort av – som den här metallkulan? Vi kan inte hitta dess specifika värme i tabellen – men vi kan räkna ut den själva! Vi vet att den väger ett halvt kilo, och för att hetta upp den med 50 Kelvin behöver vi 3250 energienheter – Joule. Vi kan ta den här datan och sätta in den i en formel: Energi – 3250 Joule dividerat med massan - ett halvt kilo, och temperaturskillnaden – 50 Kelvin.

Vi får resultatet – den specifika värmen hos den här metallen är lika med 130 Joule per kilogram Kelvin Hm, Hm, om vattens specifika värme är ungefär 4200 Joule per kilogram Kelvin, kan du säga vad som värms upp enklast – ett halvt kilo vatten eller den här metallkulan ...?