Količina toplote i specifični toplotni kapacitet
- Objasniti o čemu zavisi količina toplote potrebna za zagrijavanje tijela.
- Koristiti specifični toplotni kapacitet vode, aluminijuma i željeza.
- Računati količinu toplote po formuli Q = m·c·Δt.
- Odrediti konačnu temperaturu smjese u kalorimetru, bez gubitaka.
1. O čemu zavisi koliko se tijelo zagrije?
Staviš lonac s vodom na šporet. Da bi voda proključala, treba vremena, i to više ako je lonac veći. Isto tako, treba više energije da se 2 kg vode zagrije za 10 °C nego da se 1 kg zagrije za 10 °C. A ako istu količinu toplote dovedeš aluminijumskom uzorku i vodi iste mase, aluminijum će se zagrijati mnogo više.
Količina toplote (oznaka Q) je energija koja prelazi s jednog tijela na drugo zbog razlike temperatura. Mjeri se u džulima (J), kao i svaka druga energija. Iz iskustva vidimo da količina toplote zavisi od tri stvari:
- mase — više tvari, više toplote;
- promjene temperature Δt — veća promjena, više toplote;
- vrste tvari — ista masa različitih tvari ne zagrijava se jednako.
2. Specifični toplotni kapacitet
Da bi 1 kg neke tvari zagrijao za 1 K, potrebna je određena količina toplote. Ta količina je svojstvo tvari i zove se specifični toplotni kapacitet, oznaka c. Jedinica je džul po kilogramu i kelvinu: J/(kg·K).
| Tvar | c u J/(kg·K) | Šta to praktično znači |
|---|---|---|
| voda | 4200 | potrebno je 4200 J da 1 kg vode zagrije za 1 K |
| led | 2100 | led se zagrijava dvostruko brže od iste mase vode |
| aluminijum | 900 | lonac od aluminijuma se brzo zagrije |
| željezo | 460 | željezni predmet se još brže zagrije |
| bakar | 390 | dobar provodnik toplote, brzo mijenja temperaturu |
Voda ima vrlo veliki specifični toplotni kapacitet. Za zagrijavanje vode treba gotovo pet puta više toplote nego za istu masu aluminijuma i više od devet puta više nego za istu masu željeza. Zato se voda sporo zagrijava i sporo hladi. To je razlog zašto more ljeti ostaje hladnije od kopna, zašto se radijator puni vodom, zašto velika količina vode dugo zadržava temperaturu (termosica dodatno usporava prijenos toplote izolacijom) i zašto se u kadi toplota osjeća dugo.
3. Formula Q = m·c·Δt
Tri zavisnosti spajaju se u jednu formulu:
gdje je m masa u kilogramima, c specifični toplotni kapacitet u J/(kg·K), a Δt promjena temperature u kelvinima (isto što i u stepenima Celzijusa). Rezultat je količina toplote u džulima.
Kada se tijelo zagrijava, ono prima toplotu i Q je pozitivno. Kada se hladi, ono predaje toplotu; tada je Δt negativno ako ga računaš kao „konačna minus početna“, a iznos predane toplote je pozitivan broj. U zadacima je najsigurnije prvo izračunati Δt kao razliku veće i manje temperature, pa zatim reći da li tijelo toplotu prima ili predaje.
Formula radi i „unazad“: iz poznate količine toplote možeš odrediti promjenu temperature, masu ili vrstu tvari. Dovoljno je preurediti jednačinu: Δt = Q/(m·c), m = Q/(c·Δt), c = Q/(m·Δt).
4. Kalorimetar i miješanje
Kalorimetar je posuda s dobrom izolacijom u kojoj miješamo tijela različitih temperatura i pratimo promjenu temperature. Izolacija je važna da toplota ne odlazi u okolinu. Uz pretpostavku da nema gubitaka vrijedi jednostavno pravilo:
Toplija voda predaje onoliko toplote koliko hladnija primi. Iz te jednakosti, kada se miješaju dvije količine iste tečnosti (pa je c isti i skrati se), dobija se konačna temperatura smjese:
Konačna temperatura uvijek je između početnih temperatura: nikada nije viša od toplije ni niža od hladnije. Bliža je temperaturi one količine koja ima veću masu. Ako su početne temperature jednake, nema prelaska toplote i temperatura se ne mijenja.
5. Isprobaj: pomiješaj hladnu i toplu vodu
Mijenjaj mase i početne temperature dviju posuda. Simulacija računa konačnu temperaturu smjese bez gubitaka toplote. Posmatraj boju i nivo vode u trećoj posudi te termometar.
Konačna temperatura smjese: t = 50,0 °C.
Hladnija voda primi 126 kJ, toplija preda 126 kJ.
Voda u posudi A je hladnija, pa prima toplotu od vode u posudi B.
Nivo i boja vode na crtežu prate masu i temperaturu. Simulacija zanemaruje gubitke toplote i pretpostavlja da je u obje posude ista tečnost — voda, c = 4200 J/(kg·K).
6. Isprobaj: ista toplota, različite tvari
Tri uzorka jednake mase, vode, aluminijuma i željeza, počinju na istih 20 °C. Svaki primi potpuno istu količinu toplote Q. Prije nego što dodaš energiju, predvidi koji će se uzorak zagrijati najviše.
Legenda grafa: puna linija s kvadratićem = željezo, crtkana s trouglom = aluminijum, tačkasta s krugom = voda. Svi termometri koriste istu skalu.
| Tvar | c u J/(kg·K) | Δt = Q/(m·c) | Konačna t |
|---|---|---|---|
| voda | 4200 | ||
| aluminijum | 900 | ||
| željezo | 460 |
Model: nema gubitaka toplote, promjene agregatnog stanja ni zagrijavanja posude. Brojevi u tabeli su zaokruženi na jednu decimalu. Najviša temperatura metala je oko 107 °C. Voda se zbog većeg c zagrije znatno manje i ostaje ispod temperature ključanja.
7. Korak po korak: od mjerenja do količine toplote
Zadatak: „U 1,5 kg vode temperature 20 °C ulijemo 0,5 kg vode temperature 80 °C. Odredi konačnu temperaturu smjese i količinu toplote koju je hladnija voda primila. Gubici su zanemareni.“ Radi ovako, korak po korak.
8. Riješeni primjeri
Dva tipa zadatka: računanje količine toplote i računanje konačne temperature smjese. U svakom tipu su tri primjera, od lakšeg ka težem.
Tip 1: izračunaj količinu toplote
Primjer 1: zagrijavanje vode
Koliko toplote treba da se 2 kg vode zagrije sa 20 °C na 50 °C?
Primjer 2: zagrijavanje aluminijuma
Aluminijumski lonac mase 0,5 kg zagrije se sa 20 °C na 120 °C. Kolika je količina toplote potrebna?
Primjer 3: hlađenje željeza
Komad željeza mase 1,5 kg ohladi se sa 80 °C na 20 °C. Koliko toplote preda okolini?
Tip 2: konačna temperatura smjese
Primjer 1: jednake mase
Pomiješamo 1 kg vode na 20 °C i 1 kg vode na 60 °C. Kolika je konačna temperatura?
Primjer 2: više hladne vode
Pomiješamo 2 kg vode na 20 °C i 1 kg vode na 80 °C. Kolika je konačna temperatura i koliko je toplote primila hladnija voda?
Primjer 3: veća količina tople vode
U 0,5 kg vode na 20 °C dolijemo 1,5 kg vode na 80 °C. Kolika je konačna temperatura i koliko toplote preda toplija voda?
- „Voda ima 252 kJ toplote.“ Voda je primila količinu toplote od 252 kJ. Toplota je energija u prelasku, ne svojstvo koje tijelo posjeduje.
- Uvrštavanje temperature umjesto promjene temperature. U formulu ide Δt, razlika, a ne 50 °C ili 20 °C. Za zagrijavanje sa 20 na 50 ide 30, ne 50.
- Miješanje jedinica: grama i kilograma. 500 g mora se pretvoriti u 0,5 kg prije uvrštavanja, inače je rezultat hiljadu puta pogrešan.
- Zaboravljen c ili zamijenjene tablice. Voda 4200, aluminijum 900, željezo 460 J/(kg·K). Sa c od vode za aluminijumski lonac rezultat je skoro pet puta prevelik.
✅ Kviz — provjeri sebe (4 pitanja)
1. O čemu zavisi količina toplote potrebna za zagrijavanje tijela?
2. Koliko toplote treba da se 1 kg vode zagrije za 1 K?
3. Zašto se voda sporije zagrijava od aluminijuma iste mase?
4. Pomiješaš 1 kg vode na 10 °C i 3 kg vode na 50 °C. U kojoj oblasti je konačna temperatura?
9. Primijeni i objasni
Provjeri rješenje i obrazloženje
t = (m₁·t₁ + m₂·t₂)/(m₁ + m₂) = (0,4·15 + 0,6·75)/1,0 = (6 + 45)/1,0 = 51 °C. Toplija voda predaje Q = m₂·c·Δt = 0,6·4200·(75 − 51) = 0,6·4200·24 = 60 480 J ≈ 60,5 kJ. Provjera: hladnija voda prima 0,4·4200·(51 − 15) = 0,4·4200·36 = 60 480 J — iznosi se poklapaju. Rezultat je bliži 75 °C jer je mase toplije vode više (0,6 kg prema 0,4 kg), pa ona „vuče“ konačnu temperaturu svojoj početnoj vrijednosti.
Pokušaj najprije samostalno, pa provjeri u simulaciji postavljajući m₁ = 0,4 kg, t₁ = 15 °C, m₂ = 0,6 kg i t₂ = 75 °C.
Ključni sadržaji koje ovdje učiš: količina toplote, specifični toplotni kapacitet, Q = m·c·Δt, kalorimetar i toplotna ravnoteža pri miješanju.
Oblast C, 8. razred. Predmetni kurikulum KS, Fizika, 8. razred, oblast C, štampana str. 21. Raspored oblasti na portalu je urednički. Objašnjenja, primjeri, simulacija i kviz su autorski.