Spezifische Wärmekapazität
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Die spezifische Wärmekapazität oder kurz spezifische Wärme eines Stoffes ist eine seiner physikalischen Eigenschaften und bezeichnet dessen auf die Masse bezogene Wärmekapazität. Sie gibt also an, welche Energie man einer bestimmten Masse eines Stoffes zuführen muss, um seine Temperatur um ein Kelvin zu erhöhen. Die abgeleitete SI-Einheit der spezifischen Wärmekapazität ist daher:
![[c]=\frac{kJ}{K \cdot kg}](../../../math/0/f/e/0feac41276bdfdbf34df59a803fe7e02.png)
Als Formelzeichen verwendet man in der Regel c (steht für engl. capacity = Kapazität). Die Messung der spezifischen Wärmekapazität erfolgt über die Kalorimetrie.
Die Stoffdaten der spezifischen Wärmekapazität sind gesondert tabelliert.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Mittlere spezifische Wärmekapazität
Die mittlere spezifische Wärmekapazität wird für die Berechnung von Prozessen benötigt, bei denen die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität von Bedeutung ist.
oder einfacher: c1·m1·T1=c2·m2·T2 oder c·m·T=konstant
Die mittlere spezifische Wärmekapazität zwischen 0 °C und einer beliebigen Temperatur 
kann aus Tabellen abgelesen werden.
Falls die vorhandenen Temperaturen T1 und T2 in den Tabellen nicht aufgeführt sind, müssen die Wärmekapazitäten durch lineare Interpolation gefunden werden.
[Bearbeiten] Wärmekapazität von Gasen
Insbesondere bei Gasen hängt die Wärmekapazität von den äußeren Zwangsbedingungen ab. Man unterscheidet die Wärmekapazität bei konstantem Druck Cp und bei konstantem Volumen CV.
Generell gilt Cp > CV
In erster Näherung gilt bei Gasen Cp = CV + Rs. Hierbei ist Rs die spezifische Gaskonstante, mit Rs = R/M, wobei R allgemeine Gaskonstante und M die Molmasse ist.
Weiterhin gilt in guter Näherung CV = f · 1/2 · Rs, wobei f ≥ 3 die Anzahl der energetischen Freiheitsgrade eines Moleküls angibt. Diese umfassen drei Freiheitsgrade kinetische Energie, Null bis drei Freiheitsgrade für die Rotationsenergie und Null bis n Freiheitsgrade für die innere Schwingungsenergie.
[Bearbeiten] Bestimmung der Wärmekapazität
Eine häufig verwendete Methode zur Bestimmung der Wärmekapazität ist die Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC). Wichtig für die Messung ist dabei, dass die zu untersuchende Probe in dem zu untersuchenden Temperaturbereich keine mit einer Wärmetönung einhergehenden Reaktion aufweist. Üblicherweise erfolgt zur exakten Berechnung eine Vergleichsmessung mit einem Saphir.
[Bearbeiten] Gleichungen
Die Gleichung, um Wärmeenergie, Masse, Temperaturänderung und spezifische Wärmekapazität in Zusammenhang zu bringen, ist:
ΔQ = c · m · ΔT
ΔQ ist die Wärmeenergie, die der Materie zugeführt oder entzogen wird, m ist die Masse der Substanz (in kg), c ist die spezifische Wärmekapazität (in kJ·kg-1·K-1) und ΔT ist die Temperaturänderung (in K).
Einheit: [Q] = 1kJ (1 Kilojoule)
Beispiel:
Wir wollen 1kg Wasser von 20°C auf 90°C erhitzen. Der Wert c für Wasser mit einer Temperatur von 20°C beträgt 4,1851 kJ·kg-1·K-1. Da wir ja 1kg Wasser erhitzen wollen ist der Wert für m folglich 1kg. ΔT ist in unserem Beispiel 70K (372K-303K). Unsere Gleichung sieht demnach wie folgt aus:
ΔQ = 4,1851 kJ·kg-1·K-1 · 1 kg · 70 K
ΔQ = 292,96 kJ
[Bearbeiten] Tabellen der spezifischen Wärmekapazität
| Element | Aggregatzustand | Spezifische Wärmekapazität kJ·kg-1·K-1 |
|---|---|---|
| Luft (trocken) | gasförmig | 1,005 |
| Luft (100% Luftfeuchtigkeit) | gasförmig | ≈ 1,030 |
| Aluminium | fest | 0,900 |
| Beryllium | fest | 1,824 |
| Messing | fest | 0,377 |
| Kupfer | fest | 0,385 |
| Diamant | fest | 0,502 |
| Ethanol | flüssig | 2,460 |
| Gold | fest | 0,129 |
| Graphit | fest | 0,720 |
| Helium | gasförmig | 5,190 |
| Wasserstoff | gasförmig | 14,300 |
| Eisen | fest | 0,444 |
| Lithium | fest | 3,582 |
| Quecksilber | flüssig | 0,139 |
| Stickstoff | gasförmig | 1,042 |
| Öl | flüssig | ≈ 2,000 |
| Sauerstoff | gasförmig | 0,920 |
| Quarzglas | fest | 0,703 |
| Wasser | gasförmig | 2,020 |
| flüssig | 4,183 | |
| fest (0 °C) | 2,060 | |
| Standardbedingungen verwendet, außer wenn es anders notiert ist. Bei Gasen entsprechen die Werte cp | ||
[Bearbeiten] Baumaterialien
Ist häufig interessant für Bauherren und Solarzellendesigner
| Substanz | Aggregatzustand | Spezifische Wärmekapazität kJ·kg-1·K-1 |
Spezifische Wärmekapazität J·cm³-1·K-1 |
|---|---|---|---|
| Asphalt | fest | 0,92 | 1,012-1,38 |
| Vollziegel | fest | 0,84 | 1,344 |
| Kalksandstein | fest | 1 | 1,2 - 2,2 |
| Beton | fest | 0,88 | 1,584 - 2,156 |
| Kron-Glas | fest | 0,67 | 1,709 |
| Flint-Glas | fest | 0,503 | 1,761 - 2,414 |
| Fenster-Glas | fest | 0,84 | 2,016 - 2,268 |
| Granit | fest | 0,790 | 2,014 - 2,22 |
| Gips | fest | 1,09 | 2,507 |
| Marmor, Glimmer | fest | 0,880 | 2,305 - 2,5 |
| Sand | fest | 0,835 | 1,19 - 1,336 |
| Stahl | fest | 0,47 | 3,713 |
| Boden | fest | 0,80 | |
| Holz | fest | 1,7 | 0,68 - 1,36 |
[Bearbeiten] Literatur
- Stewart, G.R.: Measurement of low-temperature specific heat Rev. Sci. Instrum., 1983, 54, 1-11
- Dr. Michal Tausch: Chemie SII, Stoff - Formel - Umwelt C.C. Buchners Verlag, Bamberg 1993
[Bearbeiten] Siehe auch
- Dulong-Petit-Gesetz - Aussage über die Wärmekapazität von Festkörpern
