Av Kevin Beck – Uppdaterad 30 augusti 2022
Thomas Barwick/DigitalVision/GettyImages
Värme är en form av energi mätt i joule (J), SI-enheten motsvarande en newtonmeter. I vardagliga sammanhang använder vi ofta kalorier (1 cal=4,18 J) eller BTU, men för vetenskapliga beräkningar är joule standard.
Värme flödar naturligt från varmare till kallare områden. Även om vi inte kan se själva värmen, drar vi slutledning om dess närvaro från temperaturförändringar. Temperatur representerar den genomsnittliga kinetiska energin för molekyler i ett ämne; tillförsel av värme ökar denna kinetiska energi och därmed höjer temperaturen.
Kalorimetri är den experimentella metoden för att bestämma hur mycket värme som krävs för att ändra ett ämnes temperatur. Genom att placera en känd massa av ett material i en förseglad kalorimeter, lägga till en exakt mängd värme och mäta den resulterande temperaturökningen, kan vi beräkna dess specifika värmekapacitet.
Kalorien – som används på livsmedelsetiketter som en kilokalori (kcal) – definieras som den värme som behövs för att höja 1 g vatten med 1 °C (eller 1 K). En läsk på 12 ounce, till exempel, innehåller ungefär 150 000 kalorier (150 kcal).
Det grundläggande förhållandet mellan värme, massa, temperaturförändring och specifik värme uttrycks som:
Q =m·C·ΔT
Här, Q är värmen tillsatt (i joule), m är massan (gram), ΔT är temperaturförändringen (Kelvin eller °C), och C är den specifika värmekapaciteten (J/g·K).
Värmekapacitet avser den totala värme som krävs för att höja ett objekts temperatur med 1 K, uttryckt i J/K. Det beror på föremålets massa. Specifik värmekapacitet, mätt i J/g·K, är en inneboende egenskap som möjliggör jämförelse mellan olika material oavsett massa.
Till exempel betyder vattnets höga specifika värmekapacitet (~4,18 J/g·K) att det kan absorbera stora mängder värme med endast en måttlig temperaturökning – en väsentlig egenskap för levande organismer och klimatreglering.
För att bestämma den specifika värmekapaciteten experimentellt, dividera den tillförda värmen med produkten av massa och temperaturförändring:
C = Q / (m·ΔT)
Koppars specifika värmekapacitet är 0,386 J/g·K. Så här höjer du 1 kg (1 000 g) koppar från 0 °C till 100 °C:
Q = m·C·ΔT = (1,000 g)·(0.386 J/g·K)·(100 K) = 38,600 J = 38.6 kJ.
Värmekapaciteten för detta kopparblock på 1 kg är alltså 386 J/K (eftersom 38 600 J behövs för en höjning på 100 K).
Att förstå värmekapacitet och specifik värme är avgörande för att designa termiska system, välja kylflänsmaterial och förutsäga temperaturförändringar inom teknik, kemi och miljövetenskap.
