456. Muuttuva ominaislämpökapasiteetti

Aineen ominaislämpökapasiteetti riippuu aineen lämpötilasta, mutta yleensä tämä jätetään huomioimatta. Tutki MAOL-taulukkokirjasta löytyvää kuvaajaa veden ominaislämpökapasiteetin lämpötilariippuvuudesta.

  1. Miten veden ominaislämpökapasiteetti muuttuu, kun veden lämpötila kasvaa 20 celsiusasteesta 80 celsiusasteeseen?
  2. Jos otetaan huomioon veden muuttuva ominaislämpökapasiteetti, vakiopaineessa veden lämmittämiseen 20 celsiusasteesta 80 celsiusasteeseen tarvitaan energiaa 251,1 kJ yhtä kilogrammaa vettä kohden. Kuinka suuri absoluuttinen virhe tehdään, jos tarvittavan energian määrä lasketaan käyttämällä veden ominaislämpökapasiteetille arvoa 4,1819 kJ/(kg K)?
  3. Miten ominaislämpökapasiteetin muuttuminen voidaan havaita tilanteessa, jossa lämmitetään vettä vakioteholla?
Ratkaisu:
a. Veden ominaislämpökapasiteettin riippuvuu lämpötilasta. Taulukkokirjasta huomataan, että veden ominaislämpökapasiteetti lämpötilassa [[$ 20^\circ\text{C} $]]​ on noin [[$ 4{,}183 \dfrac{\text{kJ}}{\text{kg K}}. $]]​ Vastaavasti veden ominaislämpökapasiteetti lämpötilassa [[$ 80^\circ\text{C} $]]​ on noin [[$ 4{,}197\dfrac{\text{kJ}}{\text{kg K}}. $]]​
Veden ominaislämpökapasiteetti muuttuu noin [[$ 4{,}197\dfrac{\text{kJ}}{\text{kg K}}-4{,}183 \dfrac{\text{kJ}}{\text{kg K}}=0{,}014 \dfrac{\text{kJ}}{\text{kg K}} \approx 10 \dfrac{\text{J}}{\text{kg K}} $]]​

Vastaus: noin [[$ 10 \dfrac{\text{J}}{\text{kg K}} $]]​.

b. Lasketaan kuinka paljon energiaa tarvitaan yhden kilogramman vettä lämmittämiseen 20 celsiusasteesta 80 celsiusasteeseen, kun veden ominaislämpökapasiteetti on 4,1819 kJ/(kg K).

​[[$ \begin{align} Q&=cm\Delta T \\ &=4{,}1819 \dfrac{\text{kJ}}{\text{kg K}}\cdot 1,0 \text{ kg} \cdot 60 \text{ K} \\ &=250,914 \text{ kJ} \end{align} $]]​

Lasketaan absoluuttisen virheen suuruus.
​[[$ \Delta Q=251{,}1 \text{ kJ}-250{,}914\text{ kJ}=0{,}186 \text{ kJ} $]]​

Vastaus: Absoluuttisen virheen suuruus on noin 0,186 kJ.

c. Veden ominaislämpökapasiteetin arvo kasvaa lämpötilan muuttuessa 20 celsiusasteesta 80 celsiusasteeseen. Tämä tarkoittaa sitä, että veden lämmittämiseen tarvitaan enemmän energiaa jokaista celsiusastetta ja jokaista kilogrammaa kohden. Käytännössä tämä havaitaan siten, että vakioteholla vettä lämmittäessä veden lämmittäminen kestää kauemmin.