Stejná množství různých látek potřebují k ohřátí o stejnou teplotu různé množství tepla, jak v roce 1760 zjistil Joseph Black při pokusech s vodou a rtutí.
Blackovo zařízení pro měření tepelných kapacit vyobrazené v Laviosierově knize.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Antoine Lavoisier´s 1789 Elements of Chemistry. Public domain.
Abychom tuto rozdílnost fyzikálně rozlišili zavedeme veličinu nazvanou tepelná kapacita C. Definujeme ji jako teplo Q přijaté při tepelné výměně při změně teploty o Δt, tedy
Jednotkou tepelné kapacity je J K–1. Daleko výhodnější je stanovit, kolik tepla je potřeba k ohřátí látky o známé hmotnosti m. Proto zavedeme měrnou tepelnou kapacitu c
Jednotkou měrné tepelné kapacity je J K–1 kg–1. Máme–li směs složenou z více druhů látek o hmotnostech m1, m2, … a měrných tepelných kapacitách c1, c2, …, pak výsledná měrná tepelná kapacita směsi je
kde m je celková hmotnost směsi. Toto pravidlo platí i pro slitiny kovů.
Ze vztahu pro měrnou tepelnou kapacitu můžeme vypočítat teplo
Jednotkou tepla je jeden joule. Starší nebo také technickou jednotkou pro množství tepla je kilokalorie (kcal), která představuje množství tepla potřebné k ohřátí 1 kg čisté vody z 14,5 °C na 15,5 °C. Jedna kcal představuje asi 4,18 J.
Měrná tepelná kapacita je veličina charakteristická pro danou látku. Měrná tepelná kapacita pevných a kapalných látek se mění s teplotou. Proto v tabulkách MFChT najdeme hodnoty udané při jediné teplotě. U plynů a par je situace složitější. Měrná tepelná kapacita závisí nejen na teplotě, ale také na tlaku a zejména na podmínkách, za kterých se teplo plynu předává. Podle toho rozeznáváme měrnou tepelnou kapacitu cp za stálého tlaku a měrnou tepelnou kapacitu cV za stálého objemu, ale o tom jinde.
|
Látka |
c (J kg–1 K–1) |
Látka |
c (J kg–1 K–1) |
|---|---|---|---|
|
voda |
4,2.103 |
led |
2,1.103 |
|
glykol |
2,4.103 |
beton, cihly |
0,88.103 |
|
petrolej |
2,1.103 |
ocel |
0,46.103 |
|
ethanol |
2,4.103 |
měď |
0,38.103 |
|
rtuť |
0,14.103 |
olovo |
0,13.103 |
U všech látek se s klesající teplotou měrná tepelná kapacita zmenšuje a při teplotách blízkých 0 K má velmi malou hodnotu. Z běžně známých látek má největší měrnou tepelnou kapacitu voda (4180 J K–1 kg–1). Důsledkem je řada jevů. Přímořské podnebí vykazuje menší teplotní rozdíly v atmosféře než vnitrozemské, a to jak denní a noční, tak letní a zimní. Je to tím, že voda má vyšší měrnou tepelnou kapacitu než vrstvy pevné zemské kůry. Proto se pobřežní vrstvy vody v moři pomaleji ohřívají a pomaleji ochlazují než povrch pevniny. To má vliv i na ochlazování a ohřívání vzduchu. V technické praxi je voda vhodná jako chladicí kapalina (k chlazení motorů, jaderných reaktorů), nebo jako kapalina vhodná k přenosu energie (např. v ústředním topení). S měrnou tepelnou kapacitou vody se setkáme také u starých úsloví: „Únor bílý, pole sílí,“. Sníh totiž izoluje a tím brání, aby příliš nevymrzla. Teplota půdy pod sněhem je přibližně 0 °C, ale bez sněhu by byla třeba –20 °C. Stejným způsobem využívají sněhu a ledu Eskymáci. Za polární zimy klesá teplota venku až na –60 °C. Na vnitřní straně iglú je však stále teplota 0 °C. Vyšší být nemůže, jinak by led začal tát. Stačí stěny iglú vyložit kožešinami, zapálit několik lampiček na tulení tuk, a uvnitř iglú je teplota přes 20 °C.
Iglů.
Zdroj: commons.wikimedia.ogr. Public domain.
Malou tepelnou kapacitu mají kovy (železo 452 J K–1 kg–1). To usnadňuje jejich tepelné zpracování.
Nejvhodnější jednotkou k vyjádření množství látky je v mnoha případech mol: 1 mol = 6,02 · 1023 částic zkoumané látky. Je-li látkové množství vyjádřeno v molech, je tepelná kapacita vztažena na 1 mol (a ne na hmotnost 1 kg). V tom případě ji nazýváme molární tepelná kapacita.
|
Látka |
Molární tepelná kapacita (J mol-1 K-1) |
Látka |
Molární tepelná kapacita (J mol-1 K-1) |
|---|---|---|---|
|
olovo |
26,5 |
měď |
24,5 |
|
wolfram |
24,8 |
hliník |
24,4 |
|
stříbro |
25,5 |
|
|
Všimněte si, že molární tepelné kapacity všech prvků uvedených v tabulce mají za pokojové teploty zhruba stejnou hodnotu, totiž 25 J mol-1 K-1. Tento fakt nazýváme Dulongův-Petitův zákon. Molární tepelná kapacita všech pevných látek se s rostoucí teplotou blíží této hodnotě, ale některé látky jako berylium nebo uhlík jí dosahují až za podstatně vyšších teplot. Jiné látky mohou tát nebo se vypařit, dříve než potřebné teploty dosáhnou. Skutečnost, že za dostatečně vysokých teplot mají všechny pevné látky zhruba tutéž molární tepelnou kapacitu, naznačuje, že atomy všech druhů přijímají teplo stejným způsobem.
