Почему добавление растворенных веществ в чистую воду снижает удельную теплоемкость?

Мы обнаружили, что вода с растворенными в ней солью, сахаром или пищевой содой остывает быстрее, чем чистая вода.
Вода имеет очень высокую удельную теплоемкость; как эти растворенные вещества снижают его?

Мы нагрели мензурку (300 мл) с водой до 90°С и дали ей остыть, проверяя температуру каждые 5 минут. Мы повторили эксперимент, добавив столовую ложку соли. В каждый 5-минутный интервал температура чистой воды была выше, чем соленой. Тот же результат с пищевой содой и сахаром.

Более медленное охлаждение означает более высокую удельную теплоемкость, не так ли?
Мне нравится вопрос, но, пожалуйста, решите проблему ниже/медленнее.
Также, пожалуйста, опишите лучше эксперимент: вы измеряете охлаждение от точки кипения или от 100 градусов? Это важно, потому что очевидно, что охлаждение является экспоненциальным, и поэтому г Т г т меняется при разных температурах.
Как указано выше, он увеличивает свою удельную теплоемкость, также обратите внимание, что он обычно увеличивает точку насыщения и точку замерзания при определенном давлении. Кроме того, обычно насыщенная жидкость остается постоянной по температуре во время фазового перехода, однако раствор не остается постоянной по температуре. Все эти явления имеют одинаковую природу, поэтому при изменении вопроса вы также можете включить их.
Кто-то может возразить, что это вопрос химии, но для меня это похоже на вопрос о физическом объяснении химического явления. Мне это нравится.
Вопрос ясен - при добавлении растворенного вещества раствор остывает быстрее, чем обычная вода (большее изменение температуры при измерении через фиксированные интервалы). как говорится, я не знаю ответа. но вопрос ясен
Насколько отличалась температура, не могли бы вы опубликовать значения? Вы сделали только одно измерение для каждого водного раствора? Где измеряли последовательно или одновременно? В случае, если они измерялись последовательно - контролировали ли вы температуру окружающей среды?
Каково отношение изменения удельной теплоемкости воды к удельной теплоемкости нерастворенного вещества?

Ответы (7)

Я считаю, что причина в том, что раствор удерживает молекулы воды в клетке вокруг себя. Причина, по которой вода имеет высокую удельную теплоемкость, заключается в том, что она может свободно вращаться вокруг своего центра масс, существует большое количество степеней свободы, которые могут случайным образом вибрировать и вращаться в чистой воде. Когда у вас есть молекулы в растворе, они захватывают несколько близких к ним молекул воды в жесткой конфигурации с самой низкой энергией, и эти молекулы подобны крошечному твердому телу, в котором тепловое движение невозможно, потому что квант частоты колебаний выше, чем kT. Это уменьшает удельную теплоемкость на количество, прямо пропорциональное растворенному веществу.

Это, вероятно, сильнее всего проявляется с солью, поскольку заряженные ионные растворенные вещества образуют очень прочную клетку. Я ожидал бы, что эффект со спиртами будет слабее, а с сахарами еще слабее, так как я думаю, что заряженные группы в них менее заряжены по порядку.

Очевидный ответ, по крайней мере частично, просто касается нового вещества.

Вода имеет довольно высокую удельную теплоемкость. Это больше, чем у сахара, соли, пищевой соды и т. Д. Удельная теплоемкость комбинации (раствора) этих двух компонентов находится где-то между теплоемкостью одного из них (вероятно, средневзвешенная по массе) просто за счет изменения температуры. происходит с обоими веществами, а не только с одним

Однако я подозреваю, что этот ответ неполный. Могут быть другие явления, объясняющие различия в охлаждении, возможно, связанные с тем, как растворенное вещество изменяет температуру фазовых переходов (т. е. более высокая температура кипения, более низкая температура замерзания).

Да, у меня такое же чувство. Интересно, до какой степени важны явления, описанные в последнем абзаце. Возможно диссоциация молекул воды на ЧАС 2 , О 2 и создание некоторых новых соединений также должно быть принято во внимание. Но я не уверен, увеличивает ли это или уменьшает удельную теплоемкость. Кто-нибудь хочет уточнить?
@Marek: единственный способ превратить воду в ЧАС 2 а также О 2 втыкают в него электроды. Диссоциация к ЧАС + а также О ЧАС − не зависит (в первом порядке) от концентрации соли.
да. это соли, которые диссоциируют на электролиты. Диссоциация воды происходит либо электрически, либо щелочно-кислотно, как описывает Гигациан.
Это неверное объяснение, потому что соль была добавлена ​​в воду, это не был равный объем соленой воды.

Если ваше описание эксперимента верно, то результат, который вы получили, неожиданный. Правда, удельная теплоемкость раствора соли (на единицу массы ) ниже, чем чистой воды, ее можно оценить как

С п знак равно ж С п с а л т + ( 1 − ж ) С п ЧАС 2 О
где w – массовая доля соли. Однако, как вы описываете, вы не сохранили массу постоянной, а увеличили ее, добавив немного соли к фиксированному объему воды, так что ваша общая теплоемкость должна быть суммой теплоемкости воды (которая одинакова для всех образцы) и соль, сахар или пищевая сода.

Поскольку w в вашем эксперименте было около 0,04, измеряемый вами эффект был довольно мал и легко мог быть меньше экспериментальной ошибки. Эта ошибка состоит из точности измерения объема воды, измерения температуры, времени. Самый простой способ уменьшить эти ошибки — повторить каждый эксперимент несколько раз в произвольном порядке и посмотреть, согласуются ли результаты.

Обновление : я нашел график удельной теплоемкости растворов соды и рассчитал теплоемкость для двух случаев: а) 300 мл чистой воды и б) 300 мл воды + 12,5 г соды = 312,5 г 4% раствора соды. Теплоемкость образца чистой воды будет 1254 Дж/К, а воды с содой 1276 Дж/К - как я и ожидал, она выше, но разница менее 2%.

Мы повторили эксперименты несколько раз, причем с разными растворенными веществами: сахаром и пищевой содой. Различия в скорости охлаждения были небольшими, но постоянными.
@Энн: Я правильно понимаю, что в обоих случаях у вас было 300 мл воды? Имеется в виду, что вы сравнивали охлаждение 300 г чистой воды с 312 г соленой воды?
300 мл воды; 1 столовая ложка = 15 мл соли. Также пробовала 3 столовые ложки сахара, также 1 столовую ложку разрыхлителя.
@Энн: ты готовила новый водный раствор для каждого повторения или ты повторно использовала один и тот же? Также попробуйте рассчитать удельную теплоемкость на основе своих наблюдений. Сделайте это, постройте log(T) в зависимости от времени и сделайте линейную подгонку. Наклон линии обратно пропорционален теплоемкости. Используйте теплоемкость чистой воды в качестве эталона и рассчитайте значения для других растворов. Было бы полезно, если бы вы знали массу добавленной соли, но вы можете использовать кулинарную таблицу для оценки (1 столовая ложка соли равна 12,5 г).
Я готовил новый водный раствор каждый раз, когда мы пробовали новое растворенное вещество.
Мне сложно понять, почему вы наблюдали такое поведение, не видя всех данных. Когда люди публикуют свои результаты в научных журналах, они стараются быть как можно более конкретными, чтобы избежать недоразумений. Может быть, вы могли бы опубликовать график зависимости температуры от времени, чтобы мы могли увидеть, насколько велика разница, которую вы наблюдали.
@gigacyan: Можно оценить снижение удельной теплоемкости, предположив, что происходит замораживание вращательного режима для нескольких молекул воды для каждого иона в солевом растворе. примерно 1 из них нейтрализует удельную теплоемкость, добавленную ионом (только позиционная, как идеальный газ, 3/2 кТ), а оставшаяся замерзшая вода уменьшает удельную теплоемкость примерно на отношение количества вращательно замороженных вод минус один к числу ионов. поэтому потеря удельной теплоемкости должна быть примерно того же порядка, что и удельная теплоемкость самого растворенного вещества, когда оно не находится в растворе.
  • Влияние соли и т.п. на теплоёмкость, вероятно, незначительно, и вопрос в шапке может ввести в заблуждение.
  • Охлаждение воды в стакане обычно происходит за счет конвекции. Жидкость поверх раствора в стакане быстро остывает, а затем имеет более высокую плотность, чем горячая жидкость на дне. Холодная жидкость падает вниз, горячая поднимается вверх, охлаждается, падает вниз и так далее.
  • Конвекция зависит от градиента плотности жидкости. Растворенное вещество может уменьшить конвекцию, поскольку разница в плотности, которая вызывает конвекцию, может быть разной для разных растворов.
  • Величина, на которую следует обратить внимание, — это плотность как функция температуры (или, что то же самое, коэффициент теплового расширения) для растворов солей по сравнению с соответствующими данными для чистой воды.
  • Этот вопрос должен играть роль в теплообмене морской воды, и люди должны были обсудить его там раньше.

Я считаю полезным думать об удельной теплоемкости следующим образом:

Какое количество теплоты содержит вещество при комнатной температуре? Если он содержит много тепла, добавление или вычитание небольшого количества тепла не будет иметь большого значения. Однако, если у него мало энергии, удаление того же количества будет иметь большое значение, заставляя его быстро охлаждаться или нагреваться.

Соленая/сахарная вода содержит меньше тепла, чем вода, поэтому быстро охлаждается и нагревается.

Играют роль ионы, «захватывающие» молекулы воды, но есть и другое, более простое объяснение: физически мешает и растворенное вещество. Представьте себе группу детей, бегающих по пространству. Теперь представьте, что вы добавили несколько довольно толстых людей в случайных местах. Дети натыкались на них и замедлялись.

Грубо говоря, более тяжелые вещества имеют меньшую удельную теплоемкость, взгляните на этот график: http://periodictable.com/Properties/A/SpecificHeat.html

Более массивные молекулы движутся медленнее, следовательно, у них меньше энергии, поэтому добавление или уменьшение энергии имеет большое значение. Однако это объяснение упрощено. Если бы тяжелые молекулы двигались со скоростью, пропорциональной их массе, они все равно могли бы двигаться по той же схеме, что и легкие. Однако это не так. При прочих равных более тяжелые молекулы крупнее, а значит, больше набегают друг на друга. На самом деле, важна не скорость, а размер.

Окончательный ответ: соль и сахарная вода содержат большие молекулы, которые замедляют движение.

Я думаю, что причина, по которой вода имеет очень высокую удельную теплоемкость, связана с наличием водородных связей между каждой отдельной молекулой воды (полярность). Эти водородные связи способны накапливать энергию нагревания, поэтому при нагревании воды часть тепловой энергии становится энергией связи и запасается, поэтому для нагрева определенного объема воды на один градус требуется гораздо больше энергии, и наоборот.

Когда присутствуют растворенные вещества, водородные связи разрываются по мере того, как постоянные диполь-постоянные дипольные взаимодействия заменяются ионно-дипольными взаимодействиями, где, как упоминалось выше, ионы растворенного вещества/полярные вещества окружают каждую молекулу воды. Это приводит к тому, что каждая молекула воды теряет свои силы притяжения друг к другу из-за чистой потери водородных связей с каждой молекулой воды.

Наконец, как таковое, уменьшенное количество водородных связей означает, что в них может храниться меньше энергии, что снижает удельную теплоемкость воды.

P.S. это всего лишь предположение

Я бы +1 gigacyan, но у меня рейтинг до 15 и я не могу. Но я думаю, что есть ответ, который был упущен, потому что причина в том, что вы прыгнули прямо в удельную жару.

Вместо этого я бы сказал, что увеличение теплопроводности важнее. http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/752491.pdf В таблице 2 по этой ссылке приведен показатель теплопроводности физиологического раствора. Вам нужно будет найти t воды. C. Чтобы убедиться, что я прав. Дважды проверьте меня, но я вижу почти 10-кратное увеличение теплопроводности для физиологического раствора (598,5) по сравнению с водой (62) при температуре около 30 градусов по Цельсию. Да, это не 90 градусов по Цельсию в вашем опыте.

Вы не объяснили методологию, которую использовали. Таким образом, я не могу оценить возможные ошибки. Тем не менее, я сомневаюсь, что какие-либо ошибки сильно повлияют на результаты, поскольку вы получили аналогичные результаты для разных растворенных веществ / суспензий.

Почему добавление растворенных веществ в чистую воду снижает удельную теплоемкость?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v