Toplinski kapacitet

Tri tijela od različitih materijala (npr. Al, Pb i Fe) istih masa zagrijemo do iste temperature u vreloj vodi. Vruća tijela zatim premjestimo brzo u posude s vodom sobne temperature. Hladna voda u posudama će se zagrijati prenesenom toplinom ali do različitih temperatura.
Iako su sva tri tijela iste temperature (100°) ona nisu prenijela istu količinu topline Q jer to ovisi o njihovom toplinskom kapacitetu.

Toplinski kapacitet tijela je količina topline koju tijelo treba primiti da bi mu se temperatura podigla za 1°.
A specifični toplinski kapacitet normira tu toplinu na 1 kg mase.

Tijela odnosno tvari s malim toplinskim kapacitetom brzo se zagriju već kod kratkotrajnog izlaganja izvoru topline, dok one s relativno velikim toplinskim kapacitetom moramo dugo izložiti djelovanju nekog toplinskog izvora da bi mu se temperatura tek malo promijenila.

U svakodnevnom životu doživljavamo toplinski kapacitet obično dok čekamo da nam zavrije voda. Pa izračunajmo koliko vremena treba da npr. u mikrovalnoj pećnici snage 900 W zavrije 1 litra hladne vode početne temperature 13 °C?
Ako zanemarimo gubitke pretpostavimo da se sva energija pećnice pretvara u toplinu. Tada je snaga pećnice P pomnožena s vremenom grijanja t sva energija koja kao toplina Q prelazi u vodu.

Sada možemo izlučiti vrijeme t:

Dakle ako nam se vrijeme čekanja da voda zavrije čini dugo, to je zato što voda ima veliki toplinski kapacitet.

To ćemo lako pokazati pokusom u kojem ćemo plamenu šibice podvrgnuti zrak i vodu.

Od pribora će nam trebati samo dva ili više balona i šibice odnosno upaljač, a može i svijeća. Dječji balon napuhat ćemo tako da bude dobro zategnut. Zatim ćemo balonu prinijeti plamen šibice ili upaljača. BOOM!!! Balon će istog časa puknuti uz jaki prasak. I to nije ništa neočekivano jer za tu pojavu većina zna iz iskustva. No u drugom dijelu pokusa pokazat ćemo da balon može podnijeti dugotrajno grijanje otvorenim plamenom, a to baš nije svakom poznato.

Sad ćemo drugi balon napuniti hladnom vodom iz slavine. On će se zbog težine vode izduljiti. Prinesemo li tako napunjenom balonu otvoreni plamen on neće puknuti, pa čak niti nakon dužeg grijanja. Da pokus bude dramatičniji za publiku, možemo balon zajedno s upaljenim plamenom držati iznad glave, a da smo pri tom posve sigurni da neće procuriti. Uostalom ako i procuri bit će zabavno.

Kako je to moguće?

Budući da je promjena temperature ΔT obrnuto razmjerna toplinskom kapacitetu c tijelo većeg kapaciteta imat će manju promjenu temperature za istu količinu dovedene topline Q.

Prvo toplinsko svojstvo koje razlikuje vodu i zrak u opisanom pokusu je toplinski kapacitet c koji za vodu iznosi c = 4187 J·kg^-1·K^-1, dok je kapacitet zrak četiri puta manji. Vodi zato možemo dugo dovoditi toplinu a da joj se temperatura tek malo povisi.

Drugo važno svojstvo je toplinska vodljivost λ. Mjerna je jedinica toplinske provodnosti vat po kelvinu i metru (W/mK). Za vodu iznosi λ = 0,57 W·K^-1·m^-1, dok je za zrak vodljivost λ = 0,025 W·K^-1·m^-1.

Voda dakle ima oko 22 puta bolju toplinsku vodljivost. Iz navedenih je podataka očito da će isti plamen brže predavati toplinu sa opne balona u vodu, pa će se zbog njenog kapaciteta i vodljivosti, temperatura opne balona tek neznatno podići. Dok s druge strane zrak u balonu niti prima toplinu (zbog malog kapaciteta), niti odvodi toplinu sa gumene opne. Zato toplinu plamena preuzme stijenka balona i on odmah pukne.