Specifična toplina je mjera koja se koristi u termodinamici i kalorimetriji koja navodi količinu toplinske energije koja je potrebna za povećanje temperature određene mase određene tvari za neki iznos. Iako se ponekad koriste različite ljestvice mjerenja, ovaj izraz se obično posebno odnosi na količinu potrebnu da se 1 gram neke tvari podigne za 1.8°F (1°C). Iz toga slijedi da ako se tvari doda dvostruko više energije, njena temperatura treba porasti za dvostruko više. Specifična toplina obično se izražava u džulima, jedinici koja se obično koristi u kemiji i fizici za opisivanje energije. Važan je čimbenik u znanosti, inženjerstvu i razumijevanju klime na Zemlji.
Toplina i temperatura
Toplinska energija i temperatura dva su različita pojma, a razumijevanje razlike je važno. Prva je količina u termodinamici koja opisuje količinu promjene koju sustav može uzrokovati u svom okruženju. Prijenos ove energije na objekt uzrokuje brže kretanje njegovih molekula; ovo povećanje kinetičke energije je ono što se mjeri ili doživljava kao povećanje temperature.
Specifična toplina i toplinski kapacitet
Ova dva svojstva se često brkaju. Prvi je broj džula potrebnih da se temperatura određene mase tvari poveća za neku jedinicu. Uvijek se daje “po jedinici mase”, na primjer, 0.45 j/g°C, što je specifična toplina željeza, ili broj džula toplinske energije za podizanje temperature jednog grama željeza za jedan stupanj Celzijusa. Stoga je ova vrijednost neovisna o količini željeza.
Toplinski kapacitet – koji se ponekad naziva i “toplinska masa” – je broj džula potrebnih za podizanje temperature određene mase materijala za 1.8°F (1°Celzija), i jednostavno je specifična toplina materijala pomnožena s njegovom masom. Mjeri se u džulima po °C. Toplinski kapacitet predmeta napravljenog od željeza i težine 100 g bio bi 0.45 X 100, što bi dalo 45j/°C. Ovo svojstvo se može smatrati sposobnošću objekta da skladišti toplinu.
Specifična toplina tvari vrijedi više ili manje u širokom rasponu temperatura, to jest, energija potrebna za povećanje od jednog stupnja u danoj tvari samo neznatno varira s njezinom početnom vrijednošću. Ne primjenjuje se, međutim, kada je tvar podvrgnuta promjeni stanja. Na primjer, ako se toplina kontinuirano primjenjuje na količinu vode, to će proizvesti porast temperature u skladu sa specifičnom toplinom vode. Međutim, kada se postigne vrelište, neće biti daljnjeg povećanja; umjesto toga, energija će ići u proizvodnju vodene pare. Isto vrijedi i za krute tvari kada je dostignuta točka taljenja.
Sada zastarjela mjera energije, kalorija, temelji se na specifičnoj toplini vode. Jedna kalorija je količina energije potrebna za podizanje temperature jednog grama vode za 1.8°F (1°C) pri normalnom tlaku zraka. To je ekvivalentno 4.184 džula. Za specifičnu toplinu vode mogu se dati nešto drugačije vrijednosti, jer ona malo varira s temperaturom i tlakom.
Učinci
Različite tvari mogu imati vrlo različite specifične topline. Metali, na primjer, obično imaju vrlo niske vrijednosti. To znači da se brzo zagrijavaju i brzo hlade; također imaju tendenciju da se značajno šire kako postaju topliji. To ima implikacije za inženjering i dizajn: često se mora uzeti u obzir proširenje metalnih dijelova u strukturama i strojevima.
Voda, naprotiv, ima vrlo visoku specifičnu toplinu – devet puta veću od željeza i 32 puta veću od zlata. Zbog molekularne strukture vode potrebna je velika energija da bi se temperatura čak i za malu količinu povećala. To također znači da se toploj vodi treba dosta vremena da se ohladi.
Ovo svojstvo je bitno za život na Zemlji, jer voda ima značajan stabilizirajući učinak na globalnu klimu. Tijekom zime oceani se polako hlade i oslobađaju značajnu količinu topline u okoliš, što pomaže održavanju globalne temperature razumno stabilnom. S druge strane, ljeti je potrebna velika toplina da bi se temperatura oceana značajno povećala. To ima umjereni učinak na klimu. Kontinentalni interijeri, daleko od oceana, doživljavaju daleko veće ekstreme temperature od obalnih regija.