Warum senkt die Zugabe von gelösten Stoffen zu reinem Wasser die spezifische Wärme?

Wir haben festgestellt, dass Wasser mit darin gelöstem Salz, Zucker oder Natron schneller abkühlt als reines Wasser.
Wasser hat eine sehr hohe spezifische Wärme; Wie senken diese gelösten Stoffe es?

Wir erhitzten einen Becher (300 ml) Wasser auf 90 °C und ließen ihn abkühlen, wobei wir alle 5 Minuten die Temperatur überprüften. Wir wiederholten das Experiment und fügten einen Esslöffel Salz hinzu. Bei jedem 5-Minuten-Intervall war die Temperatur für reines Wasser höher als für Salzwasser. Dasselbe Ergebnis mit Backpulver und Zucker.

Langsameres Abkühlen bedeutet höhere spezifische Wärme, nicht wahr?
Ich mag die Frage, aber bitte lösen Sie das Problem niedriger / langsamer.
Bitte beschreiben Sie auch das Experiment besser: Messen Sie die Abkühlung vom Siedepunkt oder von 100 Grad? Es ist wichtig, weil die Abkühlung offensichtlich exponentiell ist und als solche d T d t variiert bei unterschiedlichen Temperaturen.
Wie oben erwähnt, erhöht es seine spezifische Wärme, beachten Sie auch, dass es im Allgemeinen seinen Sättigungspunkt und Gefrierpunkt bei einem bestimmten Druck erhöht. Außerdem bleibt normalerweise eine gesättigte Flüssigkeit in der Temperatur konstant, während sie eine Phasenänderung durchläuft, jedoch bleibt eine Lösung in der Temperatur nicht konstant. Diese Phänomene sind alle von der gleichen Art. Wenn Sie also die Frage ändern, können Sie diese ebenfalls einbeziehen
Man könnte argumentieren, dass dies eine Frage der Chemie ist, aber für mich scheint es, als würde man nach der physikalischen Erklärung hinter einem chemischen Phänomen fragen. Ich mag das.
Die Frage ist klar - wenn gelöster Stoff hinzugefügt wird, kühlt die Lösung schneller ab als reines Wasser (größere Temperaturänderung bei Messung in festen Intervallen). Davon abgesehen weiß ich die Antwort nicht. aber die Frage ist klar
Wie unterschiedlich war die Temperatur, kannst du Werte posten? Haben Sie für jede Wasserlösung nur eine Messung durchgeführt? Wo sie nacheinander oder gleichzeitig gemessen? Falls sie nacheinander gemessen wurden - haben Sie die Umgebungstemperatur kontrolliert?
Wie war das Verhältnis der Änderung der spezifischen Wärme des Wassers zur nicht gelösten spezifischen Wärme des gelösten Stoffes?

Antworten (7)

Ich glaube, der Grund liegt darin, dass die Lösung Wassermoleküle in einem Käfig um sie herum einschließt. Der Grund, warum Wasser eine hohe spezifische Wärme hat, liegt darin, dass es sich frei um seinen Massenschwerpunkt drehen kann, es gibt eine große Anzahl von Freiheitsgraden, die im reinen Wasser zufällig vibrieren und rotieren können. Wenn Sie Moleküle in Lösung haben, fangen sie mehrere Wassermoleküle in ihrer Nähe in einer steifen Konfiguration mit der niedrigsten Energie ein, und diese Moleküle sind wie ein winziger starrer Körper, in dem keine thermische Bewegung möglich ist, da das Quantum der Schwingungsfrequenz höher als kT ist. Dies reduziert die spezifische Wärme um einen Betrag, der direkt proportional zum gelösten Stoff ist.

Dies ist wahrscheinlich bei Salz am stärksten, da die geladenen ionischen gelösten Stoffe einen sehr starken Käfig erzeugen. Ich würde erwarten, dass die Wirkung bei Alkoholen schwächer ist, bei Zuckern noch schwächer, da ich denke, dass die geladenen Gruppen in dieser Reihenfolge weniger geladen sind.

Die offensichtliche Antwort für zumindest einen Teil davon betrifft einfach die neue Substanz.

Wasser hat eine ziemlich hohe spezifische Wärme. Sie ist größer als die von Zucker, Salz, Backpulver usw. Die spezifische Wärme der Kombination (Lösung) dieser beiden liegt irgendwo zwischen der von beiden allein (wahrscheinlich ein gewichteter Massenmittelwert), einfach aufgrund der Temperaturänderung tritt bei beiden Stoffen auf und nicht nur bei einem

Ich vermute jedoch, dass diese Antwort unvollständig ist. Es könnte ein anderes Phänomen im Spiel sein, um die Abkühlungsunterschiede zu erklären, vielleicht im Zusammenhang damit, wie der gelöste Stoff die Temperatur von Phasenänderungen ändert (dh höherer Siedepunkt, niedrigerer Gefrierpunkt).

Ja, das ist das gleiche Gefühl, das ich habe. Ich frage mich, inwieweit diese Phänomene im letzten Absatz wichtig sind. Vielleicht Dissoziation der Wassermoleküle in H 2 , Ö 2 und die Schaffung einiger neuer Verbindungen muss ebenfalls berücksichtigt werden. Ich bin mir aber nicht sicher, ob dies die spezifische Wärme erhöht oder verringert. Hat jemand Lust, näher darauf einzugehen?
@Marek: die einzige Möglichkeit, Wasser umzuwandeln H 2 und Ö 2 ist Stabelektroden drin. Dissoziation zu H + und Ö H − hängt nicht (in erster Ordnung) von der Salzkonzentration ab.
Jawohl. es sind die Salze, die in Elektrolyte dissoziieren. Die Wasserdissoziation erfolgt entweder elektrisch oder auf die von Gigacyan beschriebene Base/Säure-Weise
Es ist nicht die richtige Erklärung, weil das Salz dem Wasser hinzugefügt wurde, es war nicht die gleiche Menge Salzwasser

Wenn Ihre Beschreibung des Experiments korrekt ist, ist das Ergebnis, das Sie erhalten haben, unerwartet. Es stimmt, dass die spezifische Wärmekapazität von Salzlösung (pro Masseneinheit ) geringer ist als die von reinem Wasser, man kann es so abschätzen

C p = w C p s a l t + ( 1 − w ) C p H 2 Ö
wobei w der Massenanteil von Salz ist. Wie Sie es beschreiben, haben Sie die Masse jedoch nicht konstant gehalten, sondern erhöht, indem Sie einem festen Wasservolumen etwas Salz hinzugefügt haben, sodass Ihre Gesamtwärmekapazität die Summe der Wärmekapazität von Wasser sein sollte (die für alle gleich ist). Proben) und Salz, Zucker oder Natron.

Da w in Ihrem Experiment etwa 0,04 betrug, war der von Ihnen gemessene Effekt ziemlich klein und könnte leicht kleiner sein als der experimentelle Fehler. Dieser Fehler besteht in der Genauigkeit der Messung des Wasservolumens, der Temperaturmessung und des Timings. Der einfachste Weg, diese Fehler zu reduzieren, besteht darin, jedes Experiment mehrmals in zufälliger Reihenfolge zu wiederholen und zu sehen, ob die Ergebnisse konsistent sind.

Update : Ich habe ein Diagramm der spezifischen Wärme von Sodalösungen gefunden und die Wärmekapazität für zwei Fälle berechnet: a) 300 ml reines Wasser und b) 300 ml Wasser + 12,5 g Soda = 312,5 g 4% ige Sodalösung. Die Wärmekapazität einer reinen Wasserprobe wäre 1254 J/K und die von Wasser mit Soda 1276 J/K - wie ich erwartet habe, ist sie höher, aber der Unterschied beträgt weniger als 2%.

Wir wiederholten die Experimente mehrmals und mit verschiedenen gelösten Stoffen: Zucker und Backpulver. Die Unterschiede in der Abkühlungsgeschwindigkeit waren gering, aber konsistent.
@Anne: Verstehe ich das richtig, dass du in beiden Fällen 300 ml Wasser hattest? Das heißt, Sie haben die Kühlung von 300 g reinem Wasser mit 312 g Salzwasser verglichen?
300 ml Wasser; 1 Esslöffel = 15 ml Salz. Habe auch 3 EL Zucker probiert, außerdem 1 EL Backpulver.
@Anne: Hast du für jede Wiederholung eine neue Wasserlösung vorbereitet oder dieselbe wiederverwendet? Versuchen Sie auch, die spezifische Wärme basierend auf Ihren Beobachtungen zu berechnen. Tun Sie dies, zeichnen Sie log (T) gegen die Zeit auf und machen Sie eine lineare Anpassung. Die Steigung der Geraden ist umgekehrt proportional zur Wärmekapazität. Verwenden Sie die Wärmekapazität von reinem Wasser als Referenz und berechnen Sie Werte für andere Lösungen. Es wäre hilfreich, wenn Sie die Menge des hinzugefügten Salzes kennen, aber Sie können eine Kochtabelle für eine Schätzung verwenden (1 EL Salz sind 12,5 g).
Ich bereitete jedes Mal eine neue Wasserlösung vor, wenn wir einen neuen gelösten Stoff ausprobierten.
Es ist für mich schwer zu verstehen, warum Sie ein solches Verhalten beobachtet haben, ohne alle Daten zu sehen. Wenn Menschen ihre Ergebnisse in wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlichen, versuchen sie, so genau wie möglich zu sein, um Missverständnisse zu vermeiden. Vielleicht könnten Sie ein Temperatur-Zeit-Diagramm posten, damit wir sehen können, wie groß der Unterschied war, den Sie beobachtet haben.
@gigacyan: Man kann die Verringerung der spezifischen Wärmeänderung abschätzen, indem man annimmt, dass einige Wassermoleküle für jedes Ion in der Salzlösung aus dem Rotationsmodus ausfrieren. etwa 1 davon hebt die durch das Ion hinzugefügte spezifische Wärme auf (nur positionell, wie ideales Gas, 3/2 kT), und das verbleibende ausgefrorene Wasser reduziert die spezifische Wärme ungefähr um das Verhältnis der Anzahl der rotationsgefrorenen Wasser minus eins zur Zahl der Ionen. Daher sollte der Verlust an spezifischer Wärme ungefähr in der gleichen Größenordnung liegen wie die spezifische Wärme des gelösten Stoffes selbst, wenn er nicht in Lösung ist.
  • Der Einfluss von Salz etc. auf die Wärmekapazität ist wahrscheinlich vernachlässigbar, und die Frage in der Kopfzeile kann irreführend sein.
  • Das Abkühlen von Wasser in einem Becherglas wird normalerweise durch Konvektion angetrieben. Flüssigkeit auf der Lösung im Becherglas kühlt schnell ab und hat dann eine höhere Dichte als die heiße Flüssigkeit am Boden. Die kalte Flüssigkeit fällt herunter, heiße kommt hoch, kühlt ab, fällt herunter und so weiter.
  • Die Konvektion hängt vom Dichtegradienten in der Flüssigkeit ab. Der gelöste Stoff kann die Konvektion verringern, da der Dichteunterschied, der die Konvektion antreibt, für verschiedene Lösungen unterschiedlich sein kann.
  • Die zu betrachtende Größe ist die Dichte als Funktion der Temperatur (oder äquivalent der Wärmeausdehnungskoeffizient) für Salzlösungen gegenüber den entsprechenden Daten für reines Wasser.
  • Diese Frage sollte beim Wärmeaustausch von Meerwasser eine Rolle spielen und dort schon mal diskutiert worden sein.

Ich finde einen nützlichen Weg, um über spezifische Wärme nachzudenken:

Wie viel Wärme enthält der Stoff bei Raumtemperatur? Wenn es viel Wärme enthält, macht das Hinzufügen oder Abziehen einer kleinen Wärmemenge keinen großen Unterschied. Wenn es jedoch nur wenig Energie hat, macht das Entfernen der gleichen Menge einen großen Unterschied, da es schnell abkühlt oder aufheizt.

Salz-/Zuckerwasser enthält weniger Wärme als Wasser, daher kühlt und erwärmt es sich schnell.

Die Ionen, die Wassermoleküle „einfangen“, spielen eine Rolle, aber es gibt eine andere, einfachere Erklärung: Die gelöste Substanz steht auch physikalisch im Weg. Stellen Sie sich eine Gruppe von Kindern vor, die in einem Raum herumlaufen. Stellen Sie sich nun vor, Sie hätten an zufälligen Stellen einige ziemlich dicke Leute hinzugefügt. Die Kinder würden gegen sie stoßen und langsamer werden.

Grob gesagt haben schwerere Substanzen eine geringere spezifische Wärme, siehe diese Grafik: http://periodictable.com/Properties/A/SpecificHeat.html

Die massiveren Moleküle bewegen sich langsamer, daher weniger Energie, daher ist das Hinzufügen oder Abziehen von Energie eine große Sache. Diese Erklärung ist jedoch vereinfacht. Wenn sich schwere Moleküle mit einer zu ihrer Masse proportionalen Geschwindigkeit bewegen würden, könnten sie sich immer noch in demselben Muster wie leichte bewegen. Sie tun es jedoch nicht. Wenn alles andere gleich ist, sind schwerere Moleküle größer, was bedeutet, dass sie mehr aufeinander treffen. Es ist nicht wirklich die Geschwindigkeit, sondern die Größe, die am wichtigsten ist.

Endgültige Antwort: Salz- und Zuckerwasser enthalten große Moleküle, die die Bewegung verlangsamen.

Ich denke, dass der Grund, warum Wasser eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität hat, in der Anwesenheit von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen jedem einzelnen Wassermolekül (Polarität) liegt. Diese Wasserstoffbrückenbindungen sind in der Lage, Wärmeenergie zu speichern, und wenn Wasser erhitzt wird, wird ein Teil der Wärmeenergie zur Bindungsenergie und wird gespeichert, daher wird viel mehr Energie benötigt, um ein bestimmtes Wasservolumen um ein Grad zu erwärmen und umgekehrt.

Wenn gelöste Stoffe vorhanden sind, brechen Wasserstoffbrückenbindungen als permanenter Dipol – permanente Dipolwechselwirkungen ändern sich zu Ionen-Dipol-Wechselwirkungen, bei denen, wie oben erwähnt, gelöste Ionen/polare Substanzen jedes Wassermolekül umgeben. Dies führt dazu, dass jedes Wassermolekül aufgrund des Nettoverlusts von Wasserstoffbrückenbindungen mit jedem Wassermolekül seine gegenseitigen Anziehungskräfte verliert.

Schließlich bedeutet die verringerte Anzahl an Wasserstoffbrückenbindungen, dass weniger Energie in ihnen gespeichert werden kann, was die spezifische Wärmekapazität von Wasser verringert.

PS: Das ist nur eine Vermutung

Ich würde +1 Gigacyan geben, aber ich bin unter 15 und kann nicht. Aber ich denke, es gibt eine Antwort, die übersehen wurde, weil Sie direkt in eine bestimmte Hitze gesprungen sind, was der Grund ist.

Stattdessen würde ich argumentieren, dass eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit wichtiger ist. http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/752491.pdf Tabelle 2 in diesem Link enthält die Zahl für die Wärmeleitfähigkeit von Kochsalzlösung. Sie müssen das t des Wassers finden. C. Um zu sehen, ob ich Recht habe. Überprüfen Sie mich noch einmal, aber ich sehe fast die 10-fache Wärmeleitfähigkeit für Kochsalzlösung (598,5) gegenüber Wasser (62) bei etwa 30 Grad C. Ja, das sind nicht die 90 Grad C in Ihrem Experiment.

Sie haben die von Ihnen verwendete Methode nicht erklärt. Daher kann ich keine Fehler einschätzen. Ich bezweifle jedoch, dass Fehler die Ergebnisse stark beeinflussen würden, da Sie ähnliche Ergebnisse für verschiedene gelöste Stoffe / Suspensionen erhalten haben.

Warum senkt die Zugabe von gelösten Stoffen zu reinem Wasser die spezifische Wärme?
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