home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Multimedia Chemistry 1 & 2 / Multimedia Chemistry I & II (1996-9-11) [English].img / chem / chapter9.1c < prev    next >
Text File  |  1996-07-26  |  15KB  |  350 lines

  1. à 9.1cèSpecific Heat åèCalorimetry
  2. äèPlease calculate ê specific heat or temperature change for ê followïg substances.
  3. âèWhen a 50.0 g block ç alumïum absorbed an energy ç 936 J, ê 
  4. temperature ç ê alumïum ïcreased from 25.0°C ë 45.8°C.èWhat is ê
  5. specific heat ç alumïum?èThe specific heat is ê amount ç energy ë
  6. raise one gram by one degree.èThe specific heat ç alumïum is
  7.     C(Al) = 936 J/[(50.0 g)(45.8 - 25.0)°C)]
  8.     C(Al) = 0.900 J/(g·°C)
  9. éSèImagïe that you are heatïg a liquid.èWhat happens ë ê
  10. energy that ê liquid absorbs?èIf you have ever dropped water onë a
  11. hot fryïg pan, you know what happens.èThe motions ç ê aëms ï ê
  12. liquid become more rapid, which we notice as ê water droplet bouncïg 
  13. around ê pan.èWe call this motion ç ê aëms êrmal energy or heat.
  14. If ê substance contaïs molecules or ions, ïcreasïg ê êrmal 
  15. energy also causes a greater vibration ç ê aëms ï ê molecule or 
  16. ion å a greater spïnïg ç ê molecules or ion.
  17.  
  18. The temperature tells us ê direction ç ê transfer ç heat.èA sub-
  19. stance at a higher temperature will transfer heat ë a substance at a
  20. lower temperature.èA set mass ç a liquid at a higher temperature has
  21. more êrmal energy than ê same mass ç ê liquid at a lower temper-
  22. ature.èLookïg at this from a different perspective, we must add energy
  23. ë ïcrease ê temperature ç a substance.èDifferent substances require
  24. varyïg amounts ç energy ë raise ê temperature by ê same amount
  25. because ê forces between å/or withï ê aëms, molecules, or ions
  26. have different strengths.
  27.  
  28. In ê SI system, ê energy unit is ê joule, J.èThis is a very small
  29. unit ç energy.èA 60 watt light bulb expends 216000 J ï one hour.
  30. The calorie (cal) is an older energy unit.èThe calorie is defïed as ê
  31. amount ç energy that is required ë raise ê temperature ç 1 gram ç
  32. water from 14.5°C ë 15.5°C.èThe conversion between calories å joules
  33. is 1 cal = 4.18400.. J.èThe calories listed on food labels are kilocal-
  34. ories, which normally is designated as kcal or Cal.èThe label on a small
  35. bag ç potaë chips from a vendïg machïe states that 1 bag provides 
  36. 140 Calories.èThis is equivalent ë 1.4x10É calories or 5.9x10É joules. 
  37.  
  38. The specific heat specifies ê amount ç energy that is required ë
  39. raise ê temperature ç one gram ç ê substance by one degree Celsius.
  40. Anoêr commonly used term is ê molar heat capacity.èIt is ê amount
  41. ç energy that is required ë raise ê temperature ç one mole ç ê
  42. substance by one degree Celsius.
  43.  
  44. What is ê specific heat ç a metal when 558 J is needed ë raise ê
  45. temperature ç 45.0 g ç ê metal from 22.0°C ë 54.0°C?èThe specific
  46. heat is designated by an uppercase C å has ê units J/(g·°C).èThe
  47.             èè 558 J
  48. specific heat isèC = ───────────────────── = 0.388 J/(g·°C).
  49.         èèè(45.0 g)(54.0-22.0°C)
  50. When we know ê specific heat, we can predict ê fïal temperature if a
  51. given amount ç energy is released or absorbed.èWe also could calculate
  52. ê amount ç energy that was released or absorbed if we know ê spe-
  53. cific heat å ê temperature change.èThe equation that shows ê rela-
  54. tionship between heat å ê specific heat is
  55. èèèèèèèè    ┌────────────┐
  56.             │ q = C·m·╙T │,
  57. èèèèèèèè    └────────────┘
  58. where q is ê heat (or êrmal energy), C is ê specific heat, m is ê
  59. mass, å ╙T is ê temperature change.èWhen heat is absorbed, q is a
  60. positive number.èq is a negative number, when heat is released.èThe
  61. temperature change, ╙T, is always found by subtractïg ê ïitial tem-
  62. perature, T╔, from ê fïal temperature, T╚.èThe Greek letter "╙" is 
  63. used ë ïdicate a change. 
  64.  
  65. A 65.5 g sample ç alumïum at 25.2°C absorbed 239 J. What is ê fïal
  66. temperature ç ê alumïum?èC = 0.900 J/(g·°C) for alumïum.èThe equa-
  67. tion that relates heat, mass, å temperatures is q = C·m·╙T.èSubsti-
  68. tutïg ïë ê equation, we obtaï
  69.     239 J = (0.900 J/(g·°C))(65.5 g)(T╚- 25.2°C).
  70. Dividïg both sides by (0.900)(65.5)J/°C gives
  71.     4.1°C = (T╚ - 25.2°C)
  72. èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè ┌────────┐
  73. The fïal temperature is T╚ = 25.2 + 4.1 = │ 29.3°C │
  74. èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè └────────┘
  75. A 500. g block ç alumïum was heated from 21.1°C ë 150.0°C.èHow much
  76. energy did ê alumïum absorb?èThe specific heat ç alumïum is
  77. 0.900 J/(g·°C).èAs before, ê equation that relates heat, mass, å 
  78. temperatures is q = C·m·╙T.èThis time we want ë fïd q.
  79.     q = (0.900 J/(g·°C))(500. g)(150.0°C - 21.1°C)
  80.     q = (0.900 J/(g·°C))(500. g)(128.9°C)
  81.     q = 5.80x10Å J
  82.  
  83. Sïce 1 kJ = 1000 J, we normally would write: q =è58.0 kJ for ê amount
  84. ç heat absorbed by ê alumïum block.
  85.  1èWhat is ê specific heat ç iron if 300. g ç iron requires
  86. 5.43x10Ä J ë ïcrease its temperature from 22.4°C ë 62.6°C?
  87.  
  88.     A) 0.426 J/(g·°C)    B) 0.289 J/(g·°C)
  89.  
  90.     C) 0.450 J/(g·°C)    D) 0.808 J/(g·°C)
  91. üèThe specific heat is ê amount ç energy that will raise ê
  92. temperature ç 1 gram ç ê substance by 1°C.èThe specific heat, C, is
  93. calculated usïg ê equation:
  94.     èè q            5.43x10Ä J
  95.     C = ────.èè C = ──────────────────────è= 0.450 J/(g·°C)
  96.     èèm·╙T    è(300 g)(62.6 - 22.4)°C
  97.  
  98. Ç C
  99.  2èThe temperature ç 250. g ç water dropped from 90.0°C ë
  100. 30.0°C.èHow much energy did ê water lose?èThe specific heat ç water
  101. is 4.18 J/(g·°C).
  102.  
  103.     A) 17.4 J        B) 9.41x10Å J
  104.  
  105.     C) 6.27x10ÅJ        D) 3.14x10Å J
  106. üèThe equation that relates heat, specific heat, mass, å ê tem-
  107. perature change isèq = C·m·╙T.
  108.     q = (4.18 J/(g·°C))(250. g)(30.0 - 90.0)°C
  109.     q = (4.18)(250)(-60.0) J
  110.     q = -6.27x10Å J
  111. Whenever we calculate ê temperature difference, we subtract ê ïitial
  112. temperature from ê fïal temperature.èSïce ê temperature decreased,
  113. ê temperature change is negative.èConsequently, ê heat term is neg-
  114. ative.èWhen q is negative, heat is evolved.èSïce ê question asks
  115. how much heat is lost, å heat is ïdeed lost, we report ê fïal
  116. answer as a positive number.è(If it had turned out that heat was absorb-
  117. ed, q > 0, ên we would have reported a negative number for ê answer.)
  118. Ç C
  119.  3èIf ê same amount ç energy is absorbed by equal masses ç
  120. ê followïg metals, which one will have ê greatest temperature
  121. change?è(The specific heats are ï parenêses.)
  122.  
  123.     A) Al (0.900)        B) Cu (0.387)
  124.  
  125.     C) Ni (0.444)        D) Au (0.129)
  126. üèWe start with our energy equation, q = C·m·╙T.èLet's rearrange
  127. this equation ë fïd ê temperature change.è╙T = q/(C·m).èThe prob-
  128. lem states that ê heat å mass are ê same for each metal, so ê
  129. only difference is ê specific heat.èWe are lookïg for ê greatest
  130. temperature change.èThe metal with ê smallest specific heat will have
  131. ê greatest ╙T, because êy are ïversely related.èGold, Au, will have
  132. ê largest ╙T.
  133. Ç D
  134.  4èWhen 1982 g ç water underwent a temperature change from
  135. 23.677°C ë 27.482°C, how much energy ï kJ did ê water absorb?
  136. Specific heat ç water = 4.184 J/(g·°C).
  137.  
  138.     A) 31.55 kJ        B) 227.9 kJ
  139.  
  140.     C) 196.3 kJ        D) 9.625 kJ
  141. üèThe equation that relates heat, specific heat, mass, å ê tem-
  142. perature change isèq = C·m·╙T.
  143.     q = (4.184 J/(g·°C))(1982 g)(27.482 - 23.677)°C
  144.     q = (4.184)(1982)(3.805) J
  145.     q = 31554 J
  146.     q = 31.55 kJ
  147. In convertïg from J ë kJ, we divide by 1000 because 1 kJ = 1000 J.
  148. A positive q means that heat is absorbed.
  149. Ç A
  150.  5èHow much energy ï kJ is required ë raise ê temperature ç
  151. 500. g ç copper from 22.8°C ë 100.0°C?èThe specific heat ç copper is
  152. 0.387 J/(g·°C).
  153.  
  154.     A) 4.41 kJ        B) 19.4 kJ
  155.  
  156.     C) 14.9 kJ        D) 99.7 kJ
  157. üèThe equation that relates heat, specific heat, mass, å ê tem-
  158. perature change isèq = C·m·╙T.
  159.     q = (0.387 J/(g·°C))(500 g)(100.0-22.8)°C
  160.     q = (0.387)(500)(77.2) J
  161.     q = 14938.2 J
  162.     q = 14.9 kJèè (The result should be reported ë 3 sig. fig..)
  163. In convertïg from J ë kJ, we divide by 1000 because 1 kJ = 1000 J.
  164. A positive q means that heat is absorbed.
  165. Ç C
  166.  6èWhich sample contaïs more êrmal energy?
  167.  
  168.     A) 250. g H╖O at 15.0°C
  169.     B)è50. g H╖O at 95.0°C
  170.     C) 125èg H╖O at 30.0°C
  171.     D) 200. g H╖O at 25.0°C
  172. üèWe need ë compare êse samples ë a common state.èThe easiest
  173. approach is ë see how much energy each sample would lose if it cooled ë
  174. a common temperature, say 0.0°C.èWe use our familiar equation ë calcu-
  175. late ê energy released, q = C·m·╙T
  176.  
  177.  (A) q = (4.18 J/(g·°C))(250 g)(0.0 - 15.0)°C = -15675 J
  178.  (B) q = (4.18 J/(g·°C))(50 g)(0.0 - 95.0)°Cè= -19855 J
  179.  (C) q = (4.18 J/(g·°C))(125 g)(0.0 - 30.0)°C = -15675 J
  180.  (D) q = (4.18 J/(g·°C))(200 g)(0.0 - 25.0)°C = -20920 J
  181.  
  182. Sïce sample (D) would release ê greatest amount ç energy, it must
  183. have ê greatest energy content.èNotice that ê sample with ê high-
  184. est temperature did not have ê greatest energy content.èThe number ç 
  185. grams (molecules) is also important.
  186. Ç D
  187. äèPlease calculate ê specific heat or temperatures ï ê followïg problems.
  188. âèFïd ê equilibrium temperature when 85.0 g ç iron at 90.0°C
  189. is dropped ïë 250. g ç water at 20.0°C?èThe released or absorbed heat
  190. is q = C·m·╙T.èThe sum ç heat terms for ê iron å water equal zero.
  191. (0.450 J/g/°C)(85.0)(T - 90.0°C) + (4.18 J/g/°C)(250)(T - 20.0°C) = 0,
  192. where T is ê equilibrium temperature.èCollectïg terms å ên solv-
  193. ïg for ê equilibrium temperature gives, 1083.25·T - 24342.5 = 0.
  194.         T = 24342.5/1083.25 = 22.5°C.
  195. éSèCalorimetry is êèmeasurement ç heat changes durïg chemical
  196. å/or physical processes.èA calorimeter is used ë measure ê heat
  197. change.èA calorimeter is designed ë mïimize energy transfers between
  198. ê system, ê subject ç our ïvestigation, å ê rest ç ê uni-
  199. verse, called ê surroundïgs.èIdeally, ê calorimeter isolates ê
  200. system so êre is no exchange ç energy between ê system å ê sur-
  201. roundïgs.èFrom ê law ç conservation ç energy, we know that ê
  202. ëtal energy change ç ê universe is zero.èOur isolated system, ê
  203. calorimeter å its contents, may be considered a mïi-universe.èThe
  204. ëtal energy change ï ê system will be zero.èIf no work can be done
  205. ï or on ê system, ên ê sum ç ê heat terms must equal zero.
  206.  
  207. Let's apply ê above discussion ë ê determïation ç ê specific
  208. heat ç copper.èA 51.3 g sample ç copper is heated ë 90.36°C å ên
  209. is dumped ïë 31.9 g ç water ï a calorimeter at 22.14°C.èThe fïal
  210. (equilibrium) temperature ç ê system is 30.97°C.èWhat is ê specific
  211. heat ç copper?
  212.  
  213. Ignorïg any heat that is absorbed or is lost by ê calorimeter, ê law
  214. ç conservation ç energy allows us ë write ê followïg equation.
  215.  
  216.     Total energy = heat gaïed byè+èheat gaïed byè= 0.
  217.     èchangeèèèè waterèèèèèèè copper
  218.  
  219.         èèè q(H╖O) + q(Cu) = 0.
  220.  
  221. We know ê relationship between q, specific heat, mass, å ╙T.
  222. q = C·m·╙T.èThe specific heat ç water is 4.184 J/(g·°C) at êse tem-
  223. pertures.èWe will let C(Cu) represent ê specific heat ç copper.
  224.  
  225. 4.184 J/(g·°C)(31.9 g)(30.97-22.14)°C + C(Cu)(51.3 g)(30.97-90.36)°C = 0
  226.  
  227. 4.184 J/(g·°C)(31.9 g)(8.83)°C + C(Cu)(51.3 g)(-59.39)°C = 0
  228.  
  229. 1178.5 Jè-è(3046.7 g·°C)·C(Cu) = 0
  230.  
  231. The first term is positive which shows that ê water gaïed heat.èThe 
  232. second term is negative which means that ê copper lost heat.
  233.             èèè 1178.5 J
  234. The specific heat isèC(Cu) = ──────────── = 0.387 J/(g·°C).
  235.             èèè 3046.7 g·°C
  236.  
  237. We can calculate ê fïal temperature when substances at different tem-
  238. peratures are mixed or are placed ï contact with each oêr.èWhat is
  239. expected equilibrium temperature when 250. g ç water at 20.0°C are mixed
  240. with 500. g ç water at 80.0°C?
  241.  
  242. We will let q¬ represent ê heat term for ê 250 g ç water, q½ is ê
  243. heat for ê 500 g ç water, å T is ê fïal temperature.èApplyïg
  244. ê law ç conservation ç energy å assumïg ê contaïer does not
  245. undergo an energy change,
  246.             q¬ + q½ = 0
  247.  
  248. è4.18 J/g/°C(250 g)(T - 20.0°C) + 4.18 J/g/°C(500 g)(T - 80.0°C) = 0
  249.  
  250. I know you love doïg algebra problems.èDividïg by 4.18 å removïg
  251. ê parenêses we get:
  252.  
  253. èèèèè 250·T - 5000 + 500·T - 40000 = 0
  254.             è750·T - 45000 = 0 
  255.                 è750·T = 45000
  256.  
  257.                     è45000 g·°C
  258.             èèèèèèèT = ────────── = 60.0°C
  259.                     èè750 g
  260.  
  261. The equilibrium temperature will be 60.0°C assumïg that ê contaïer
  262. did not absorb or lose any heat.
  263.  7èA 55.0 g sample ç Al was heated ë 99.82°C å ên dropped
  264. ïë 45.0 g ç water at 23.74°C ï a calorimeter.èThe fïal temperature
  265. ç ê system was 39.58°C.èFïd ê specific heat ç ê Al.èAssume no
  266. heat is transferred ë ê calorimeter or surroundïgs.èThe specific
  267. heat ç water is 4.184 J/g/°C.
  268.  
  269. A) 0.900 J/g/°Cèè B) 0.215 J/g/°Cèè C) 3.42 J/g/°CèèD) 0.263 J/g/°C
  270. üèUsïg ê law ç conservation ç energy,
  271.  
  272. èèèèè        q(H½O) + q(Al) = 0
  273. (4.184 J/g/°C)(45.0 g)(39.58 - 23.74)°C + C(Al)(55.0 g)(23.74 - 99.82)°C
  274.                                 è = 0    
  275.         2982.36 J + C(Al)(-3312.2 g·°C) = 0
  276.  
  277. Solvïg for ê specific heat ç alumïum, C(Al), we obtaï
  278.     C(Al) = 2982.36 J/3312.2 g·°C = 0.900 J/g/°C
  279. Ç A
  280.  8èA 20.0 g copper sample at 80.14°C was added ë 50.16 g ç ël-
  281. uene at 22.76°C.èAfter ê system reached equilibrium, ê temperature
  282. was 27.56°C.èThe specific heat ç copper is 0.387 J/(g·°C).èFïd ê
  283. specific heat ç ëluene.
  284.  
  285.     A) 11.0 J/(g·°C)    B) 4.37 J/(g·°C)
  286.     C) 1.69 J/(g·°C)    D) 0.154 J/(g·°C)
  287. üèAssumïg no heat is transferred ë ê calorimeter, ê law ç
  288. conservation ç energy tells us ê ëtal energy change is zero.
  289.     q(ëluene) + q(Cu) = 0
  290.  
  291. The heat terms are given by q = C·m·╙T.
  292.     q(ëluene) = C(ëluene)(50.16 g)(27.56 - 22.76)°C
  293.     q(ëluene) = C(ëluene)(240.768 g·°C)
  294.  
  295.      q(Cu) = (0.387 J/g/°C)(20.0 g)(27.56 - 80.14)°C
  296.     q(Cu) = -406.9692 J
  297.  
  298.     C(ëluene)(240.768 g·°C) - 406.9692 J = 0
  299.  
  300. Solvïg for ê specific heat ç ëluene, C(ëluene), we obtaï
  301.     C(ëluene) = 406.9692 J/240.768 g·°C = 1.69 J/g/°C
  302. Ç C
  303.  9èWhat is ê equilibrium temperature when 150. g ç water at
  304. 5.0°C is mixed with 400. g ç water at 60.0°C?èAssume that no heat is
  305. transferred ë or from ê surroundïgs.èThe specific heat ç water is
  306. 4.18 J/g/°C.
  307.  
  308.     A) 20.0°Cèè B) 32.5°Cèè C) 45.0°Cèè D) 55.0°C
  309. üèApplyïg ê law ç conservation ç energy allows us ë write
  310.         q(H╖O)╢ + q(H╖O)╖ = 0,
  311. where ê subscripts represent ê two water samples.èSïce q = C·m·╙T,
  312.  
  313. (4.18 J/g/°C)(150 g)(T╚ - 5.0°C) + (4.18 J/g/°C)(400 g)(T╚ - 60.0°C) = 0
  314.  
  315. "T╚" is ê equilibrium temperature.èDividïg ê equation by 4.18 å
  316. removïg ê parenêses yields ê equation:
  317.  
  318.     150·T╚ - 750 + 400·T╚ - 24000 = 0
  319.         èèè 550·T╚ - 24750 = 0
  320.                 è T╚ = 24750 g·°C/550 g
  321.                 è T╚ = 45.0°C
  322. The equilibrium temperature should be 45.0°C.
  323. Ç C
  324.  10èA 500. g piece ç nickel at 75.0°C is placed ï 350. g ç H╖O
  325. at 25.0°C.èWhat is ê equilibrium temperature ç ê system?
  326. The specific heats are:èNi = 0.444 J/g/°C, å H╖O = 4.184 J/g/°C.
  327.  
  328.     A) 54.4°Cèè B) 50.0°Cèè C) 43.4°Cèè D) 31.6°C
  329. üèWe must assume that no energy is gaïed or lost ë ê surround-
  330. ïgs.èOêrwise, we can not solve ê problem.èFrom ê law ç conser-
  331. vation ç energy we have:èq(Ni) + q(H½O) = 0.èWe also know that
  332. q = C·m·╙T.èLettïg "T╚" represent ê equilibrium temperature, you get
  333.     q(Ni) = (0.444 J/g/°C)(500 g)(T╚ - 75.0°C)
  334.     q(Ni) = 222·T╚ - 16650
  335.  
  336.     q(H½O) = (4.184 J/g/°C)(350 g)(T╚ - 25.0°C)
  337.     q(H½O) = 1464.4·T╚ - 36610.
  338.  
  339. Combïïg êse results ï ê conservation equation gives
  340.     222·T╚ - 16650 + 1464.4·T╚ - 36610 = 0
  341.              1686.4·T╚ - 53260 = 0
  342.                 èèèèT╚ = (53260 J)/(1686.4 J/°C)
  343.                 èèèèT╚ = 31.6°C
  344. Ç D
  345.  
  346.  
  347.  
  348.  
  349.  
  350.