Capacitatea de căldură este capacitatea de a absorbi anumite cantități de căldură în timpul încălzirii sau de a degaja atunci când este răcită. Capacitatea termică a unui corp este raportul dintre o cantitate infinitezimală de căldură pe care o primește un corp și creșterea corespunzătoare a indicatorilor săi de temperatură. Valoarea este măsurată în J/K. În practică, se utilizează o valoare ușor diferită - căldura specifică.
Definiție
Ce înseamnă căldură specifică? Aceasta este o cantitate legată de o singură cantitate de substanță. În consecință, cantitatea unei substanțe poate fi măsurată în metri cubi, kilograme sau chiar în moli. De ce depinde? În fizică, capacitatea termică depinde direct de unitatea cantitativă la care se referă, ceea ce înseamnă că se disting între capacitatea termică molară, de masă și volumetrică. În industria construcțiilor, nu veți vedea măsurători molare, dar veți vedea altele tot timpul.
Ce influențează capacitatea de căldură specifică?
Ce este capacitatea termică, știi, dar ce valori afectează indicatorul nu este încă clar. Valoarea capacității termice specifice este direct afectată de mai multe componente:temperatura substanței, presiunea și alte caracteristici termodinamice.
Pe măsură ce temperatura unui produs crește, capacitatea sa de căldură specifică crește, dar anumite substanțe prezintă o curbă complet neliniară în această relație. De exemplu, cu o creștere a indicatorilor de temperatură de la zero la treizeci și șapte de grade, capacitatea termică specifică a apei începe să scadă, iar dacă limita este între treizeci și șapte și o sută de grade, atunci indicatorul, dimpotrivă, va crește.
Este de remarcat faptul că parametrul depinde și de modul în care caracteristicile termodinamice ale produsului (presiune, volum și așa mai departe) pot să se modifice. De exemplu, căldura specifică la presiune stabilă și la volum stabil va fi diferită.
Cum se calculează parametrul?
Sunteți interesat de care este capacitatea de căldură? Formula de calcul este următoarea: C \u003d Q / (m ΔT). Care sunt aceste valori? Q este cantitatea de căldură pe care o primește produsul atunci când este încălzit (sau eliberată de produs în timpul răcirii). m este masa produsului, iar ΔT este diferența dintre temperaturile finale și inițiale ale produsului. Mai jos este un tabel cu capacitatea termică a unor materiale.
Ce zici de calculul capacității termice?
Calculul capacității termice nu este o sarcină ușoară, mai ales dacă se folosesc doar metode termodinamice, este imposibil să o faci mai precis. Prin urmare, fizicienii folosesc metodele fizicii statistice sau cunoașterea microstructurii produselor. Cum se calculează pentru gaz? Capacitatea termică a gazuluise calculează din calculul energiei medii a mișcării termice a moleculelor individuale dintr-o substanță. Mișcările moleculelor pot fi de tip translațional și rotațional, iar în interiorul unei molecule poate exista un întreg atom sau vibrație de atomi. Statistica clasică spune că pentru fiecare grad de libertate al mișcărilor de rotație și translație, există o valoare a capacității de căldură molară a gazului, care este egală cu R / 2, iar pentru fiecare grad de libertate vibrațional, valoarea este egală cu R.. Această regulă este numită și legea echipartiției.
În același timp, o particulă dintr-un gaz monoatomic diferă doar cu trei grade de translație de libertate și, prin urmare, capacitatea sa de căldură ar trebui să fie egală cu 3R/2, ceea ce este în acord excelent cu experimentul. Fiecare moleculă de gaz biatomic are trei grade de libertate de translație, două de rotație și unul de vibrație, ceea ce înseamnă că legea echipartiției va fi 7R/2, iar experiența a arătat că capacitatea termică a unui mol de gaz biatomic la temperatura obișnuită este de 5R/ 2. De ce a existat o asemenea discrepanță în teorie? Totul se datorează faptului că la stabilirea capacității termice va fi necesar să se țină cont de diverse efecte cuantice, cu alte cuvinte, să se folosească statistica cuantică. După cum puteți vedea, capacitatea termică este un concept destul de complicat.
Mecanica cuantică spune că orice sistem de particule care oscilează sau se rotește, inclusiv o moleculă de gaz, poate avea anumite valori de energie discrete. Dacă energia mișcării termice în sistemul instalat este insuficientă pentru a excita oscilații cu frecvența necesară, atunci aceste oscilații nu contribuie lacapacitatea termică a sistemului.
În solide, mișcarea termică a atomilor este o oscilație slabă în apropierea anumitor poziții de echilibru, aceasta se aplică nodurilor rețelei cristaline. Un atom are trei grade de vibrație de libertate și, conform legii, capacitatea de căldură molară a unui solid este egală cu 3nR, unde n este numărul de atomi existenți în moleculă. În practică, această valoare este limita la care tinde capacitatea termică a corpului la temperaturi ridicate. Valoarea este atinsă cu schimbări normale de temperatură în multe elemente, acest lucru se aplică metalelor, precum și compușilor simpli. Se determină și capacitatea termică a plumbului și a altor substanțe.
Dar temperaturile scăzute?
Știm deja ce este capacitatea termică, dar dacă vorbim de temperaturi scăzute, cum se va calcula atunci valoarea? Dacă vorbim de indicatori de temperatură scăzută, atunci capacitatea termică a unui corp solid se dovedește a fi proporțională cu T 3 sau așa-numita lege a capacității termice Debye. Principalul criteriu pentru a distinge temperaturile ridicate de cele scăzute este compararea obișnuită a acestora cu un parametru caracteristic pentru o anumită substanță - acesta poate fi temperatura caracteristică sau Debye qD. Valoarea prezentată este stabilită de spectrul de vibrații al atomilor din produs și depinde în mod semnificativ de structura cristalină.
În metale, electronii de conducție au o anumită contribuție la capacitatea de căldură. Această parte a capacității termice se calculează folosindStatistica Fermi-Dirac, care ia în considerare electronii. Capacitatea termică electronică a unui metal, care este proporțională cu capacitatea termică obișnuită, este o valoare relativ mică și contribuie la capacitatea termică a metalului doar la temperaturi apropiate de zero absolut. Apoi, capacitatea de căldură a rețelei devine foarte mică și poate fi neglijată.
Capacitate termică de masă
Căldura specifică de masă este cantitatea de căldură care trebuie adusă la o unitate de masă a unei substanțe pentru a încălzi produsul pe unitate de temperatură. Această valoare este notă cu litera C și se măsoară în jouli împărțit la un kilogram pe kelvin - J / (kg K). Acesta este totul despre capacitatea de masă termică.
Ce este capacitatea termică volumetrică?
Capacitatea de căldură în volum este o anumită cantitate de căldură care trebuie adăugată la o unitate de volum a unui produs pentru a-l încălzi pe unitate de temperatură. Acest indicator este măsurat în jouli împărțit la un metru cub pe kelvin sau J / (m³ K). În multe cărți de referință pentru clădiri, capacitatea de căldură specifică masei la locul de muncă este cea care este luată în considerare.
Aplicarea practică a capacității termice în industria construcțiilor
Multe materiale cu căldură intensivă sunt utilizate în mod activ în construcția pereților rezistenți la căldură. Acest lucru este extrem de important pentru casele care se caracterizează prin încălzire periodică. De exemplu, cuptorul. Produsele cu căldură intensă și pereții construiți din acestea acumulează perfect căldura, o stochează în timpul perioadelor de încălzire și eliberează treptat căldură după oprire.sistem, permițând astfel menținerea unei temperaturi acceptabile pe tot parcursul zilei.
Deci, cu cât este mai multă căldură stocată în structură, cu atât temperatura din camere va fi mai confortabilă și mai stabilă.
Este de remarcat faptul că cărămida și betonul obișnuit utilizate în construcția de locuințe au o capacitate termică mult mai mică decât polistirenul expandat. Dacă luăm ecowool, atunci consumă de trei ori mai mult căldură decât betonul. Trebuie remarcat faptul că în formula de calcul a capacității termice, nu în zadar există masă. Datorită masei mari uriașe de beton sau cărămidă, în comparație cu ecowool, permite acumularea de cantități uriașe de căldură în pereții de piatră ai structurilor și netezirea tuturor fluctuațiilor zilnice de temperatură. Doar o masă mică de izolație în toate casele cu cadru, în ciuda capacității bune de căldură, este cea mai slabă zonă pentru toate tehnologiile de cadru. Pentru a rezolva această problemă, în toate casele sunt instalate acumulatoare de căldură impresionante. Ce este? Acestea sunt părți structurale care se caracterizează printr-o masă mare cu un indice de capacitate termică destul de bun.
Exemple de acumulatori de căldură în viață
Ce ar putea fi? De exemplu, un fel de pereți interiori din cărămidă, o sobă mare sau un șemineu, șape de beton.
Mobilierul din orice casă sau apartament este un excelent acumulator de căldură, deoarece placajul, PAL și lemnul pot stoca de fapt căldură doar pe kilogram de greutate de trei ori mai mult decât faimoasa cărămidă.
Există dezavantaje în acumulatoarele de căldură? Desigur, principalul dezavantaj al acestei abordări estefaptul că acumulatorul de căldură trebuie proiectat în etapa creării unui aspect al casei cu cadru. Totul datorită faptului că este foarte greu, iar acest lucru va trebui să fie luat în considerare la crearea fundației și apoi imaginați-vă cum va fi integrat acest obiect în interior. Merită spus că este necesar să se ia în considerare nu numai masa, va fi necesar să se evalueze ambele caracteristici în lucrare: masa și capacitatea termică. De exemplu, dacă folosiți aur cu o greutate incredibilă de douăzeci de tone pe metru cub ca depozit de căldură, atunci produsul va funcționa așa cum ar trebui cu doar douăzeci și trei la sută mai bine decât un cub de beton, care cântărește două tone și jumătate.
Care substanță este cea mai potrivită pentru stocarea căldurii?
Cel mai bun produs pentru un acumulator de căldură nu este deloc betonul și cărămida! Cuprul, bronzul și fierul fac o treabă bună în acest sens, dar sunt foarte grele. Destul de ciudat, dar cel mai bun acumulator de căldură este apa! Lichidul are o capacitate termică impresionantă, cea mai mare dintre substanțele pe care le avem la dispoziție. Doar gazele heliu (5190 J / (kg K) și hidrogenul (14300 J / (kg K)) au o capacitate termică mai mare, dar sunt problematic de aplicat în practică. Dacă doriți și este necesar, consultați tabelul capacității termice a substanțelor pe care le aveți nevoie.
