Pojemność cieplna to zdolność pochłaniania pewnej ilości ciepła podczas ogrzewania lub wydzielania po schłodzeniu. Pojemność cieplna ciała to stosunek nieskończenie małej ilości ciepła, które ciało otrzymuje do odpowiedniego wzrostu jego wskaźników temperatury. Wartość mierzona jest w J/K. W praktyce stosowana jest nieco inna wartość - ciepło właściwe.
Definicja
Co oznacza ciepło właściwe? Jest to ilość związana z pojedynczą ilością substancji. W związku z tym ilość substancji można mierzyć w metrach sześciennych, kilogramach, a nawet w molach. Od czego to zależy? W fizyce pojemność cieplna zależy bezpośrednio od jednostki ilościowej, której dotyczy, co oznacza, że rozróżnia się pojemność cieplną molową, masową i objętościową. W branży budowlanej nie zobaczysz pomiarów zębów trzonowych, ale przez cały czas będziesz widzieć inne.
Co wpływa na właściwą pojemność cieplną?
Jaka jest pojemność cieplna, wiesz, ale jakie wartości wpływają na wskaźnik, nie jest jeszcze jasne. Na wartość ciepła właściwego ma bezpośredni wpływ kilka składników:temperatura substancji, ciśnienie i inne właściwości termodynamiczne.
Wraz ze wzrostem temperatury produktu wzrasta jego właściwa pojemność cieplna, ale niektóre substancje wykazują w tej zależności całkowicie nieliniową krzywą. Na przykład, wraz ze wzrostem wskaźników temperatury od zera do trzydziestu siedmiu stopni, właściwa pojemność cieplna wody zaczyna się zmniejszać, a jeśli granica wynosi od trzydziestu siedmiu do stu stopni, to wskaźnik wręcz przeciwnie wzrost.
Warto zauważyć, że parametr zależy również od tego, jak mogą zmieniać się właściwości termodynamiczne produktu (ciśnienie, objętość itd.). Na przykład ciepło właściwe przy stabilnym ciśnieniu i przy stałej objętości będzie inne.
Jak obliczyć parametr?
Czy interesuje Cię jaka jest pojemność cieplna? Wzór obliczeniowy jest następujący: C \u003d Q / (m ΔT). Jakie są te wartości? Q to ilość ciepła, które produkt otrzymuje po podgrzaniu (lub uwalniane przez produkt podczas chłodzenia). m jest masą produktu, a ΔT jest różnicą między końcową a początkową temperaturą produktu. Poniżej znajduje się tabela pojemności cieplnej niektórych materiałów.
A co z obliczaniem pojemności cieplnej?
Obliczanie pojemności cieplnej nie jest łatwym zadaniem, zwłaszcza jeśli stosuje się tylko metody termodynamiczne, nie da się tego zrobić dokładniej. Dlatego fizycy posługują się metodami fizyki statystycznej lub znajomością mikrostruktury produktów. Jak obliczyć za gaz? Pojemność cieplna gazuoblicza się na podstawie obliczenia średniej energii ruchu termicznego poszczególnych cząsteczek substancji. Ruchy cząsteczek mogą mieć charakter translacyjny i rotacyjny, a wewnątrz cząsteczki może znajdować się cały atom lub drgania atomów. Statystyka klasyczna mówi, że dla każdego stopnia swobody ruchów obrotowych i translacyjnych istnieje wartość molowej pojemności cieplnej gazu, która jest równa R/2, a dla każdego stopnia swobody drgań wartość jest równa R Ta zasada jest również nazywana prawem ekwipartycji.
Jednocześnie cząsteczka gazu jednoatomowego różni się tylko trzema translacyjnymi stopniami swobody, a zatem jej pojemność cieplna powinna być równa 3R/2, co doskonale zgadza się z eksperymentem. Każda cząsteczka gazu dwuatomowego ma trzy stopnie swobody translacyjne, dwa rotacyjne i jeden wibracyjny, co oznacza, że prawo ekwipartycji będzie wynosić 7R/2, a doświadczenie pokazało, że pojemność cieplna mola gazu dwuatomowego w zwykłej temperaturze wynosi 5R/ 2. Dlaczego w teorii była taka rozbieżność? Wszystko dlatego, że przy ustalaniu pojemności cieplnej konieczne będzie uwzględnienie różnych efektów kwantowych, czyli wykorzystanie statystyki kwantowej. Jak widać, pojemność cieplna to dość skomplikowana koncepcja.
Mechanika kwantowa mówi, że każdy układ cząstek, które oscylują lub obracają się, w tym cząsteczka gazu, może mieć pewne dyskretne wartości energii. Jeżeli energia ruchu termicznego w zainstalowanym układzie jest niewystarczająca do wzbudzenia oscylacji o wymaganej częstotliwości, to drgania te nie przyczyniają się dopojemność cieplna systemu.
W ciałach stałych ruch termiczny atomów to słaba oscylacja w pobliżu pewnych pozycji równowagi, dotyczy to węzłów sieci krystalicznej. Atom ma trzy wibracyjne stopnie swobody i zgodnie z prawem molowa pojemność cieplna ciała stałego jest równa 3nR, gdzie n jest liczbą atomów istniejących w cząsteczce. W praktyce wartość ta jest granicą, do której przy wysokich temperaturach dąży pojemność cieplna organizmu. Wartość osiąga się przy normalnych zmianach temperatury w wielu pierwiastkach, dotyczy to metali, a także prostych związków. Określana jest również pojemność cieplna ołowiu i innych substancji.
A co z niskimi temperaturami?
Wiemy już, co to jest pojemność cieplna, ale jeśli mówimy o niskich temperaturach, jak wtedy będzie obliczana ta wartość? Jeśli mówimy o wskaźnikach niskich temperatur, to pojemność cieplna ciała stałego okazuje się być proporcjonalna do T 3 lub do tak zwanego prawa pojemności cieplnej Debye'a. Głównym kryterium odróżniania temperatur wysokich od niskich jest zwykłe porównywanie ich z parametrem charakterystycznym dla danej substancji - może to być temperatura charakterystyczna lub temperatura Debye'a qD. Prezentowana wartość jest wyznaczona przez widmo drgań atomów w produkcie i zależy w znacznym stopniu od struktury kryształu.
W metalach elektrony przewodzące mają pewien wkład w pojemność cieplną. Ta część pojemności cieplnej jest obliczana za pomocąStatystyka Fermiego-Diraca, która uwzględnia elektrony. Elektroniczna pojemność cieplna metalu, która jest proporcjonalna do zwykłej pojemności cieplnej, jest wartością stosunkowo małą i przyczynia się do pojemności cieplnej metalu tylko w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu. Wtedy pojemność cieplna sieci staje się bardzo mała i można ją pominąć.
Masowa pojemność cieplna
Ciepło właściwe masy to ilość ciepła, która musi zostać doprowadzona do jednostki masy substancji, aby ogrzać produkt na jednostkę temperatury. Ta wartość jest oznaczona literą C i jest mierzona w dżulach podzielonych przez kilogram na kelwin - J / (kg K). Chodzi o pojemność cieplną masy.
Jaka jest wolumetryczna pojemność cieplna?
Pojemność cieplna objętości to pewna ilość ciepła, którą należy dodać do jednostki objętości produktu, aby ogrzać go na jednostkę temperatury. Wskaźnik ten jest mierzony w dżulach podzielonych przez metr sześcienny na kelwin lub J / (m³ K). W wielu podręcznikach budowlanych brana jest pod uwagę właściwa pojemność cieplna w miejscu pracy.
Praktyczne zastosowanie pojemności cieplnej w budownictwie
Wiele materiałów żaroodpornych jest aktywnie wykorzystywanych do budowy ścian żaroodpornych. Jest to niezwykle ważne w przypadku domów, które charakteryzują się okresowym ogrzewaniem. Na przykład piekarnik. Wyroby żaroodporne i zbudowane z nich ściany doskonale akumulują ciepło, przechowują je w okresach grzewczych i stopniowo oddają ciepło po wyłączeniusystem, co pozwala na utrzymanie akceptowalnej temperatury przez cały dzień.
Tak więc im więcej ciepła zmagazynowanego w konstrukcji, tym bardziej komfortowa i stabilna będzie temperatura w pomieszczeniach.
Warto zauważyć, że zwykła cegła i beton stosowane w budownictwie mieszkaniowym mają znacznie niższą pojemność cieplną niż styropian. Jeśli weźmiemy ecowool, to jest trzy razy bardziej energochłonny niż beton. Należy zauważyć, że we wzorze na obliczenie pojemności cieplnej nie na próżno jest masa. Ze względu na dużą masę betonu czy cegły, w porównaniu z ecowool, pozwala na akumulowanie ogromnych ilości ciepła w kamiennych ścianach konstrukcji i niwelowanie wszelkich dobowych wahań temperatury. Tylko niewielka masa izolacji we wszystkich domach szkieletowych, pomimo dobrej pojemności cieplnej, jest najsłabszym obszarem dla wszystkich technologii szkieletowych. Aby rozwiązać ten problem, we wszystkich domach zainstalowano imponujące akumulatory ciepła. Co to jest? Są to elementy konstrukcyjne, które charakteryzują się dużą masą o dość dobrym wskaźniku pojemności cieplnej.
Przykłady akumulatorów ciepła w życiu
Co to może być? Na przykład jakieś wewnętrzne ściany z cegły, duży piec lub kominek, wylewki betonowe.
Meble w każdym domu lub mieszkaniu są doskonałym akumulatorem ciepła, ponieważ sklejka, płyta wiórowa i drewno mogą w rzeczywistości magazynować ciepło tylko na kilogram wagi trzy razy więcej niż osławiona cegła.
Czy akumulatory ciepła mają jakieś wady? Oczywiście główną wadą tego podejścia jest:fakt, że akumulator ciepła należy zaprojektować na etapie tworzenia układu domu szkieletowego. Wszystko przez to, że jest bardzo ciężki, a to trzeba będzie wziąć pod uwagę przy tworzeniu fundamentu, a następnie wyobraź sobie, jak ten obiekt zostanie wkomponowany we wnętrze. Warto powiedzieć, że należy wziąć pod uwagę nie tylko masę, w pracy trzeba będzie ocenić obie cechy: masę i pojemność cieplną. Na przykład, jeśli użyjesz złota o niewiarygodnej wadze dwudziestu ton na metr sześcienny jako magazynu ciepła, produkt będzie działał tak, jak powinien, tylko o dwadzieścia trzy procent lepiej niż kostka betonowa, która waży dwie i pół tony.
Która substancja najlepiej nadaje się do przechowywania ciepła?
Najlepszym produktem do akumulatora ciepła wcale nie jest beton i cegła! Miedź, brąz i żelazo dobrze sobie z tym radzą, ale są bardzo ciężkie. Co dziwne, ale najlepszym akumulatorem ciepła jest woda! Płyn ma imponującą pojemność cieplną, największą spośród dostępnych nam substancji. Tylko gazy hel (5190 J / (kg K) i wodór (14300 J / (kg K)) mają większą pojemność cieplną, ale są problematyczne w zastosowaniu w praktyce. W razie potrzeby i konieczności zapoznaj się z tabelą pojemności cieplnej substancji, które potrzeba.
