خصائص الماء: السعة الحرارية. الخواص الفيزيائية الحرارية لبخار الماء: الكثافة، السعة الحرارية، التوصيل الحراري

في هذه المقالة القصيرة سنتناول بإيجاز إحدى أهم خصائص الماء لكوكبنا، وهي القدرة الحرارية.

السعة الحرارية النوعية للماء

دعونا نقدم تفسيرا موجزا لهذا المصطلح:

القدرة الحراريةالمادة هي قدرتها على تجميع الحرارة. يتم قياس هذه القيمة بكمية الحرارة التي يمتصها عند تسخينه بمقدار 1 درجة مئوية. على سبيل المثال، تبلغ السعة الحرارية للماء 1 كالوري/جم، أو 4.2 جول/جم، وتتراوح السعة الحرارية للتربة عند 14.5-15.5 درجة مئوية (حسب نوع التربة) من 0.5 إلى 0.6 كالوري (2.1 -2.5 ي) لكل وحدة حجم ومن 0.2 إلى 0.5 كالوري (أو 0.8-2.1 ي) لكل وحدة كتلة (جرام).

للسعة الحرارية للماء تأثير كبير على جوانب كثيرة من حياتنا، ولكن في هذه المادة سنركز على دورها في تكوين نظام درجة الحرارةمن كوكبنا، وهي...

السعة الحرارية للماء ومناخ الأرض

القدرة الحراريةالماء في قيمته المطلقة كبير جدًا. من التعريف أعلاه نرى أنه يتجاوز بشكل كبير السعة الحرارية لتربة كوكبنا. وبسبب هذا الاختلاف في السعة الحرارية، فإن التربة، مقارنة بمياه محيطات العالم، تسخن بشكل أسرع بكثير، وبالتالي تبرد بشكل أسرع. وبفضل المحيطات الأكثر خاملة، فإن التقلبات في درجات الحرارة اليومية والموسمية للأرض ليست كبيرة كما كانت ستكون في غياب المحيطات والبحار. أي أنه في موسم البرد يقوم الماء بتدفئة الأرض، وفي الموسم الدافئ يبردها. وبطبيعة الحال، يكون هذا التأثير أكثر وضوحا في المناطق الساحلية، ولكنه يؤثر بالمتوسط ​​العالمي على الكوكب بأكمله.

وبطبيعة الحال، تتأثر التقلبات في درجات الحرارة اليومية والموسمية بعوامل عديدة، ولكن الماء هو أحد أهمها.

إن الزيادة في مدى التقلبات في درجات الحرارة اليومية والموسمية من شأنها أن تغير العالم من حولنا بشكل جذري.

على سبيل المثال، الجميع بخير حقيقة معروفة— يفقد الحجر قوته ويصبح هشًا أثناء التقلبات الحادة في درجات الحرارة. من الواضح أننا أنفسنا سنكون مختلفين "إلى حد ما". على الأقل، ستكون المعلمات الفيزيائية لجسمنا مختلفة.

الخصائص الشاذة للسعة الحرارية للماء

السعة الحرارية للماء لها خصائص شاذة. وتبين أنه مع زيادة درجة حرارة الماء، تنخفض قدرته الحرارية؛ وتستمر هذه الديناميكية حتى 37 درجة مئوية؛ ومع زيادة أخرى في درجة الحرارة، تبدأ السعة الحرارية في الزيادة.

تحتوي هذه الحقيقة على بيان واحد مثير للاهتمام. نسبيًا، الطبيعة نفسها، في شخص الماء، حددت 37 درجة مئوية على أنها الأكثر درجة حرارة مريحةلجسم الإنسان، بشرط بالطبع استيفاء جميع العوامل الأخرى. مع أي تغير في درجة الحرارة المحيطة، تميل درجة حرارة الماء إلى 37 درجة مئوية.

اليوم سنتحدث عن ما هي السعة الحرارية (بما في ذلك الماء)، وما هي أنواعها، وأين يتم استخدام هذا المصطلح الفيزيائي. سنوضح أيضًا مدى فائدة هذه القيمة للمياه والبخار، ولماذا تحتاج إلى معرفتها وكيف تؤثر على حياتنا اليومية.

مفهوم السعة الحرارية

هذا الكمية الماديةيتم استخدامه كثيرًا في العالم الخارجي والعلوم لدرجة أننا نحتاج أولاً إلى التحدث عنه. سيتطلب التعريف الأول من القارئ أن يكون لديه بعض الاستعداد، على الأقل في الفوارق. لذلك، يتم تعريف السعة الحرارية للجسم في الفيزياء على أنها نسبة الزيادات في كمية متناهية الصغر من الحرارة إلى الكمية المتناهية الصغر المقابلة من درجة الحرارة.

كمية من الحرارة

الجميع تقريبا يفهم ما هي درجة الحرارة، بطريقة أو بأخرى. ولنتذكر أن "كمية الحرارة" ليست مجرد عبارة، بل هي مصطلح يدل على الطاقة التي يفقدها أو يكتسبها الجسم عند تبادله مع الجسم. بيئة. يتم قياس هذه القيمة بالسعرات الحرارية. هذه الوحدة مألوفة لجميع النساء اللاتي يتبعن نظامًا غذائيًا. سيداتي العزيزات، الآن أنتِ تعرفين ما الذي تحرقينه على جهاز المشي وما هي قيمة كل قطعة طعام تأكلينها (أو تتركينها على طبقك). وبالتالي فإن أي جسم تتغير درجة حرارته يتعرض لزيادة أو نقصان في كمية الحرارة. نسبة هذه الكميات هي السعة الحرارية.

تطبيق السعة الحرارية

ومع ذلك، نادرًا ما يتم استخدام تعريف صارم للمفهوم الفيزيائي الذي ندرسه بمفرده. قلنا أعلاه أنه يستخدم في كثير من الأحيان الحياة اليومية. أولئك الذين لم يحبوا الفيزياء في المدرسة ربما يشعرون بالحيرة الآن. وسنرفع حجاب السرية ونخبرك أن الماء الساخن (وحتى البارد) في الصنبور وفي أنابيب التدفئة لا يظهر إلا بفضل حسابات السعة الحرارية.

الظروف الجوية التي تحدد ما إذا كان من الممكن بالفعل فتح موسم السباحة أو ما إذا كان الأمر يستحق البقاء على الشاطئ في الوقت الحالي، تأخذ هذه القيمة أيضًا في الاعتبار. أي جهاز مرتبط بالتدفئة أو التبريد ( مبرد الزيت، ثلاجة)، جميع تكاليف الطاقة عند إعداد الطعام (على سبيل المثال، في مقهى) أو الآيس كريم الناعم في الشوارع تتأثر بهذه الحسابات. كيف يمكن للمرء أن يفهم نحن نتحدث عنهحول كمية مثل السعة الحرارية للماء. سيكون من الحماقة افتراض أن هذا يتم بواسطة البائعين والمستهلكين العاديين، لكن المهندسين والمصممين والمصنعين يأخذون كل شيء في الاعتبار ويضعون المعلمات المناسبة في الاعتبار. الأجهزة المنزلية. ومع ذلك، تُستخدم حسابات السعة الحرارية على نطاق أوسع بكثير: في التوربينات الهيدروليكية وإنتاج الأسمنت، وفي اختبار السبائك للطائرات أو السكك الحديدية، وفي البناء والصهر والتبريد. وحتى استكشاف الفضاء يعتمد على صيغ تحتوي على هذه القيمة.

أنواع السعة الحرارية

لذلك، في كل شيء تطبيقات عمليةاستخدام القدرة الحرارية النسبية أو المحددة. يتم تعريفها على أنها كمية الحرارة (ملاحظة، لا توجد قيم متناهية الصغر) اللازمة لتسخين كمية وحدة من المادة بدرجة واحدة. الدرجات على مقياس كلفن ودرجة مئوية هي نفسها، ولكن من المعتاد في الفيزياء تسمية هذه القيمة بالوحدات الأولى. اعتمادًا على كيفية التعبير عن وحدة كمية المادة، يتم التمييز بين الكتلة والحجم والسعة الحرارية النوعية المولية. تذكر أن المول الواحد عبارة عن كمية من المادة تحتوي على ما يقرب من ستة إلى عشرة أس 23 من جزيئات القوة. اعتمادًا على المهمة، يتم استخدام السعة الحرارية المقابلة؛ يتم تحديد السعة الحرارية الجماعية بـ C ويتم التعبير عنها بـ J/kg*K، والسعة الحرارية الحجمية هي C` (J/m 3 *K)، والسعة الحرارية المولية هي C μ (J/mol*K).

الغاز المثالي

إذا تم حل مشكلة الغاز المثالي، فإن التعبير عنه سيكون مختلفًا. ولنذكركم أنه في هذه المادة، التي لا وجود لها في الواقع، لا تتفاعل الذرات (أو الجزيئات) مع بعضها البعض. هذه الجودة تغير بشكل جذري أي خصائص للغاز المثالي. ولذلك، فإن الأساليب التقليدية للحسابات لن تعطي النتيجة المرجوة. هناك حاجة إلى غاز مثالي كنموذج لوصف الإلكترونات في المعدن، على سبيل المثال. وتعرف قدرتها الحرارية على أنها عدد درجات حرية الجزيئات التي تتكون منها.

الحالة الجسدية

يبدو أن جميع الخصائص الفيزيائية للمادة هي نفسها في جميع الظروف. ولكن هذا ليس صحيحا. عند الانتقال إلى حالة أخرى من التجميع (أثناء ذوبان وتجميد الجليد أو التبخر أو تصلب الألومنيوم المنصهر)، تتغير هذه القيمة بشكل حاد. وبالتالي، فإن السعة الحرارية للماء وبخار الماء مختلفة. كما سنرى أدناه، بشكل ملحوظ. يؤثر هذا الاختلاف بشكل كبير على استخدام كل من المكونات السائلة والغازية لهذه المادة.

التدفئة والقدرة الحرارية

كما لاحظ القارئ بالفعل، فإن السعة الحرارية للمياه غالبا ما تظهر في العالم الحقيقي. هي مصدر الحياة، وبدونها يكون وجودنا مستحيلاً. يحتاجها الإنسان. لذلك، منذ العصور القديمة وحتى الوقت الحاضر، كانت مهمة توصيل المياه إلى المنازل والصناعات أو الحقول دائمًا تحديًا. جيد لتلك البلدان التي لديها على مدار السنةدرجة حرارة إيجابية. وقد بنى الرومان القدماء قنوات مائية لتزويد مدنهم بهذا المورد الثمين. ولكن عندما يكون هناك فصل الشتاء، فإن هذه الطريقة لن تكون مناسبة. الجليد، كما هو معروف، له حجم محدد أكبر من الماء. وهذا يعني أنه عندما يتجمد في الأنابيب فإنه يدمرها بسبب التمدد. وهكذا قبل المهندسين التدفئة المركزيةوالتسليم ساخن و الماء الباردالتحدي في المنزل هو كيفية تجنب ذلك.

إن السعة الحرارية للمياه، مع الأخذ في الاعتبار طول الأنابيب، ستعطي درجة الحرارة المطلوبة التي تحتاج إلى تسخين الغلايات. ومع ذلك، يمكن أن يكون الشتاء لدينا باردًا جدًا. وعند مائة درجة مئوية، يحدث الغليان بالفعل. في هذه الحالة، تأتي القدرة الحرارية المحددة لبخار الماء للإنقاذ. وكما هو مذكور أعلاه، فإن حالة التجميع تغير هذه القيمة. حسنًا، تحتوي الغلايات التي تجلب الحرارة إلى منازلنا على بخار شديد الحرارة. نظرًا لأن درجة حرارتها عالية، فإنها تخلق ضغطًا لا يصدق، لذلك يجب أن تكون الغلايات والأنابيب المؤدية إليها متينة للغاية. في في هذه الحالةحتى لو كان الثقب صغيرًا، فإن التسرب الصغير جدًا يمكن أن يؤدي إلى انفجار. تعتمد السعة الحرارية للماء على درجة الحرارة، وبشكل غير خطي. أي أن تسخينه من عشرين إلى ثلاثين درجة سيتطلب كمية مختلفة من الطاقة مقارنة، على سبيل المثال، من مائة وخمسين إلى مائة وستين.

بالنسبة لأي إجراءات تنطوي على تسخين المياه، ينبغي أن تؤخذ في الاعتبار، خاصة إذا كنا نتحدث عن كميات كبيرة. تعتمد السعة الحرارية للبخار، مثل العديد من خصائصه، على الضغط. عند نفس درجة حرارة الحالة السائلة، تكون الحالة الغازية لديها سعة حرارية أقل بأربع مرات تقريبًا.

لقد قدمنا ​​أعلاه العديد من الأمثلة على سبب ضرورة تسخين المياه وكيف أنه من الضروري مراعاة حجم السعة الحرارية. ومع ذلك، لم نخبرك بعد أنه من بين جميع الموارد المتاحة للكوكب، يتمتع هذا السائل بمعدل مرتفع إلى حد ما من استهلاك الطاقة للتدفئة. غالبًا ما تستخدم هذه الخاصية للتبريد.

وبما أن السعة الحرارية للمياه عالية، فإنها سوف تمتص الطاقة الزائدة بشكل فعال وسريع. ويستخدم هذا في الإنتاج، في المعدات ذات التقنية العالية (على سبيل المثال، في الليزر). وفي المنزل ربما نعرف ذلك أكثر من غيره طريقة فعالةقم بتبريد البيض المسلوق أو مقلاة ساخنة - اشطفه تحت صنبور بارد.

ويعتمد مبدأ تشغيل المفاعلات النووية الذرية بشكل عام على السعة الحرارية العالية للماء. تتميز المنطقة الساخنة، كما يوحي اسمها، بدرجة حرارة عالية بشكل لا يصدق. ومن خلال تسخين نفسه، يقوم الماء بتبريد النظام، مما يمنع التفاعل من الخروج عن نطاق السيطرة. وهكذا نحصل على الكهرباء اللازمة (البخار الساخن يدور التوربينات)، ولا تحدث كارثة.

يوضح الجدول الخواص الفيزيائية الحرارية لبخار الماء على خط التشبع حسب درجة الحرارة. يتم عرض خصائص البخار في الجدول في نطاق درجات الحرارة من 0.01 إلى 370 درجة مئوية.

تتوافق كل درجة حرارة مع الضغط الذي يكون عنده بخار الماء في حالة تشبع. على سبيل المثال، عند درجة حرارة بخار الماء 200 درجة مئوية، سيكون ضغطه 1.555 ميجاباسكال أو حوالي 15.3 ضغط جوي.

وتزداد السعة الحرارية النوعية للبخار وموصليته الحرارية وموصليته الحرارية مع ارتفاع درجة الحرارة. كما تزداد كثافة بخار الماء. فيصبح بخار الماء ساخنًا وثقيلًا ولزجًا بدرجة عالية سعة حرارية محددةمما له تأثير إيجابي على اختيار البخار كمبرد في بعض أنواع المبادلات الحرارية.

على سبيل المثال، وفقًا للجدول، السعة الحرارية النوعية لبخار الماء ج صعند درجة حرارة 20 درجة مئوية تكون 1877 جول/(كجم درجة مئوية)، وعند تسخينها إلى 370 درجة مئوية، تزيد السعة الحرارية للبخار إلى قيمة 56520 جول/(كجم درجة مئوية).

يوضح الجدول الخصائص الفيزيائية الحرارية التالية لبخار الماء على خط التشبع:

• ضغط البخار عند درجة حرارة محددة ص·10 -5، بنسلفانيا؛
• كثافة البخار ρ″ ، كجم/م3؛
• المحتوى الحراري (الكتلة) محددة ح ″، كيلوجول/كجم؛
• ص، كيلوجول/كجم؛
• السعة الحرارية المحددة للبخار ج ص، كيلوجول/(كجم درجة)؛
• معامل التوصيل الحراري 10 2، ث/(م درجة)؛
• معامل الانتشار الحراري أ·10 6، م 2 / ث؛
• اللزوجة الديناميكية م·10 6، باس·س؛
• اللزوجة الحركية ح·10 6، م 2 / ث؛
• رقم براندتل العلاقات العامة.

تتناقص الحرارة النوعية للتبخير والمحتوى الحراري والانتشار الحراري واللزوجة الحركية لبخار الماء مع زيادة درجة الحرارة. تزداد اللزوجة الديناميكية وعدد براندتل للبخار.

احرص! يشار إلى الموصلية الحرارية في الجدول بقوة 10 2. لا تنسوا القسمة على 100! على سبيل المثال، الموصلية الحرارية للبخار عند درجة حرارة 100 درجة مئوية هي 0.02372 واط/(م درجة).

التوصيل الحراري لبخار الماء عند درجات الحرارة والضغوط المختلفة

يوضح الجدول قيم التوصيل الحراري للماء وبخار الماء عند درجات حرارة من 0 إلى 700 درجة مئوية وضغط من 0.1 إلى 500 ضغط جوي. أبعاد التوصيل الحراري ث/(درجة م).

الخط الموجود أسفل القيم في الجدول يعني مرحلة تحول الماء إلى بخار، أي أن الأرقام الموجودة أسفل الخط تشير إلى بخار، وتلك التي فوقه تشير إلى ماء. من الجدول، يمكن ملاحظة أن قيمة المعامل وبخار الماء تزداد مع زيادة الضغط.

ملحوظة: الموصلية الحرارية في الجدول موضحة بالقوى 10 3. لا تنسوا القسمة على 1000!

الموصلية الحرارية لبخار الماء عند درجات الحرارة المرتفعة

يوضح الجدول قيم التوصيل الحراري لبخار الماء المنفصل في البعد W/(m°) عند درجات حرارة من 1400 إلى 6000 كلفن وضغط من 0.1 إلى 100 atm.

وفقا للجدول، التوصيل الحراري لبخار الماء عند درجات حرارة عاليةيزيد بشكل ملحوظ في منطقة 3000...5000 ك قيم عاليةالضغط، ويتم تحقيق أقصى معامل التوصيل الحراري في درجات حرارة أعلى.

احرص! يشار إلى الموصلية الحرارية في الجدول بقوة 10 3. لا تنسوا القسمة على 1000!

الماء هو واحد من أكثر المواد المدهشة. على الرغم من استخدامه على نطاق واسع وواسع النطاق، إلا أنه يعد لغزًا حقيقيًا للطبيعة. نظرًا لكونه أحد مركبات الأكسجين، يبدو أن الماء يجب أن يكون له خصائص منخفضة جدًا مثل التجمد وحرارة التبخر وما إلى ذلك. لكن هذا لا يحدث. فالسعة الحرارية للماء وحده، رغم كل شيء، عالية للغاية.

يمكن أن يمتص الماء كمية ضخمةالحرارة، في حين لا تسخن عمليا - وهذا هو الميزة الجسدية. الماء أعلى بحوالي خمس مرات من السعة الحرارية للرمل، وعشر مرات أعلى من السعة الحرارية للحديد. ولذلك، الماء هو المبرد الطبيعي. قدرتها على التراكم عدد كبيرتتيح الطاقة تخفيف تقلبات درجات الحرارة على سطح الأرض وتنظيم النظام الحراري في جميع أنحاء الكوكب، ويحدث هذا بغض النظر عن الوقت من السنة.

هذا خاصية فريدة من نوعهايسمح الماء باستخدامه كمبرد في الصناعة والمنزل. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الماء مادة خام متاحة على نطاق واسع ورخيصة نسبيا.

ما المقصود بالسعة الحرارية؟ كما هو معروف من خلال الديناميكا الحرارية، فإن انتقال الحرارة يحدث دائمًا من الجسم الساخن إلى الجسم البارد. في هذه الحالة، نحن نتحدث عن انتقال كمية معينة من الحرارة، ودرجة حرارة كلا الجسمين، كونها من سمات حالتهما، توضح اتجاه هذا التبادل. عند معالجة جسم معدني بماء متساوي الكتلة عند نفس درجات الحرارة الأولية، يتغير المعدن درجة حرارته عدة مرات أكثر من الماء.

إذا أخذنا كمسلمة البيان الأساسي للديناميكا الحرارية - من جسمين (معزولين عن الآخرين)، أثناء التبادل الحراري، يتحرر أحدهما، ويستقبل الآخر كمية متساويةالحرارة، يصبح من الواضح أن المعدن والماء لهما سعات حرارية مختلفة تمامًا.

وبالتالي، فإن السعة الحرارية للمياه (وكذلك أي مادة) هي مؤشر يميز قدرة مادة معينة على إعطاء (أو استقبال) شيء ما عند التبريد (التدفئة) لكل وحدة درجة حرارة.

السعة الحرارية النوعية لمادة ما هي كمية الحرارة اللازمة لتسخين وحدة من هذه المادة (1 كيلو جرام) بمقدار درجة واحدة.

كمية الحرارة التي يطلقها الجسم أو يمتصها تساوي حاصل ضرب السعة الحرارية النوعية والكتلة وفرق درجة الحرارة. يتم قياسه بالسعرات الحرارية. السعرات الحرارية الواحدة هي بالضبط كمية الحرارة الكافية لتسخين 1 جرام من الماء بمقدار درجة واحدة. للمقارنة: السعة الحرارية النوعية للهواء هي 0.24 كالوري/جم ∙ درجة مئوية، والألومنيوم - 0.22، والحديد - 0.11، والزئبق - 0.03.

السعة الحرارية للماء ليست ثابتة. مع زيادة درجة الحرارة من 0 إلى 40 درجة، تنخفض قليلاً (من 1.0074 إلى 0.9980)، بينما بالنسبة لجميع المواد الأخرى، تزداد هذه الخاصية أثناء عملية التسخين. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن ينخفض ​​مع زيادة الضغط (في العمق).

كما تعلمون، الماء لديه ثلاثة حالة التجميع- السائل والصلب (الثلج) والغازي (البخار). وفي الوقت نفسه، تكون السعة الحرارية النوعية للجليد أقل بحوالي مرتين من قدرة الماء. هذا هو الفرق الرئيسي بين الماء والمواد الأخرى التي لا تتغير قدرتها الحرارية النوعية في الحالة الصلبة والمنصهرة. ما هو السر؟

الحقيقة هي أن الجليد له بنية بلورية لا تنهار فورًا عند تسخينها. يحتوي الماء على جزيئات جليدية صغيرة تتكون من عدة جزيئات تسمى الزميلة. عند تسخين الماء، يتم إنفاق جزء منه على تدمير الروابط الهيدروجينية في هذه التكوينات. وهذا ما يفسر القدرة الحرارية العالية بشكل غير عادي للمياه. ولا يتم تدمير الروابط بين جزيئاته تمامًا إلا عندما يتحول الماء إلى بخار.

إن السعة الحرارية النوعية عند درجة حرارة 100 درجة مئوية لا تختلف تقريبًا عن قدرة الجليد عند درجة حرارة 0 درجة مئوية. وهذا يؤكد مرة أخرى صحة هذا التفسير. إن السعة الحرارية للبخار، مثل السعة الحرارية للجليد، تتم دراستها حاليًا بشكل أفضل بكثير من الماء، والتي لم يتوصل العلماء بشأنها إلى إجماع بعد.