I denne korte artikel vil vi kort overveje en af de vigtigste egenskaber ved vand for vores planet, dens Varmekapacitet.
Specifik varmekapacitet af vand
Lad os lave en kort fortolkning af dette udtryk:
Varmekapacitet et stof er dets evne til at akkumulere varme. Denne værdi måles ved mængden af varme, der absorberes af den, når den opvarmes med 1°C. For eksempel er vandets varmekapacitet 1 cal/g eller 4,2 J/g, og jordens varmekapacitet ved 14,5-15,5°C (afhængigt af jordtype) varierer fra 0,5 til 0,6 cal (2,1-2,5) J) pr. volumenenhed og fra 0,2 til 0,5 cal (eller 0,8-2,1 J) pr. masseenhed (gram).
Vandets varmekapacitet har en betydelig indflydelse på mange aspekter af vores liv, men i dette materiale vil vi fokusere på dets rolle i dannelsen temperatur regime af vores planet, nemlig...
Vandets varmekapacitet og Jordens klima
Varmekapacitet vand i sin absolutte værdi er ret stor. Fra ovenstående definition ser vi, at det væsentligt overstiger varmekapaciteten i jorden på vores planet. På grund af denne forskel i varmekapacitet opvarmes jorden, sammenlignet med vandet i verdenshavene, meget hurtigere og afkøles derfor hurtigere. Takket være de mere inerte oceaner er udsvingene i Jordens daglige og sæsonbestemte temperaturer ikke så store, som de ville være i fravær af oceaner og have. Det vil sige, at i den kolde årstid opvarmer vand Jorden, og i den varme årstid afkøles det. Naturligvis er denne påvirkning mest mærkbar i kystområder, men globalt set påvirker den hele planeten.
Naturligvis er udsving i dags- og sæsontemperaturer påvirket af mange faktorer, men vand er en af de vigtigste.
En stigning i amplituden af udsving i daglige og sæsonbestemte temperaturer ville radikalt ændre verden omkring os.
For eksempel har alle det godt kendt faktum— sten mister sin styrke og bliver skør ved skarpe temperaturudsving. Det er klart, at vi selv ville være "noget" anderledes. Som minimum ville de fysiske parametre for vores krop være anderledes.
Unormale egenskaber ved vandets varmekapacitet
Vandets varmekapacitet har unormale egenskaber. Det viser sig, at når temperaturen af vand stiger, falder denne dynamik op til 37°C med en yderligere stigning i temperaturen, begynder varmekapaciteten at stige.
Dette faktum indeholder et interessant udsagn. Relativt set var det naturen selv, der i vands skikkelse bestemte 37°C som det mest behagelig temperatur for den menneskelige krop, naturligvis forudsat at alle andre faktorer er opfyldt. Med enhver dynamik af ændringer i omgivelsestemperaturen tenderer vandtemperaturen til 37°C.
I dag vil vi tale om, hvad varmekapacitet er (inklusive vand), hvilke typer det kommer i, og hvor dette fysiske udtryk bruges. Vi vil også vise, hvor nyttig værdien af denne værdi er for vand og damp, hvorfor du skal vide det, og hvordan det påvirker vores dagligdag.
Begrebet varmekapacitet
Denne fysisk mængde det bruges så ofte i omverdenen og videnskaben, at vi først og fremmest skal tale om det. Den allerførste definition vil kræve, at læseren har en vis beredskab, i det mindste i differentialer. Så et legemes varmekapacitet er defineret i fysik som forholdet mellem stigninger af en uendelig lille mængde varme til den tilsvarende uendelige mængde temperatur.
Mængden af varme
Næsten alle forstår, hvad temperatur er, på den ene eller den anden måde. Lad os huske på, at "mængden af varme" ikke kun er en sætning, men et udtryk, der betegner den energi, som en krop taber eller vinder, når den udveksler med miljø. Denne værdi måles i kalorier. Denne enhed er velkendt for alle kvinder, der er på diæt. Kære damer, nu ved I, hvad I forbrænder på løbebåndet, og hvad hvert stykke mad, I spiser (eller efterlader på tallerkenen), er værd. Således oplever enhver krop, hvis temperatur ændres, en stigning eller et fald i mængden af varme. Forholdet mellem disse mængder er varmekapaciteten.
Anvendelse af varmekapacitet
En streng definition af det fysiske begreb, vi overvejer, bruges dog sjældent alene. Vi sagde ovenfor, at det meget ofte bruges i hverdagen. Dem, der ikke kunne lide fysik i skolen, er sandsynligvis forvirrede nu. Og vi vil løfte sløret af hemmeligholdelse og fortælle dig, at varmt (og endda koldt) vand i hanen og i varmerør kun vises takket være varmekapacitetsberegninger.
Vejrforhold, som afgør, om svømmesæsonen allerede kan åbnes, eller om det er værd at blive ved kysten indtil videre, tager også højde for denne værdi. Enhver enhed forbundet med opvarmning eller køling ( oliekøler, køleskab), er alle energiomkostninger ved tilberedning af mad (for eksempel på en cafe) eller street softice påvirket af disse beregninger. Hvordan kan man forstå vi taler om omkring en sådan mængde som vandets varmekapacitet. Det ville være tåbeligt at antage, at dette gøres af sælgere og almindelige forbrugere, men ingeniører, designere og producenter tog alt i betragtning og satte de passende parametre ind i husholdningsapparater. Imidlertid bruges varmekapacitetsberegninger meget mere udbredt: i hydrauliske turbiner og cementproduktion, i test af legeringer til fly eller jernbaner, i byggeri, smeltning og køling. Selv udforskning af rummet er afhængig af formler, der indeholder denne værdi.
Typer af varmekapacitet
Altså i alt praktiske anvendelser bruge relativ eller specifik varmekapacitet. Det er defineret som mængden af varme (bemærk, ingen uendelige værdier), der kræves for at opvarme en enhedsmængde af et stof med én grad. Graderne på Kelvin- og Celsius-skalaerne er de samme, men i fysik er det sædvanligt at kalde denne værdi i de første enheder. Afhængigt af hvordan mængden af et stof udtrykkes, skelnes der mellem masse, volumen og molær specifik varmekapacitet. Husk på, at et mol er en mængde stof, der indeholder cirka seks til ti til treogtyvende potensmolekyler. Afhængig af opgaven bruges den tilsvarende varmekapacitet i fysik. Massevarmekapacitet er betegnet som C og er udtrykt i J/kg*K, volumetrisk varmekapacitet er C` (J/m 3 *K), molær varmekapacitet er C μ (J/mol*K).
Ideel gas
Hvis problemet med en ideel gas bliver løst, så er udtrykket for det anderledes. Lad os minde dig om, at i dette stof, som ikke eksisterer i virkeligheden, interagerer atomerne (eller molekylerne) ikke med hinanden. Denne kvalitet ændrer radikalt enhver egenskab af en ideel gas. Derfor vil traditionelle tilgange til beregninger ikke give det ønskede resultat. En ideel gas er nødvendig som en model til at beskrive elektroner i et metal, for eksempel. Dens varmekapacitet er defineret som antallet af frihedsgrader for de partikler, den er sammensat af.
Fysisk tilstand
Det ser ud til, at for et stof er alle fysiske egenskaber de samme under alle forhold. Men det er ikke sandt. Ved overgang til en anden aggregeringstilstand (under smeltning og frysning af is, fordampning eller størkning af smeltet aluminium), ændres denne værdi brat. Således er varmekapaciteten af vand og vanddamp forskellig. Som vi vil se nedenfor, betydeligt. Denne forskel påvirker i høj grad brugen af både de flydende og gasformige komponenter af dette stof.
Opvarmning og varmekapacitet
Som læseren allerede har bemærket, optræder vandets varmekapacitet oftest i den virkelige verden. Hun er kilden til livet, uden hende er vores eksistens umulig. En person har brug for det. Derfor har opgaven med at levere vand til boliger og industrier eller marker altid været en udfordring fra oldtiden til nutiden. Godt for de lande, der har hele året rundt positiv temperatur. De gamle romere byggede akvædukter for at forsyne deres byer med denne værdifulde ressource. Men hvor der er vinter, ville denne metode ikke være egnet. Is har som bekendt et større specifikt volumen end vand. Det betyder, at når det fryser i rør, ødelægger det dem på grund af ekspansion. Altså før ingeniørerne centralvarme og levering varmt og koldt vand Udfordringen derhjemme er, hvordan man undgår dette.
Vandets varmekapacitet, under hensyntagen til længden af rørene, vil give den nødvendige temperatur, som kedlerne skal opvarmes til. Vores vintre kan dog være meget kolde. Og ved hundrede grader Celsius sker der allerede kogning. I denne situation kommer den specifikke varmekapacitet af vanddamp til undsætning. Som nævnt ovenfor ændrer aggregeringstilstanden denne værdi. Nå, de kedler, der bringer varme til vores hjem, indeholder stærkt overophedet damp. Fordi det har en høj temperatur, skaber det et utroligt tryk, så kedlerne og rørene der fører til dem skal være meget holdbare. I i dette tilfælde selv et lille hul, en meget lille lækage kan føre til en eksplosion. Vandets varmekapacitet afhænger af temperaturen og ikke-lineært. Det vil sige, at opvarmning af det fra tyve til tredive grader vil kræve en anden mængde energi end for eksempel fra hundrede og halvtreds til hundrede og tres.
For alle handlinger, der involverer opvarmning af vand, bør dette tages i betragtning, især hvis vi taler om store mængder. Dampens varmekapacitet afhænger ligesom mange af dens egenskaber af tryk. Ved samme temperatur som den flydende tilstand har den gasformige tilstand næsten fire gange mindre varmekapacitet.
Ovenfor har vi givet mange eksempler på, hvorfor det er nødvendigt at opvarme vand, og hvordan det er nødvendigt at tage højde for størrelsen af varmekapaciteten. Vi har dog endnu ikke fortalt dig, at blandt alle de tilgængelige ressourcer på planeten har denne væske et ret højt energiforbrug til opvarmning. Denne egenskab bruges ofte til afkøling.
Da vandets varmekapacitet er høj, vil det effektivt og hurtigt absorbere overskydende energi. Dette bruges i produktionen, i højteknologisk udstyr (for eksempel i lasere). Og herhjemme ved vi nok det mest effektiv måde kølige hårdkogte æg eller en varm stegepande - skyl under kold rindende hane.
Og driftsprincippet for atomare atomreaktorer er generelt baseret på vandets høje varmekapacitet. Den varme zone har, som navnet antyder, en utrolig høj temperatur. Ved at opvarme sig selv afkøler vandet systemet, hvilket forhindrer reaktionen i at komme ud af kontrol. Således modtager vi den nødvendige elektricitet (opvarmet damp roterer turbinerne), og der sker ingen katastrofe.
Tabellen viser de termofysiske egenskaber af vanddamp på mætningslinjen afhængig af temperatur. Egenskaberne for damp er angivet i tabellen i temperaturområdet fra 0,01 til 370°C.
Hver temperatur svarer til det tryk, ved hvilket vanddamp er i en tilstand af mætning. For eksempel, ved en vanddamptemperatur på 200°C vil dets tryk være 1,555 MPa eller omkring 15,3 atm.
Den specifikke varmekapacitet af damp, termisk ledningsevne og damp stiger, når temperaturen stiger. Densiteten af vanddamp stiger også. Vanddampen bliver varm, tung og tyktflydende, med en høj specifik varmekapacitet, hvilket har en positiv effekt på valget af damp som kølemiddel i nogle typer varmevekslere.
For eksempel, ifølge tabellen, den specifikke varmekapacitet af vanddamp C p ved en temperatur på 20°C er den 1877 J/(kg grader), og når den opvarmes til 370°C, øges dampens varmekapacitet til en værdi på 56520 J/(kg grader).
Tabellen viser følgende termofysiske egenskaber af vanddamp på mætningslinjen:
- damptryk ved specificeret temperatur p·10-5, Pa;
- damptæthed ρ″ kg/m3;
- specifik (masse)entalpi h″, kJ/kg;
- r, kJ/kg;
- specifik varmekapacitet af damp C p, kJ/(kg grader);
- varmeledningskoefficient λ·10 2, W/(m grader);
- termisk diffusivitetskoefficient a·10 6 m2/s;
- dynamisk viskositet μ·10 6, Pa·s;
- kinematisk viskositet ν·10 6 m2/s;
- Prandtl nummer Pr.
Den specifikke fordampningsvarme, entalpi, termisk diffusivitet og kinematisk viskositet af vanddamp falder med stigende temperatur. Dampens dynamiske viskositet og Prandtl-tal øges.
Vær forsigtig! Termisk ledningsevne i tabellen er angivet til styrken 10 2. Glem ikke at dividere med 100! For eksempel er den termiske ledningsevne af damp ved en temperatur på 100°C 0,02372 W/(m deg).
Termisk ledningsevne af vanddamp ved forskellige temperaturer og tryk
Tabellen viser de termiske ledningsevneværdier for vand og vanddamp ved temperaturer fra 0 til 700°C og tryk fra 0,1 til 500 atm. Termisk ledningsevne dimension W/(m deg).
Linjen under værdierne i tabellen betyder faseovergangen af vand til damp, det vil sige, at tallene under linjen refererer til damp, og dem over den refererer til vand. Ifølge tabellen kan det ses, at værdien af koefficienten og vanddampen stiger, når trykket stiger.
Bemærk: termisk ledningsevne i tabellen er angivet i potenser 10 3. Glem ikke at dividere med 1000!
Termisk ledningsevne af vanddamp ved høje temperaturer
Tabellen viser de termiske ledningsevneværdier for dissocieret vanddamp i dimensionen W/(m deg) ved temperaturer fra 1400 til 6000 K og tryk fra 0,1 til 100 atm.
Ifølge tabellen er vanddampens varmeledningsevne ved høje temperaturer stiger mærkbart i omegnen af 3000...5000 K. Kl høje værdier tryk, opnås den maksimale varmeledningskoefficient ved højere temperaturer.
Vær forsigtig! Termisk ledningsevne i tabellen er angivet til styrken 10 3. Glem ikke at dividere med 1000!
Vand er et af de mest fantastiske stoffer. På trods af dens udbredte og udbredte brug er det et sandt naturmysterium. Da det er en af iltforbindelserne, skulle vand, tilsyneladende, have meget lave egenskaber såsom frysning, fordampningsvarme osv. Men dette sker ikke. Alene vandets varmekapacitet er trods alt ekstremt høj.
Vand kan absorbere kæmpe beløb varme, mens den praktisk talt ikke opvarmes - dette er dens fysiske træk. vand er cirka fem gange højere end sandets varmekapacitet og ti gange højere end jerns. Derfor er vand et naturligt kølemiddel. Dens evne til at akkumulere stort antal energi gør det muligt at udjævne temperatursvingninger på jordens overflade og regulere det termiske regime i hele planeten, og det sker uanset årstiden.
Denne unik ejendom vand gør det muligt at bruge det som kølemiddel i industrien og i hjemmet. Derudover er vand en bredt tilgængelig og relativt billig råvare.
Hvad forstås ved varmekapacitet? Som det er kendt fra termodynamikkens forløb, sker varmeoverførslen altid fra et varmt til et koldt legeme. I dette tilfælde taler vi om overførslen af en vis mængde varme, og temperaturen af begge kroppe, der er karakteristisk for deres tilstand, viser retningen af denne udveksling. I processen med et metallegeme med vand af samme masse ved de samme begyndelsestemperaturer, ændrer metallet sin temperatur flere gange mere end vand.
Hvis vi tager det grundlæggende udsagn om termodynamik som et postulat - fra to kroppe (isoleret fra de andre), under varmeveksling giver den ene væk, og den anden modtager lige meget varme, bliver det tydeligt, at metal og vand har helt forskellige varmekapaciteter.
Vandets (såvel som ethvert stofs) varmekapacitet er således en indikator, der karakteriserer et givet stofs evne til at give (eller modtage) noget ved afkøling (opvarmning) pr.
Den specifikke varmekapacitet af et stof er den mængde varme, der kræves for at opvarme en enhed af dette stof (1 kilogram) med 1 grad.
Mængden af varme frigivet eller absorberet af et legeme er lig med produktet af specifik varmekapacitet, masse og temperaturforskel. Det måles i kalorier. En kalorie er præcis den mængde varme, der er nok til at opvarme 1 g vand med 1 grad. Til sammenligning: luftens specifikke varmekapacitet er 0,24 cal/g ∙°C, aluminium - 0,22, jern - 0,11, kviksølv - 0,03.
Vandets varmekapacitet er ikke konstant. Med en stigning i temperaturen fra 0 til 40 grader falder den lidt (fra 1,0074 til 0,9980), mens denne egenskab for alle andre stoffer øges under opvarmningsprocessen. Derudover kan det falde med stigende tryk (i dybden).
Vand har som bekendt tre aggregeringstilstand- flydende, fast (is) og gasformig (damp). Samtidig er isens specifikke varmekapacitet cirka 2 gange lavere end vands. Dette er hovedforskellen mellem vand og andre stoffer, hvis specifikke varmekapacitet ikke ændres i fast og smeltet tilstand. Hvad er hemmeligheden?
Faktum er, at is har en krystallinsk struktur, som ikke umiddelbart kollapser ved opvarmning. Vand indeholder små ispartikler, der består af flere molekyler kaldet associates. Når vand opvarmes, bruges en del af det på ødelæggelse af brintbindinger i disse formationer. Dette forklarer vandets usædvanligt høje varmekapacitet. Bindingerne mellem dets molekyler ødelægges kun fuldstændigt, når vand omdannes til damp.
Den specifikke varmekapacitet ved en temperatur på 100°C adskiller sig næsten ikke fra isens ved 0°C. Dette bekræfter endnu en gang rigtigheden af denne forklaring. Damps varmekapacitet, ligesom isens varmekapacitet, studeres i øjeblikket meget bedre end vand, hvilket forskerne endnu ikke har nået enighed om.