En este breve artículo consideraremos brevemente una de las propiedades del agua más importantes para nuestro planeta, su Capacidad calorífica.
Capacidad calorífica específica del agua.
Hagamos una breve interpretación de este término:
Capacidad calorífica una sustancia es su capacidad para acumular calor. Este valor se mide por la cantidad de calor que absorbe cuando se calienta 1°C. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua es 1 cal/g, o 4,2 J/g, y la capacidad calorífica del suelo a 14,5-15,5°C (dependiendo del tipo de suelo) oscila entre 0,5 y 0,6 cal (2,1 -2,5 J) por unidad de volumen y de 0,2 a 0,5 cal (o 0,8-2,1 J) por unidad de masa (gramos).
La capacidad calorífica del agua tiene un impacto significativo en muchos aspectos de nuestras vidas, pero en este material nos centraremos en su papel en la formación. régimen de temperatura de nuestro planeta, es decir...
Capacidad calorífica del agua y el clima de la Tierra.
Capacidad calorífica El agua en su valor absoluto es bastante grande. De la definición anterior vemos que excede significativamente la capacidad calorífica del suelo de nuestro planeta. Debido a esta diferencia en la capacidad calorífica, el suelo, en comparación con las aguas de los océanos del mundo, se calienta mucho más rápido y, en consecuencia, se enfría más rápido. Gracias a los océanos más inertes, las fluctuaciones en las temperaturas diarias y estacionales de la Tierra no son tan grandes como lo serían en ausencia de océanos y mares. Es decir, en la estación fría el agua calienta la Tierra y en la estación cálida se enfría. Naturalmente, esta influencia es más notoria en las zonas costeras, pero en términos medios globales afecta a todo el planeta.
Naturalmente, las fluctuaciones de las temperaturas diarias y estacionales están influenciadas por muchos factores, pero el agua es uno de los más importantes.
Un aumento en la amplitud de las fluctuaciones de las temperaturas diarias y estacionales cambiaría radicalmente el mundo que nos rodea.
Por ejemplo, todos están bien. hecho conocido— La piedra pierde su fuerza y se vuelve quebradiza durante los cambios bruscos de temperatura. Evidentemente, nosotros mismos seríamos “algo” diferentes. Como mínimo, los parámetros físicos de nuestro cuerpo serían diferentes.
Propiedades anómalas de la capacidad calorífica del agua.
La capacidad calorífica del agua tiene propiedades anómalas. Resulta que a medida que aumenta la temperatura del agua, su capacidad calorífica disminuye; esta dinámica persiste hasta los 37°C; con un aumento adicional de la temperatura, la capacidad calorífica comienza a aumentar.
Este hecho contiene una afirmación interesante. Relativamente hablando, la propia naturaleza, en la persona del Agua, determinó 37°C como la temperatura más alta. temperatura confortable para el cuerpo humano, siempre que, por supuesto, se cumplan todos los demás factores. Con cualquier dinámica de cambios en la temperatura ambiente, la temperatura del agua tiende a 37°C.
Hoy hablaremos sobre qué es la capacidad calorífica (incluida el agua), en qué tipos se presenta y dónde se utiliza este término físico. También mostraremos lo útil que es este valor para el agua y el vapor, por qué es necesario conocerlo y cómo afecta nuestra vida diaria.
El concepto de capacidad calorífica.
Este cantidad fisica Se utiliza con tanta frecuencia en el mundo exterior y en la ciencia que antes que nada debemos hablar de ello. La primera definición requerirá que el lector esté algo preparado, al menos en los diferenciales. Entonces, la capacidad calorífica de un cuerpo se define en física como la relación entre los incrementos de una cantidad infinitesimal de calor y la correspondiente cantidad infinitesimal de temperatura.
cantidad de calor
Casi todo el mundo entiende qué es la temperatura, de una forma u otra. Recordemos que “cantidad de calor” no es sólo una frase, sino un término que denota la energía que un cuerpo pierde o gana al intercambiar con ambiente. Este valor se mide en calorías. Esta unidad es familiar para todas las mujeres que están a dieta. Queridas señoras, ahora ya sabéis lo que quemáis en la cinta y lo que vale cada trozo de comida que coméis (o dejáis en el plato). Por tanto, cualquier cuerpo cuya temperatura cambie experimenta un aumento o disminución de la cantidad de calor. La relación de estas cantidades es la capacidad calorífica.
Aplicación de la capacidad calorífica.
Sin embargo, rara vez se utiliza por sí sola una definición estricta del concepto físico que estamos considerando. Dijimos anteriormente que se usa muy a menudo en la vida cotidiana. Aquellos a quienes no les gustaba la física en la escuela probablemente ahora estén perplejos. Y levantaremos el velo del secreto y le diremos que el agua caliente (e incluso fría) en el grifo y en las tuberías de calefacción aparece sólo gracias a los cálculos de la capacidad calorífica.
Las condiciones meteorológicas, que determinan si ya se puede abrir la temporada de baño o si merece la pena quedarse en la orilla por ahora, también tienen en cuenta este valor. Cualquier dispositivo asociado con calefacción o refrigeración ( enfriador de aceite, frigorífico), todos los costes energéticos al preparar alimentos (por ejemplo, en una cafetería) o helados callejeros se ven afectados por estos cálculos. ¿Cómo se puede entender estamos hablando de sobre una cantidad como la capacidad calorífica del agua. Sería una tontería suponer que esto lo hacen los vendedores y los consumidores comunes, pero los ingenieros, diseñadores y fabricantes tuvieron todo en cuenta y establecieron los parámetros adecuados. electrodomésticos. Sin embargo, los cálculos de la capacidad calorífica se utilizan mucho más ampliamente: en turbinas hidráulicas y en la producción de cemento, en pruebas de aleaciones para aviones o ferrocarriles, en la construcción, fundición y refrigeración. Incluso la exploración espacial se basa en fórmulas que contienen este valor.
Tipos de capacidad calorífica
Entonces, en todos aplicaciones practicas utilizar capacidad calorífica relativa o específica. Se define como la cantidad de calor (nota, no cantidades infinitesimales) necesaria para calentar una unidad de cantidad de una sustancia en un grado. Los grados en las escalas Kelvin y Celsius son los mismos, pero en física se acostumbra llamar a este valor en las primeras unidades. Dependiendo de cómo se exprese la unidad de cantidad de una sustancia, se distinguen las capacidades caloríficas específicas de masa, volumen y molar. Recuerde que un mol es una cantidad de sustancia que contiene aproximadamente de seis a diez moléculas elevadas a la vigésimo tercera potencia. Dependiendo de la tarea, se utiliza la capacidad calorífica correspondiente; su designación en física es diferente. La capacidad calorífica másica se designa como C y se expresa en J/kg*K, la capacidad calorífica volumétrica es C` (J/m 3 *K), la capacidad calorífica molar es C μ (J/mol*K).
gases ideales
Si se resuelve el problema de un gas ideal, entonces la expresión es diferente. Recordemos que en esta sustancia, que en realidad no existe, los átomos (o moléculas) no interactúan entre sí. Esta cualidad cambia radicalmente cualquier propiedad de un gas ideal. Por lo tanto, los enfoques tradicionales de cálculo no darán el resultado deseado. Se necesita un gas ideal como modelo para describir los electrones en un metal, por ejemplo. Su capacidad calorífica se define como el número de grados de libertad de las partículas que lo componen.
Estado fisico
Parece que para una sustancia todas las características físicas son las mismas en todas las condiciones. Pero eso no es cierto. Al pasar a otro estado de agregación (durante la fusión y congelación del hielo, la evaporación o solidificación del aluminio fundido), este valor cambia abruptamente. Por tanto, la capacidad calorífica del agua y del vapor de agua es diferente. Como veremos a continuación, de manera significativa. Esta diferencia afecta en gran medida el uso de los componentes líquidos y gaseosos de esta sustancia.
Calefacción y capacidad calorífica.
Como ya habrá notado el lector, la capacidad calorífica del agua aparece con mayor frecuencia en el mundo real. Ella es fuente de vida, sin ella nuestra existencia es imposible. Una persona lo necesita. Por eso, desde la antigüedad hasta la actualidad, la tarea de llevar agua a hogares e industrias o campos siempre ha sido un desafío. Bueno para aquellos países que tienen todo el año temperatura positiva. Los antiguos romanos construyeron acueductos para abastecer a sus ciudades de este valioso recurso. Pero donde hay invierno, este método no sería adecuado. El hielo, como se sabe, tiene un volumen específico mayor que el agua. Esto significa que cuando se congela en las tuberías, las destruye debido a la expansión. Así, ante los ingenieros calefacción central y entrega caliente y agua fría El desafío en casa es cómo evitarlo.
La capacidad calorífica del agua, teniendo en cuenta la longitud de las tuberías, dará la temperatura requerida a la que se deben calentar las calderas. Sin embargo, nuestros inviernos pueden ser muy fríos. Y a cien grados centígrados ya se produce la ebullición. En esta situación, la capacidad calorífica específica del vapor de agua viene al rescate. Como se señaló anteriormente, el estado de agregación cambia este valor. Pues bien, las calderas que traen calor a nuestros hogares contienen vapor muy sobrecalentado. Debido a que tiene una temperatura alta, crea una presión increíble, por lo que las calderas y las tuberías que conducen a ellas deben ser muy duraderas. EN en este caso Incluso un pequeño agujero, una fuga muy pequeña puede provocar una explosión. La capacidad calorífica del agua depende de la temperatura y de forma no lineal. Es decir, calentarlo de veinte a treinta grados requerirá una cantidad de energía diferente a la de, digamos, ciento cincuenta a ciento sesenta.
Para cualquier actuación que implique calentar agua hay que tener esto en cuenta, sobre todo si hablamos de grandes volúmenes. La capacidad calorífica del vapor, como muchas de sus propiedades, depende de la presión. A la misma temperatura que el estado líquido, el estado gaseoso tiene casi cuatro veces menos capacidad calorífica.
Arriba dimos muchos ejemplos de por qué es necesario calentar agua y cómo es necesario tener en cuenta la magnitud de la capacidad calorífica. Sin embargo, todavía no os hemos contado que entre todos los recursos disponibles en el planeta, este líquido tiene un índice de consumo energético bastante elevado para calefacción. Esta propiedad se utiliza a menudo para enfriar.
Dado que la capacidad calorífica del agua es alta, absorberá eficaz y rápidamente el exceso de energía. Se utiliza en producción, en equipos de alta tecnología (por ejemplo, en láseres). Y en casa probablemente sepamos que lo más manera efectiva Enfríe los huevos duros o en una sartén caliente; enjuáguelos bajo el grifo de agua fría.
Y el principio de funcionamiento de los reactores nucleares atómicos se basa generalmente en la alta capacidad calorífica del agua. La zona caliente, como su nombre indica, tiene una temperatura increíblemente alta. Al calentarse, el agua enfría el sistema, evitando que la reacción se salga de control. Por lo tanto, recibimos la electricidad necesaria (el vapor calentado hace girar las turbinas) y no ocurre ninguna catástrofe.
La tabla muestra las propiedades termofísicas del vapor de agua en la línea de saturación en función de la temperatura. Las propiedades del vapor se dan en la tabla en el rango de temperatura de 0,01 a 370°C.
Cada temperatura corresponde a la presión a la que el vapor de agua se encuentra en estado de saturación. Por ejemplo, a una temperatura de vapor de agua de 200°C, su presión será de 1,555 MPa o aproximadamente 15,3 atm.
La capacidad calorífica específica del vapor, la conductividad térmica y el vapor aumentan a medida que aumenta la temperatura. La densidad del vapor de agua también aumenta. El vapor de agua se vuelve caliente, pesado y viscoso, con una alta capacidad calorífica específica, lo que tiene un efecto positivo en la elección del vapor como refrigerante en algunos tipos de intercambiadores de calor.
Por ejemplo, según la tabla, la capacidad calorífica específica del vapor de agua. Cp a una temperatura de 20°C es 1877 J/(kg grados), y cuando se calienta a 370°C, la capacidad calorífica del vapor aumenta a un valor de 56520 J/(kg grados).
La tabla muestra las siguientes propiedades termofísicas del vapor de agua en la línea de saturación:
- presión de vapor a una temperatura especificada p·10-5, papá;
- densidad de vapor ρ″ , kg/m 3 ;
- entalpía específica (masa) h″, kJ/kg;
- r, kJ/kg;
- capacidad calorífica específica del vapor Cp, kJ/(kg grados);
- coeficiente de conductividad térmica λ·10 2, W/(m grados);
- coeficiente de difusividad térmica a·10 6, m2/s;
- viscosidad dinámica µ·10 6, Pa·s;
- viscosidad cinemática v·10 6, m2/s;
- número de prandtl pr.
El calor específico de vaporización, la entalpía, la difusividad térmica y la viscosidad cinemática del vapor de agua disminuyen al aumentar la temperatura. La viscosidad dinámica y el número de Prandtl del vapor aumentan.
¡Ten cuidado! La conductividad térmica en la tabla se indica elevada a 10 2. ¡No olvides dividir por 100! Por ejemplo, la conductividad térmica del vapor a una temperatura de 100°C es 0,02372 W/(m grados).
Conductividad térmica del vapor de agua a diversas temperaturas y presiones.
La tabla muestra los valores de conductividad térmica del agua y del vapor de agua a temperaturas de 0 a 700°C y presiones de 0,1 a 500 atm. Dimensión de conductividad térmica W/(m grados).
La línea debajo de los valores de la tabla significa la transición de fase del agua a vapor, es decir, los números debajo de la línea se refieren al vapor y los que están encima, al agua. Según la tabla, se puede observar que el valor del coeficiente y del vapor de agua aumenta a medida que aumenta la presión.
Nota: la conductividad térmica en la tabla se indica en potencias de 10 3. ¡No olvides dividir por 1000!
Conductividad térmica del vapor de agua a altas temperaturas.
La tabla muestra los valores de conductividad térmica del vapor de agua disociado en la dimensión W/(m grados) a temperaturas de 1400 a 6000 K y presiones de 0,1 a 100 atm.
Según la tabla, la conductividad térmica del vapor de agua en altas temperaturas aumenta notablemente en la región de 3000...5000 K. En valores altos presión, el coeficiente máximo de conductividad térmica se alcanza a temperaturas más altas.
¡Ten cuidado! La conductividad térmica en la tabla se indica elevada a 10 3. ¡No olvides dividir por 1000!
El agua es una de las sustancias más sorprendentes. A pesar de su uso extendido y extendido, es un auténtico misterio de la naturaleza. Al ser uno de los compuestos de oxígeno, el agua, al parecer, debería tener características muy bajas como congelación, calor de vaporización, etc. Pero esto no sucede. La capacidad calorífica del agua por sí sola es, a pesar de todo, extremadamente alta.
El agua puede absorber gran cantidad calor, mientras prácticamente no se calienta: este es su característica física. el agua es aproximadamente cinco veces mayor que la capacidad calorífica de la arena y diez veces mayor que la del hierro. Por tanto, el agua es un refrigerante natural. Su capacidad de acumular gran número La energía permite suavizar las fluctuaciones de temperatura en la superficie de la Tierra y regular el régimen térmico en todo el planeta, y esto ocurre independientemente de la época del año.
Este propiedad unica El agua permite su uso como refrigerante en la industria y en el hogar. Además, el agua es una materia prima ampliamente disponible y relativamente barata.
¿Qué se entiende por capacidad calorífica? Como se sabe por el curso de termodinámica, la transferencia de calor siempre se produce de un cuerpo caliente a uno frío. En este caso, estamos hablando de la transferencia de una determinada cantidad de calor, y la temperatura de ambos cuerpos, al ser característica de su estado, muestra la dirección de este intercambio. En el proceso de unión de un cuerpo metálico con agua de igual masa a las mismas temperaturas iniciales, el metal cambia de temperatura varias veces más que el agua.
Si tomamos como postulado el enunciado básico de la termodinámica: de dos cuerpos (aislados de los demás), durante el intercambio de calor uno cede y el otro recibe igual cantidad calor, queda claro que el metal y el agua tienen capacidades caloríficas completamente diferentes.
Por tanto, la capacidad calorífica del agua (así como de cualquier sustancia) es un indicador que caracteriza la capacidad de una determinada sustancia para dar (o recibir) algo cuando se enfría (calienta) por unidad de temperatura.
La capacidad calorífica específica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para calentar una unidad de esta sustancia (1 kilogramo) en 1 grado.
La cantidad de calor liberado o absorbido por un cuerpo es igual al producto de la capacidad calorífica específica, la masa y la diferencia de temperatura. Se mide en calorías. Una caloría es exactamente la cantidad de calor suficiente para calentar 1 g de agua en 1 grado. A modo de comparación: la capacidad calorífica específica del aire es 0,24 cal/g ∙°C, el aluminio - 0,22, el hierro - 0,11, el mercurio - 0,03.
La capacidad calorífica del agua no es constante. Con un aumento de temperatura de 0 a 40 grados, disminuye ligeramente (de 1,0074 a 0,9980), mientras que para todas las demás sustancias esta característica aumenta durante el proceso de calentamiento. Además, puede disminuir al aumentar la presión (en profundidad).
Como sabes, el agua tiene tres estado de agregación- líquido, sólido (hielo) y gaseoso (vapor). Al mismo tiempo, la capacidad calorífica específica del hielo es aproximadamente 2 veces menor que la del agua. Ésta es la principal diferencia entre el agua y otras sustancias cuyos valores caloríficos específicos no cambian en los estados sólido y fundido. ¿Cuál es el secreto?
El hecho es que el hielo tiene una estructura cristalina que no colapsa inmediatamente cuando se calienta. El agua contiene pequeñas partículas de hielo que constan de varias moléculas llamadas asociadas. Cuando se calienta el agua, parte de ella se gasta en la destrucción de los enlaces de hidrógeno en estas formaciones. Esto explica la inusualmente alta capacidad calorífica del agua. Los enlaces entre sus moléculas se destruyen por completo sólo cuando el agua se transforma en vapor.
La capacidad calorífica específica a una temperatura de 100° C casi no difiere de la del hielo a 0° C. Esto confirma una vez más la exactitud de esta explicación. La capacidad calorífica del vapor, al igual que la capacidad calorífica del hielo, se estudia actualmente mucho mejor que la del agua, sobre lo cual los científicos aún no han llegado a un consenso.