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. Al mismo tiempo estamos hablando de sobre la transferencia de una cierta cantidad de calor, y la temperatura de ambos cuerpos, siendo una 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: calor específico aire - 0,24 cal/g ∙°С, aluminio - 0,22, hierro - 0,11, 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 saben, el agua tiene tres estados 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.
Calor específico El agua le permite acumular y retener una cantidad significativa de calor.
Capacidad calorífica específica del agua., esta es la cantidad de calor que el agua puede acumular por unidad de peso.
Sin conocimiento de la capacidad calorífica del agua y materiales de construcción no es posible construir hogar cálido.
Capacidad calorífica del agua y estructuras de construccion juega un papel decisivo en la calefacción solar y en el almacenamiento calor solar, en acumuladores de suelo y agua.
Al construir una casa cálida se debe tener en cuenta la capacidad calorífica específica de distintos sólidos.
Valores estándar de capacidad calorífica específica utilizados en la construcción de viviendas.
Cómo determinar la capacidad calorífica del agua, sin conocer la capacidad calorífica del agua, no es posible calcular los sistemas de calefacción solar en el hogar, la capacidad calorífica del agua juega un papel importante en la decisión sobre el almacenamiento de calor de la energía solar.
Sin conocer la capacidad calorífica del agua, no es posible calcular el sistema de calefacción de una casa, porque es la gran
capacidad calorífica del agua
nos permite utilizarlo en sistemas de calefacción y refrigeración.
El sistema de calefacción de la casa, el apartamento puede ser eléctrico, gas, combustible sólido, sistema cerrado calentar con agua y vapor; el vapor tiene un calor específico mayor que el agua.
La mayoría de los sistemas de calefacción de viviendas privadas edificios residenciales, vapor o calentamiento de agua, donde la capacidad calorífica del agua permite reducir el coste del refrigerante.
El agua caliente y el vapor son refrigerantes para calentar; la formación de vapor en el agua se produce de forma intensiva después del inicio de la ebullición; cuanto mayor es la presión del vapor, mayor es la temperatura y la capacidad calorífica;
Capacidad calorífica específica del agua a 4
°С,
4200
kJ/kg°C.
Calefacción con vapor de agua a gas de una casa privada, piso de agua, cuánto calor se liberará durante el enfriamiento si el refrigerante es agua caliente.
Para hacer esto, necesitamos conocer el coeficiente de transferencia de calor, el coeficiente de conductividad térmica del agua durante el funcionamiento y el coeficiente de transferencia de calor en los sistemas de calefacción.
Para calentar agua en una casa privada, la capacidad calorífica específica del agua es crucial al calcular los sistemas de calefacción de agua y vapor.
El agua es un conductor de calor ideal; tiene un alto coeficiente de transferencia de calor: la conductividad térmica no está limitada debido a su bajo costo.
¿Cómo calcular y medir la capacidad calorífica del agua, cómo construir una casa, calentarla sin saber cuál es la capacidad calorífica?
Al construir una casa, al calcular los sistemas de calefacción, la condición principal para el confort de la vivienda es la capacidad calorífica específica del agua y el aire.
Con diferentes densidades de agua kg m3, la capacidad calorífica y la cantidad de calor energético potencial cambian.
El calor en el agua se transfiere debido a la difusión, la temperatura del agua aumenta, la cantidad de calor aumenta, la densidad del agua disminuye, el agua tiene una alta capacidad calorífica específica, el refrigerante más común en los sistemas de calefacción.
Alta conductividad térmica, la energía térmica se transfiere debido a la fricción interna y la colisión de moléculas.
La capacidad calorífica del aire es un orden de magnitud menor que la del agua, pero sistemas de aire La calefacción no ha perdido su importancia.
La energía interna del vapor, debido a su gran capacidad calorífica, se encuentra amplia aplicación, V. economía nacional, recibiendo electricidad.
Capacidad calorífica específica de diversos sólidos, a 20°C.
|
Nombre |
crzh |
Nombre |
crzh |
|
Hojas de fibrocemento |
0,96 |
Mármol |
0,80 |
|
Basalto |
0,84 |
Arcilla arenisca - calcárea |
0,96 |
|
Concreto |
1,00 |
Arenisca cerámica |
0,75-0,84 |
|
Fibras minerales |
0,84 |
Arenisca roja |
0,71 |
|
Yeso |
1,09 |
Vaso |
0,75-0,82 |
|
Arcilla |
0,88 |
Turba |
1,67...2,09 |
|
losas de granito |
0,75 |
Cemento |
0,80 |
|
suelo arenoso |
1.1...3.2 |
Hierro fundido |
0,55 |
|
madera de roble |
2,40 |
Pizarra |
0,75 |
|
madera de abeto |
2,70 |
Piedra triturada |
0,75...1,00 |
|
Tableros de fibra |
2,30 |
suelo mojado |
Capacidad calorífica específica del agua a diferentes temperaturas.
donde срж = 4,1877 kJ / (kg⋅K) es la capacidad calorífica isobárica del agua.
Calentar 1 litro de agua a 1 grado" = 1 kcal.
1 kW/h = 865 kcal, esta energía es suficiente para calentar 865 litros de agua en 1 grado o 8,65 litros a 100°C. \
Valor redondeado 1 kWh = 3600 kJ ~ 860 kcal = 860000 cal.
1 kcal ~ 4187 J = 4,187 kJ ~ 0,001163 kWh.
Calentar el agua a 1°C. 5000 litros *1 Kcal/ 865 Kcal = 0,578 kW/h * si a 60 °C = 290 kW/h.
La cantidad de calor se mide en calorías.
Una caloría es la cantidad de calor que se gasta para calentar un gramo de agua en un °C. en presión atmosférica(101325 Pa). En todas partes escriben en Kelvin y tú puedes decir lo mismo.
Pero sólo diré que un cambio de un grado Celsius dará lugar a una diferencia de un grado Kelvin.
La diferencia entre Kelvin y Celsius es sólo una diferencia de desplazamiento de 273,15 unidades. Es decir, °C = Kelvin-273,15.
1 caloría = 4,1868 J.
1 julio = 0,2388 calorías.
Cómo convertir unidades de medida.
1 caloría = 4,1868 J.
1 julio = 0,2388 calorías.
Cómo convertir todo esto en Watt-hora.
1 caloría = 0,001163 Wh
1 kcal = 1,163 Wh
Por definición, una caloría es la cantidad de calor necesaria para calentar un centímetro cúbico de agua en 1 grado Celsius. Gcal, que se utiliza para medir la energía térmica en la ingeniería y los servicios públicos de energía térmica, equivale a mil millones de calorías. En 1 metro hay 100 centímetros, por lo tanto en uno metro cúbico- 100 x 100 x 100 = 1000000 CM3. Así, para calentar 1 grado M3 de agua, se necesitarán 1.000.000 de calorías o 0,001 Gcal.
A temperatura del agua T1 = 5°C - si se calienta a T2 = 50°C. Para calentar M3 (1000 kg) de agua, consideramos Q energía = C capacidad calorífica del agua * diferencia de temperatura T1-T2 * 1000 kg, tenemos 4,183 kJ/(kg.K) * 45 °C * 1000 kg = 188235 kJ. (188,235 MJ), en kWh = 188235/3600 = 52,2875 kWh
Es decir, para calentar 1 m3 de agua de 5°C a 50°C, se necesitan unos 6 m3 de gas.
La cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de Tn a Tk de un cuerpo de masa m se puede calcular mediante la siguiente fórmula: Q = C x (Tn - Tk) x m, kJ
donde m es el peso corporal, kg; C - capacidad calorífica específica, kJ/(kg*K)
|
La capacidad calorífica específica de algunas sustancias se mide en grados Kelvin (K). |
||
|
La capacidad calorífica específica se da aquí usando unidades |
Estado fisico |
Específico |
|
aire (seco) |
gas |
1,005 |
|
aluminio |
sólido |
0,930 |
|
latón |
sólido |
0,377 |
|
cobre |
sólido |
0,385 |
|
acero |
sólido |
0,500 |
|
hierro |
sólido |
0,444 |
|
hierro fundido |
sólido |
0,540 |
|
vidrio de cuarzo |
sólido |
0,703 |
|
agua 373K (100°C) |
gas |
2,020 |
|
agua |
líquido |
4,183 |
Capacidad calorífica específica del agua, Capacidad calorífica específica de diversos sólidos, Valores estándar de capacidad calorífica específica
entalpía es una propiedad de una sustancia que indica la cantidad de energía que puede convertirse en calor.entalpía es una propiedad termodinámica de una sustancia que indica nivel de energía, conservado en su estructura molecular. Esto significa que aunque una sustancia pueda tener energía basada en , no toda ella puede convertirse en calor. Parte energía interna siempre permanece en la sustancia y mantiene su estructura molecular. Parte de la sustancia es inaccesible cuando su temperatura se acerca a la temperatura ambiente. Por eso, entalpía es la cantidad de energía que está disponible para convertirse en calor a una determinada temperatura y presión. Unidades de entalpía- británico unidad termica o julios para energía y Btu/lbm o J/kg para energía específica.
Cantidad de entalpía
Cantidad entalpía de la materia en función de su temperatura dada. esta temperatura- este es el valor elegido por científicos e ingenieros como base para los cálculos. Es la temperatura a la que la entalpía de una sustancia es cero J. En otras palabras, la sustancia no tiene energía disponible que pueda convertirse en calor. Esta temperatura es diferente para diferentes sustancias. Por ejemplo, esta temperatura del agua es el punto triple (0 °C), la del nitrógeno -150 °C y la de los refrigerantes a base de metano y etano -40 °C.Si la temperatura de una sustancia es mayor que su temperatura dada o cambia de estado a estado gaseoso a una temperatura dada, la entalpía se expresa como un número positivo. Por el contrario, a una temperatura inferior a ésta, la entalpía de una sustancia se expresa como un número negativo. La entalpía se utiliza en cálculos para determinar la diferencia en los niveles de energía entre dos estados. Esto es necesario para configurar el equipo y determinar acción útil proceso.
entalpía a menudo definido como energía total de la materia, ya que es igual a la suma de su energía interna (u) en este estado junto con su capacidad para hacer el trabajo (pv). Pero en realidad, la entalpía no indica la energía total de una sustancia a una temperatura determinada por encima de cero absoluto(-273ºC). Por lo tanto, en lugar de definir entalpía Como calor total de una sustancia, se define más exactamente como la cantidad total de energía disponible de una sustancia que se puede convertir en calor.
H = U + pV
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. Como puede comprender, estamos hablando de 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 relativo o capacidad calorífica específica. Se define como cantidad de calor(nota, no se requieren cantidades infinitesimales) 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 el problema se soluciona gases ideales, entonces para él 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 mudarse a otro estado fisico(durante el derretimiento y congelación del hielo, durante 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 viene al rescate. vapor de agua. 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 la atómica. reactores nucleares En general, se basa en la alta capacidad calorífica del agua. La Zona Caliente, como su nombre indica, tiene increíbles temperatura 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.