Бұл шағын мақалада біз судың біздің планетамыз үшін ең маңызды қасиеттерінің бірін қысқаша қарастырамыз Жылу сыйымдылығы.
Судың меншікті жылу сыйымдылығы
Осы терминге қысқаша түсініктеме берейік:
Жылу сыйымдылығызат – оның жылуды жинақтау қабілеті. Бұл шама 1°С-қа қыздырғанда оның сіңіретін жылу мөлшерімен өлшенеді. Мысалы, судың жылу сыйымдылығы 1 кал/г, немесе 4,2 Дж/г, ал топырақтың жылу сыйымдылығы 14,5-15,5°С (топырақтың түріне байланысты) 0,5-0,6 кал (2 ,1) аралығында болады. -2,5 Дж) көлем бірлігіне және массаға (граммға) 0,2-ден 0,5 кал (немесе 0,8-2,1 Дж) дейін.
Судың жылу сыйымдылығы біздің өміріміздің көптеген аспектілеріне айтарлықтай әсер етеді, бірақ бұл материалда біз оның қалыптасуындағы рөліне тоқталамыз. температуралық режимпланетамыздың, атап айтқанда...
Судың жылу сыйымдылығы және жер климаты
Жылу сыйымдылығысу абсолютті мәні бойынша өте үлкен. Жоғарыда келтірілген анықтамадан біз оның планетамыздың топырағының жылу сыйымдылығынан айтарлықтай асып түсетінін көреміз. Жылу сыйымдылығының бұл айырмашылығына байланысты топырақ дүниежүзілік мұхит суларымен салыстырғанда әлдеқайда жылдам қызады және сәйкесінше тезірек салқындайды. Неғұрлым инертті мұхиттардың арқасында Жердің тәуліктік және маусымдық температурасының ауытқуы мұхиттар мен теңіздер болмаған кездегідей үлкен емес. Яғни, суық мезгілде су Жерді жылытса, жылы мезгілде суытады. Әрине, бұл әсер жағалаудағы аудандарда байқалады, бірақ жаһандық орташа мәнде ол бүкіл планетаға әсер етеді.
Әрине, тәуліктік және маусымдық температураның ауытқуына көптеген факторлар әсер етеді, бірақ су ең маңыздыларының бірі болып табылады.
Тәуліктік және маусымдық температура ауытқуларының амплитудасының артуы бізді қоршаған әлемді түбегейлі өзгертеді.
Мысалы, бәрі жақсы белгілі факт— температураның күрт ауытқуы кезінде тас өзінің беріктігін жоғалтады және сынғыш болады. Әлбетте, біз өзіміз «біршама» басқаша болар едік. Кем дегенде, біздің денеміздің физикалық параметрлері әртүрлі болады.
Судың жылу сыйымдылығының аномальды қасиеттері
Судың жылу сыйымдылығының аномальды қасиеттері бар. Судың температурасы жоғарылаған сайын оның жылу сыйымдылығы төмендейді, бұл динамика температураның одан әрі жоғарылауымен бірге жылу сыйымдылығы арта бастайды;
Бұл факт бір қызықты мәлімдемені қамтиды. Салыстырмалы түрде айтатын болсақ, табиғаттың өзі Су тұлғасында ең жоғары температураны 37°С деп анықтады қолайлы температураадам ағзасы үшін, әрине, барлық басқа факторлар орындалған жағдайда. Қоршаған орта температурасының кез келген өзгеру динамикасы кезінде судың температурасы 37 ° C-қа дейін жетеді.
Бүгін біз жылу сыйымдылығы (соның ішінде су) дегеніміз не, оның қандай түрлері бар және бұл физикалық термин қайда қолданылатыны туралы айтатын боламыз. Сондай-ақ біз бұл құндылықтың су мен бу үшін қаншалықты пайдалы екенін, оны неліктен білу керек екенін және оның күнделікті өмірімізге қалай әсер ететінін көрсетеміз.
Жылу сыйымдылығы туралы түсінік
Бұл физикалық шамаол сыртқы әлемде және ғылымда жиі қолданылатыны сонша, ең алдымен бұл туралы айту керек. Ең бірінші анықтама оқырманнан, кем дегенде, дифференциалда біршама дайындықты талап етеді. Сонымен, дененің жылу сыйымдылығы физикада шексіз аз жылу мөлшерінің өсулерінің сәйкес шексіз аз температураға қатынасы ретінде анықталады.
Жылу мөлшері
Температураның қандай екенін бәрі дерлік түсінеді. Еске салайық, «жылу мөлшері» жай сөз тіркесі емес, дененің энергиямен алмасу кезінде жоғалтатын немесе алатынын білдіретін термин. қоршаған орта. Бұл мән калориямен өлшенеді. Бұл бөлім диета ұстанатын барлық әйелдерге таныс. Құрметті ханымдар, енді сіз жүгіру жолында не күйдіретініңізді және жеген (немесе тарелкаңызға қалдырған) әрбір тағамның қаншалықты құнды екенін білесіз. Осылайша, температурасы өзгеретін кез келген дене жылу мөлшерінің жоғарылауын немесе азаюын бастан кешіреді. Бұл шамалардың қатынасы жылу сыйымдылығы болып табылады.
Жылу сыйымдылығын қолдану
Дегенмен, біз қарастырып отырған физикалық ұғымның қатаң анықтамасы өздігінен сирек қолданылады. Оның өте жиі қолданылатынын жоғарыда айттық күнделікті өмір. Мектепте физиканы ұнатпайтындар қазір абдырап қалған шығар. Біз құпиялылық пердесін көтеріп, шүмектегі және жылыту құбырларындағы ыстық (тіпті суық) су тек жылу сыйымдылығын есептеудің арқасында пайда болатынын айтамыз.
Суға түсу маусымын ашуға болатынын немесе әзірге жағада тұруға тұрарлық екенін анықтайтын ауа-райы жағдайлары да бұл мәнді ескереді. Жылыту немесе салқындатумен байланысты кез келген құрылғы ( май салқындатқыш, тоңазытқыш), тамақ дайындау кезіндегі барлық қуат шығындары (мысалы, кафеде) немесе көшедегі жұмсақ балмұздақ осы есептеулерге әсер етеді. Қалай түсінуге болады туралы айтып отырмызсудың жылу сыйымдылығы сияқты шама туралы. Мұны сатушылар мен қарапайым тұтынушылар жасайды деп ойлау ақымақтық болар еді, бірақ инженерлер, дизайнерлер және өндірушілер бәрін ескеріп, тиісті параметрлерді енгізді. тұрмыстық техника. Дегенмен, жылу сыйымдылығын есептеулер әлдеқайда кеңірек қолданылады: гидравликалық турбиналар мен цемент өндірісінде, ұшақтарға немесе темір жолдарға арналған қорытпаларды сынауда, құрылыста, балқытуда және салқындатуда. Тіпті ғарышты зерттеу осы мәнді қамтитын формулаларға сүйенеді.
Жылу сыйымдылығының түрлері
Сонымен, барлығында практикалық қолданбаларсалыстырмалы немесе меншікті жылу сыйымдылығын пайдалану. Ол заттың бірлік мөлшерін бір градусқа қыздыру үшін қажетті жылу мөлшері (ескерту, шексіз аз мәндер жоқ) ретінде анықталады. Кельвин және Цельсий шкаласы бойынша градустар бірдей, бірақ физикада бұл мәнді бірінші бірліктерде атау әдеттегідей. Заттың шама бірлігі қалай өрнектелетініне байланысты массалық, көлемдік және молярлық меншікті жылу сыйымдылықтар ажыратылады. Еске салайық, бір моль шамамен алтыдан онға дейін жиырма үшінші қуат молекуласын қамтитын заттың мөлшері болып табылады. Тапсырмаға байланысты олардың сәйкес жылу сыйымдылығы физикада әртүрлі болады; Массалық жылусыйымдылық C деп белгіленеді және Дж/кг*К-мен өрнектеледі, көлемдік жылу сыйымдылығы C` (Дж/м 3 *К), молярлық жылу сыйымдылығы С μ (Дж/моль*К).
Идеал газ
Егер идеал газ мәселесі шешілсе, онда оның өрнегі басқаша болады. Естеріңізге сала кетейік, шындықта жоқ бұл затта атомдар (немесе молекулалар) бір-бірімен әсерлеспейді. Бұл сапа идеал газдың кез келген қасиетін түбегейлі өзгертеді. Сондықтан есептеулерге дәстүрлі тәсілдер қажетті нәтиже бермейді. Мысалы, металдағы электрондарды сипаттау үшін үлгі ретінде идеал газ қажет. Оның жылу сыйымдылығы оның құрамындағы бөлшектердің еркіндік дәрежелерінің саны ретінде анықталады.
Физикалық күй
Зат үшін барлық физикалық сипаттамалар барлық жағдайда бірдей болатын сияқты. Бірақ бұл дұрыс емес. Агрегацияның басқа күйіне өткенде (мұзды еріту және мұздату, балқыған алюминийдің булануы немесе қатуы кезінде) бұл мән күрт өзгереді. Сонымен, су мен су буының жылу сыйымдылығы әртүрлі. Төменде көретініміздей, айтарлықтай. Бұл айырмашылық осы заттың сұйық және газ тәрізді компоненттерін пайдалануға қатты әсер етеді.
Жылыту және жылу сыйымдылығы
Оқырман байқағандай, судың жылу сыйымдылығы көбінесе нақты әлемде пайда болады. Ол өмірдің қайнар көзі, онсыз біздің өмір сүруіміз мүмкін емес. Адамға керек. Сондықтан ерте заманнан бүгінгі күнге дейін суды үйлер мен өнеркәсіптерге немесе егістіктерге жеткізу міндеті әрқашан қиын болды. Бар елдер үшін жақсы жыл бойыоң температура. Ежелгі римдіктер өз қалаларын осы құнды ресурспен қамтамасыз ету үшін су құбырларын салған. Бірақ қыс бар жерде бұл әдіс жарамайды. Мұз, белгілі болғандай, суға қарағанда үлкенірек меншікті көлемге ие. Бұл құбырларда қатып қалғанда, кеңейту салдарынан оларды бұзады дегенді білдіреді. Осылайша, инженерлердің алдында орталық жылытужәне жеткізу ыстық және суық суҮйдегі мәселе - мұны қалай болдырмау керек.
Құбырлардың ұзындығын ескере отырып, судың жылу сыйымдылығы қазандықтарды қыздыру қажет қажетті температураны береді. Дегенмен, біздің қыс өте суық болуы мүмкін. Ал жүз градус Цельсийде қайнау қазірдің өзінде орын алады. Бұл жағдайда су буының меншікті жылу сыйымдылығы көмекке келеді. Жоғарыда айтылғандай, біріктіру күйі бұл мәнді өзгертеді. Біздің үйге жылу әкелетін қазандықтарда өте қызған бу бар. Ол жоғары температураға ие болғандықтан, ол керемет қысым жасайды, сондықтан қазандықтар мен оларға апаратын құбырлар өте берік болуы керек. IN бұл жағдайдатіпті кішкентай тесік, өте кішкентай ағып кету жарылысқа әкелуі мүмкін. Судың жылу сыйымдылығы температураға тәуелді және сызықты емес. Яғни, оны жиырмадан отыз градусқа дейін қыздыру, айталық, жүз елуден жүз алпысқа дейін басқа энергияны қажет етеді.
Суды жылытуға қатысты кез келген әрекеттер үшін, әсіресе үлкен көлемдер туралы айтатын болсақ, бұл ескеру қажет. Будың жылу сыйымдылығы, оның көптеген қасиеттері сияқты, қысымға байланысты. Сұйық күйдегідей температурада газ күйінің жылу сыйымдылығы төрт есе дерлік аз болады.
Жоғарыда біз суды жылытудың не үшін қажет екенін және жылу сыйымдылығының шамасын қалай ескеру керектігін көптеген мысалдар келтірдік. Дегенмен, біз сізге планетадағы барлық қолда бар ресурстардың ішінде бұл сұйықтықтың жылытуға арналған энергияны тұтынудың айтарлықтай жоғары қарқыны бар екенін әлі айтқан жоқпыз. Бұл қасиет жиі салқындату үшін қолданылады.
Судың жылу сыйымдылығы жоғары болғандықтан, ол артық энергияны тиімді және тез сіңіреді. Бұл өндірісте, жоғары технологиялық жабдықта (мысалы, лазерлерде) қолданылады. Үйде біз мұны көп білетін шығармыз тиімді жолықатты пісірілген салқын жұмыртқаны немесе ыстық қуыруға арналған табаны - суық ағынды сумен шайыңыз.
Ал атомдық ядролық реакторлардың жұмыс принципі негізінен судың жоғары жылу сыйымдылығына негізделген. Ыстық аймақ, аты айтып тұрғандай, керемет жоғары температураға ие. Өзін-өзі қыздыру арқылы су жүйені салқындатады, бұл реакцияның бақылаудан шығуына жол бермейді. Осылайша, біз қажетті электр энергиясын аламыз (қыздырылған бу турбиналарды айналдырады), ешқандай апат болмайды.
Кестеде температураға байланысты қанықтыру сызығындағы су буының термофизикалық қасиеттері көрсетілген. Будың қасиеттері 0,01-ден 370°С-қа дейінгі температура диапазонында кестеде келтірілген.
Әрбір температура су буы қаныққан күйде болатын қысымға сәйкес келеді. Мысалы, су буының температурасы 200 ° C кезінде оның қысымы 1,555 МПа немесе шамамен 15,3 атм болады.
Будың меншікті жылу сыйымдылығы, оның жылу өткізгіштігі және жылу өткізгіштігі температура көтерілген сайын артады. Су буының тығыздығы да артады. Су буы жоғары ыстық, ауыр және тұтқыр болады меншікті жылу сыйымдылығы, бұл жылу алмастырғыштардың кейбір түрлерінде салқындатқыш ретінде буды таңдауға оң әсер етеді.
Мысалы, кестеге сәйкес су буының меншікті жылу сыйымдылығы C б 20°С температурада 1877 Дж/(кг град), ал 370°С-қа дейін қыздырғанда будың жылу сыйымдылығы 56520 Дж/(кг град) шамасына дейін артады.
Кестеде қанықтыру сызығында су буының келесі термофизикалық қасиеттері көрсетілген:
- белгіленген температурадағы бу қысымы p·10 -5, Па;
- будың тығыздығы ρ″ , кг/м 3 ;
- меншікті (массалық) энтальпия h″, кДж/кг;
- r, кДж/кг;
- будың меншікті жылу сыйымдылығы C б, кДж/(кг град);
- жылу өткізгіштік коэффициенті λ·10 2, Вт/(м градус);
- жылу диффузиялық коэффициенті a·10 6, м 2 / с;
- динамикалық тұтқырлық μ·10 6, Pa·s;
- кинематикалық тұтқырлық ν·10 6, м 2 / с;
- Prandtl нөмірі Pr.
Су буының меншікті булану жылуы, энтальпия, термиялық диффузия және кинематикалық тұтқырлығы температураның жоғарылауымен төмендейді. Будың динамикалық тұтқырлығы мен Prandtl саны артады.
Сақ болыңыз! Кестедегі жылу өткізгіштік 10 2 қуатпен көрсетілген. 100-ге бөлуді ұмытпаңыз! Мысалы, 100°С температурадағы будың жылу өткізгіштігі 0,02372 Вт/(м градус).
Әртүрлі температуралар мен қысымдардағы су буының жылу өткізгіштігі
Кесте су мен су буының 0-ден 700°С-қа дейінгі температурада және 0,1-ден 500 атм-ге дейінгі қысымдағы жылу өткізгіштік мәндерін көрсетеді. Жылу өткізгіштік өлшемі Вт/(м градус).
Кестедегі мәндердің астындағы сызық судың буға фазалық ауысуын білдіреді, яғни сызықтың астындағы сандар буға, ал оның үстіндегі сандар суға жатады. Кестеге сәйкес, қысымның жоғарылауымен коэффициент пен су буының мәні өсетінін көруге болады.
Ескерту: кестедегі жылу өткізгіштік 10 3 қуатпен көрсетілген. 1000-ға бөлуді ұмытпаңыз!
Жоғары температурадағы су буының жылу өткізгіштігі
Кестеде 1400-ден 6000 К-ге дейінгі температурада және 0,1-ден 100 атм-ға дейінгі қысымда Вт/(м градус) өлшемдегі диссоциацияланған су буының жылу өткізгіштік мәндері көрсетілген.
Кестеге сәйкес су буының жылу өткізгіштігі кезінде жоғары температуралар 3000...5000 К аймағында айтарлықтай өседі жоғары құндылықтарқысым, максималды жылу өткізгіштік коэффициенті жоғары температурада қол жеткізіледі.
Сақ болыңыз! Кестеде жылу өткізгіштік 10 3 қуатпен көрсетілген. 1000-ға бөлуді ұмытпаңыз!
Су - ең ғажайып заттардың бірі. Кең таралған және кең таралғанына қарамастан, бұл табиғаттың нағыз құпиясы. Оттегі қосылыстарының бірі бола отырып, су, мұздату, булану жылуы және т.б. сияқты өте төмен сипаттамаларға ие болуы керек сияқты. Бірақ бұл болмайды. Бір ғана судың жылу сыйымдылығы, бәріне қарамастан, өте жоғары.
Су сіңіре алады орасан зор сомажылу, бірақ іс жүзінде қызбайды - бұл оның физикалық ерекшелігі. су құмның жылу сыйымдылығынан шамамен бес есе, ал темірден он есе жоғары. Сондықтан су табиғи салқындатқыш болып табылады. Оның жинақтау қабілеті үлкен санэнергия жер бетіндегі температура ауытқуларын тегістеуге және бүкіл планетадағы жылу режимін реттеуге мүмкіндік береді және бұл жыл мезгіліне қарамастан болады.
Бұл бірегей қасиетсу оны өнеркәсіпте және үйде салқындатқыш ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, су кең таралған және салыстырмалы түрде арзан шикізат болып табылады.
Жылу сыйымдылығы дегеніміз не? Термодинамика курсынан белгілі болғандай, жылу беру әрқашан ыстық денеден суық денеге жүреді. Бұл жағдайда біз жылудың белгілі бір мөлшерін беру туралы айтып отырмыз және екі дененің температурасы олардың күйінің сипаттамасы бола отырып, бұл алмасудың бағытын көрсетеді. Бастапқы температуралары бірдей массалық суы бар металл денесінің процесінде метал өзінің температурасын суға қарағанда бірнеше есе көп өзгертеді.
Егер постулат ретінде термодинамиканың негізгі тұжырымын алсақ – екі денеден (басқалардан оқшауланған), жылу алмасу кезінде біреуі бөлінеді, ал екіншісі алады. тең сомажылу, металл мен судың мүлдем басқа жылу сыйымдылығы бар екені белгілі болады.
Сонымен, судың (сондай-ақ кез келген заттың) жылу сыйымдылығы - берілген заттың температура бірлігіне салқындату (қызу) кезінде бір нәрсе беру (немесе қабылдау) қабілетін сипаттайтын көрсеткіш.
Заттың меншікті жылу сыйымдылығы - бұл заттың бірлігін (1 килограмм) 1 градусқа қыздыру үшін қажет жылу мөлшері.
Дененің бөлген немесе жұтқан жылу мөлшері меншікті жылу сыйымдылығының, массаның және температура айырмашылығының көбейтіндісіне тең. Ол калориямен өлшенеді. Бір калория - бұл 1 г суды 1 градусқа қыздыруға жеткілікті жылу мөлшері. Салыстыру үшін: ауаның меншікті жылу сыйымдылығы 0,24 кал/г ∙°С, алюминийдікі – 0,22, темірдікі – 0,11, сынаптыкі – 0,03.
Судың жылу сыйымдылығы тұрақты емес. Температураның 0-ден 40 градусқа дейін жоғарылауымен ол аздап төмендейді (1,0074-тен 0,9980-ге дейін), ал барлық басқа заттар үшін бұл сипаттама қыздыру процесінде артады. Сонымен қатар, ол қысымның жоғарылауымен (тереңдікте) төмендеуі мүмкін.
Өздеріңіз білетіндей, судың үш түрі бар біріктіру жағдайы- сұйық, қатты (мұз) және газ тәрізді (бу). Сонымен бірге мұздың меншікті жылу сыйымдылығы суға қарағанда шамамен 2 есе төмен. Бұл судың басқа заттардан негізгі айырмашылығы, олардың меншікті жылу мәндері қатты және балқыған күйде өзгермейді. Мұның сыры неде?
Өйткені, мұздың кристалдық құрылымы бар, ол қызған кезде бірден құлап кетпейді. Судың құрамында ассоциациялар деп аталатын бірнеше молекулалардан тұратын ұсақ мұз бөлшектері бар. Суды қыздырған кезде оның бір бөлігі осы түзілімдердегі сутегі байланыстарын бұзуға жұмсалады. Бұл судың әдеттен тыс жоғары жылу сыйымдылығын түсіндіреді. Оның молекулалары арасындағы байланыстар су буға айналғанда ғана толығымен жойылады.
100°С температурадағы меншікті жылу сыйымдылығы 0°С температурадағы мұздан еш айырмашылығы жоқ. Бұл түсініктеменің дұрыстығын тағы бір рет растайды. Будың жылу сыйымдылығы, мұздың жылу сыйымдылығы сияқты, қазіргі уақытта суға қарағанда әлдеқайда жақсы зерттелген, бұл туралы ғалымдар әлі ортақ пікірге келген жоқ.