Tabuľka tepelnej kapacity vodnej pary pri rôznych teplotách. Tepelná kapacita vody a pary. Definícia a aplikácia

Voda je jednou z najúžasnejších látok. Napriek rozšírenému a rozšírenému používaniu je skutočnou záhadou prírody. Zdá sa, že ako jedna z kyslíkových zlúčenín by voda mala mať veľmi nízke vlastnosti, ako je mrznutie, výparné teplo atď. Ale to sa nestáva. Samotná tepelná kapacita vody je napriek všetkému mimoriadne vysoká.

Voda môže absorbovať veľké množstvo teplo, pričom sa prakticky nezohrieva - to je jeho fyzická vlastnosť. voda je približne päťkrát vyššia ako tepelná kapacita piesku a desaťkrát vyššia ako tepelná kapacita železa. Preto je voda prirodzeným chladivom. Jeho schopnosť akumulácie veľké množstvo energia umožňuje vyrovnávať teplotné výkyvy na zemskom povrchu a regulovať tepelný režim na celej planéte, a to bez ohľadu na ročné obdobie.

Toto jedinečná nehnuteľnosť voda umožňuje jeho použitie ako chladiacej kvapaliny v priemysle aj v domácnosti. Voda je navyše široko dostupná a relatívne lacná surovina.

Čo znamená tepelná kapacita? Ako je známe z priebehu termodynamiky, k prenosu tepla dochádza vždy z horúceho telesa do studeného. V čom hovoríme o o prenose určitého množstva tepla a teplota oboch telies, ktorá je charakteristická pre ich stav, ukazuje smer tejto výmeny. V procese kovového telesa s vodou rovnakej hmotnosti pri rovnakých počiatočných teplotách mení kov svoju teplotu niekoľkonásobne viac ako voda.

Ak vezmeme za postulát základné tvrdenie termodynamiky - z dvoch telies (izolovaných od ostatných), pri výmene tepla jedno odovzdáva a druhé prijíma rovnaké množstvo teplo, je zrejmé, že kov a voda majú úplne odlišné tepelné kapacity.

Tepelná kapacita vody (ako aj akejkoľvek látky) je teda ukazovateľ charakterizujúci schopnosť danej látky niečo dávať (alebo prijímať) pri ochladzovaní (ohrievaní) na jednotku teploty.

Merná tepelná kapacita látky je množstvo tepla potrebné na zohriatie jednotky tejto látky (1 kilogram) o 1 stupeň.

Množstvo tepla uvoľneného alebo absorbovaného telesom sa rovná súčinu mernej tepelnej kapacity, hmotnosti a teplotného rozdielu. Meria sa v kalóriách. Jedna kalória je presne také množstvo tepla, ktoré stačí na zohriatie 1 g vody o 1 stupeň. Na porovnanie: špecifické teplo vzduch - 0,24 cal / g ∙°С, hliník - 0,22, železo - 0,11, ortuť - 0,03.

Tepelná kapacita vody nie je konštantná. Keď teplota stúpa z 0 na 40 stupňov, mierne klesá (z 1,0074 na 0,9980), zatiaľ čo pre všetky ostatné látky sa táto charakteristika počas zahrievania zvyšuje. Navyše môže klesať so zvyšujúcim sa tlakom (v hĺbke).

Ako viete, voda má tri stavy agregácie - kvapalné, pevné (ľad) a plynné (para). Zároveň je merná tepelná kapacita ľadu približne 2-krát nižšia ako u vody. To je hlavný rozdiel medzi vodou a inými látkami, ktorých merná tepelná kapacita sa v pevnom a roztavenom stave nemení. Aké je to tajomstvo?

Faktom je, že ľad má kryštalickú štruktúru, ktorá sa pri zahriatí okamžite nezrúti. Voda obsahuje malé častice ľadu pozostávajúce z niekoľkých molekúl nazývaných asociáty. Keď sa voda zahrieva, časť sa minie na zničenie vodíkových väzieb v týchto formáciách. To vysvetľuje nezvyčajne vysokú tepelnú kapacitu vody. Väzby medzi jeho molekulami sú úplne zničené až vtedy, keď sa voda premení na paru.

Merná tepelná kapacita pri teplote 100° C sa takmer nelíši od kapacity ľadu pri 0° C. To opäť potvrdzuje správnosť tohto vysvetlenia. Tepelná kapacita pary, podobne ako tepelná kapacita ľadu, je v súčasnosti oveľa lepšie študovaná ako voda, o ktorej vedci ešte nedospeli k zhode.

Špecifické teplo voda umožňuje akumulovať a udržať značné množstvo tepla.

Špecifická tepelná kapacita vody, to je množstvo tepla, ktoré dokáže voda akumulovať na jednotku hmotnosti.
Bez znalosti tepelnej kapacity vody a stavebné materiály nie je možné postaviť teplý dom.
Tepelná kapacita vody a stavebné konštrukcie zohráva rozhodujúcu úlohu pri solárnom ohreve a skladovaní slnečné teplo, v zemných a vodných akumulátoroch.
Pri stavbe teplého domu je potrebné vziať do úvahy špecifickú tepelnú kapacitu rôznych pevných látok.
Štandardné hodnoty mernej tepelnej kapacity používané pri stavbe domu.
Ako určiť tepelnú kapacitu vody, bez znalosti tepelnej kapacity vody nie je možné vypočítať solárne vykurovacie systémy doma, tepelná kapacita vody zohráva dôležitú úlohu pri rozhodovaní o solárnej energii akumulácie tepla.
Bez znalosti tepelnej kapacity vody nie je možné vypočítať vykurovací systém domu, pretože je veľký tepelná kapacita vody nám umožňuje použiť ho vo vykurovacích a chladiacich systémoch.

Vykurovanie domu, bytu môže byť elektrické, plynové, na tuhé palivo, uzavretý systém ohrev vodou a parou, para má vyššie špecifické teplo ako voda.

Väčšina systémov vykurovania súkromných domov obytné budovy, parný príp ohrev vody, kde tepelná kapacita vody umožňuje znížiť náklady na chladiacu kvapalinu.

Horúca voda a para sú chladivom na vykurovanie, tvorba pary vody nastáva intenzívne po začiatku varu, čím vyšší je tlak pary, tým vyššia je teplota a tepelná kapacita.

Špecifická tepelná kapacita vody pri 4 °С, 4200 kJ/kg °C.
Plynové vodné parné vykurovanie súkromného domu, vodná podlaha, koľko tepla sa uvoľní počas chladenia, ak je chladiaca kvapalina horúca voda.
K tomu potrebujeme poznať súčiniteľ prestupu tepla, súčiniteľ tepelnej vodivosti vody počas prevádzky, súčiniteľ prestupu tepla vo vykurovacích systémoch.
Ohrev vody v súkromnom dome, špecifická tepelná kapacita vody je rozhodujúca pri výpočte vodných a parných vykurovacích systémov.
Voda je ideálnym vodičom tepla, má vysoký súčiniteľ prestupu tepla - tepelnú vodivosť, objem vody nie je pre svoju lacnosť obmedzený.

Ako vypočítať a zmerať tepelnú kapacitu vody, ako postaviť dom, urobiť kúrenie bez toho, aby ste vedeli, čo je tepelná kapacita?
Pri stavbe domu, výpočte vykurovacích systémov je hlavnou podmienkou komfortu bývania merná tepelná kapacita vody a vzduchu.
Pri rôznych hustotách vody kg m3 sa mení tepelná kapacita a množstvo potenciálnej energie teplo.
Teplo vo vode sa prenáša difúziou, teplota vody sa zvyšuje, množstvo tepla sa zvyšuje, hustota vody klesá, voda má vysokú mernú tepelnú kapacitu, najbežnejšie chladivo vo vykurovacích systémoch.
Vysoká tepelná vodivosť, tepelná energia sa prenáša v dôsledku vnútorného trenia a kolízie molekúl.
Tepelná kapacita vzduchu je rádovo nižšia ako u vody, ale vzduchové systémy vykurovanie nestratilo svoj význam.
Vnútorná energia pary sa nachádza vďaka jej veľkej tepelnej kapacite široké uplatnenie, V národného hospodárstva, príjem elektriny.
Špecifická tepelná kapacita rôznych pevných látok pri 20°C.

názov	Crzh kJ/kg °C	názov	Crzh kJ/kg°C
Azbestocementové dosky	0,96	Mramor	0,80
Čadič	0,84	Pieskovcový íl – vápenatý	0,96
Betón	1,00	Keramický pieskovec	0,75-0,84
Minerálne vlákna	0,84	Pieskovcová červená	0,71
Sadra	1,09	sklo	0,75-0,82
Hlina	0,88	Rašelina	1,67...2,09
Žulové dosky	0,75	Cement	0,80
piesčitá pôda	1.1...3.2	Liatina	0,55
dubové drevo	2,40	Bridlica	0,75
Jedľové drevo	2,70	Rozdrvený kameň	0,75...1,00
Dosky z drevovláknitých dosiek	2,30	Mokrá pôda

Merná tepelná kapacita vody pri rozdielne teploty.

kde срж = 4,1877 kJ / (kg⋅K) je izobarická tepelná kapacita vody.
Zahrejte 1 liter vody o 1 stupeň“ = 1 kcal.
1 kW/h = 865 kcal, táto energia vystačí na ohriatie 865 litrov vody o 1 stupeň alebo 8,65 litra na 100°C. \
Zaokrúhlená hodnota 1 kWh = 3600 kJ ~ 860 kcal = 860000 kal.
1 kcal ~ 4187 J = 4,187 kJ ~ 0,001163 kWh.
Na ohrev vody o 1°C. 5000 litrov *1 kcal/ 865 kcal = 0,578 kW/h * pri 60 °C = 290 kW/h.
Množstvo tepla sa meria v kalóriách.
Jedna kalória je množstvo tepla vynaloženého na zohriatie jedného gramu vody o jeden °C. pri atmosferický tlak(101325 Pa). Všade sa píše v Kelvinoch a vy môžete povedať to isté.
Ale poviem len toľko, že zmena o jeden stupeň Celzia povedie k rozdielu o jeden stupeň Kelvina.
Rozdiel medzi Kelvinom a Celziom je len posunový rozdiel 273,15 jednotiek. To znamená, °C = Kelvin-273,15.
1 kalória = 4,1868 J.
1 Joule = 0,2388 kalórií.
Ako previesť merné jednotky.
1 kalória = 4,1868 J.
1 Joule = 0,2388 kalórií.
Ako to všetko previesť na watthodinu.
1 kalória = 0,001163 Wh
1 kcal = 1,163 Wh

Podľa definície je kalória množstvo tepla potrebné na zahriatie jedného kubického centimetra vody o 1 stupeň Celzia. Gcal, ktorý sa používa na meranie tepelnej energie v tepelnej energetike a verejných službách, je miliarda kalórií. V 1 metre je 100 centimetrov, teda v jednom meter kubický- 100 x 100 x 100 = 1 000 000 CM3. Na zohriatie M3 vody o 1 stupeň bude teda potrebných 1 000 000 kalórií alebo 0,001 Gcal.
Pri teplote vody T1 = 5°C - ak je ohriata na T2 = 50°C. Aby sme zohriali M3 (1000 kg) vody, uvažujeme Q energia = C tepelná kapacita vody * T1-T2 teplotný rozdiel * 1000 kg, máme 4,183 kJ/(kg.K) * 45 °C * 1000 kg = 188 235 kJ. (188,235 MJ), v kWh = 188235/3600 = 52,2875 kWh
To znamená, že na zohriatie 1 m3 vody z 5°C na 50°C potrebujete cca 6 m3 plynu.

Množstvo tepla potrebné na zvýšenie teploty z Tn na Tk telesa s hmotnosťou m možno vypočítať pomocou tohto vzorca: Q = C x (Tn - Tk) x m, kJ
kde m je telesná hmotnosť, kg; C - merná tepelná kapacita, kJ/(kg*K)

Merná tepelná kapacita niektorých látok meria teplotu v Kelvinoch (K). Tabuľka I: Štandardné hodnoty špecifickej tepelnej kapacity
Špecifická tepelná kapacita sa tu udáva pomocou jednotiek	Stav agregácie	Špecifické tepelná kapacita kJ/(kg K)
vzduch (suchý)	plynu	1,005
hliník	pevný	0,930
mosadz	pevný	0,377
meď	pevný	0,385
oceľ	pevný	0,500
železo	pevný	0,444
liatina	pevný	0,540
kremenné sklo	pevný	0,703
voda 373 K (100 °C)	plynu	2,020
voda	kvapalina	4,183

Špecifická tepelná kapacita vody, merná tepelná kapacita rôznych pevných látok, štandardné hodnoty mernej tepelnej kapacity

Entalpia je vlastnosť látky, ktorá udáva množstvo energie, ktorú možno premeniť na teplo.

Entalpia je termodynamická vlastnosť látky, ktorá naznačuje energetická úroveň, zachovaná vo svojej molekulárnej štruktúre. To znamená, že hoci látka môže mať energiu založenú na , nie všetku ju možno premeniť na teplo. Časť vnútornej energie vždy zostáva v látke a zachováva svoju molekulárnu štruktúru. Časť látky je neprístupná, keď sa jej teplota blíži teplote okolia. teda entalpia je množstvo energie, ktoré je k dispozícii na premenu na teplo pri určitej teplote a tlaku. Jednotky entalpie- Britský tepelná jednotka alebo joule pre energiu a Btu/lbm alebo J/kg pre špecifickú energiu.

Množstvo entalpie

Množstvo entalpia hmoty na základe jeho danej teploty. Táto teplota- to je hodnota, ktorú si vedci a inžinieri vyberajú ako základ pre výpočty. Je to teplota, pri ktorej je entalpia látky nulová J. Inými slovami, látka nemá žiadnu dostupnú energiu, ktorú by bolo možné premeniť na teplo. Táto teplota je rôzna pre rôzne látky. Napríklad táto teplota vody je trojitý bod (0 °C), dusíka -150 °C a chladív na báze metánu a etánu -40 °C.

Ak je teplota látky vyššia ako jej daná teplota alebo sa pri danej teplote zmení skupenstvo na plynné, entalpia sa vyjadrí ako kladné číslo. Naopak, pri teplote pod touto teplotou je entalpia látky vyjadrená ako záporné číslo. Entalpia sa používa vo výpočtoch na určenie rozdielu energetických hladín medzi dvoma stavmi. To je potrebné na konfiguráciu zariadenia a určenie užitočná akcia proces.

Entalpiačasto definované ako celková energia hmoty, keďže sa rovná súčtu jeho vnútornej energie (u) v tento štát spolu s jeho schopnosťou dokončiť prácu (pv). Ale v skutočnosti entalpia neudáva celkovú energiu látky pri danej teplote vyššie absolútna nula(-273 °C). Preto namiesto definovania entalpia ako celkové teplo látky je presnejšie definované ako celkové množstvo dostupnej energie látky, ktorú možno premeniť na teplo.
H = U + pV

Dnes si povieme, čo je to tepelná kapacita (vrátane vody), aké typy má a kde sa používa tento fyzikálny termín. Ukážeme si tiež, aká užitočná je hodnota tejto hodnoty pre vodu a paru, prečo ju potrebujete poznať a ako ovplyvňuje náš každodenný život.

Koncept tepelnej kapacity

Toto fyzikálne množstvo Vo vonkajšom svete a vo vede sa používa tak často, že o ňom musíme v prvom rade hovoriť. Úplne prvá definícia bude od čitateľa vyžadovať určitú pripravenosť, aspoň v rozdieloch. Tepelná kapacita telesa je teda vo fyzike definovaná ako pomer prírastkov nekonečne malého množstva tepla k zodpovedajúcemu nekonečne malému množstvu teploty.

Množstvo tepla

Takmer každý chápe, čo je teplota, tak či onak. Pripomeňme si, že „množstvo tepla“ nie je len fráza, ale pojem označujúci energiu, ktorú telo stráca alebo získava pri výmene s životné prostredie. Táto hodnota sa meria v kalóriách. Túto jednotku poznajú všetky ženy, ktoré držia diéty. Milé dámy, teraz už viete, čo spálite na bežiacom páse a akú hodnotu má každý kúsok jedla, ktorý zjete (alebo necháte na tanieri). Každé teleso, ktorého teplota sa mení, teda zaznamená zvýšenie alebo zníženie množstva tepla. Pomerom týchto veličín je tepelná kapacita.

Aplikácia tepelnej kapacity

Striktná definícia fyzikálneho konceptu, o ktorom uvažujeme, sa však sama o sebe používa len zriedka. Vyššie sme povedali, že sa veľmi často používa v Každodenný život. Tí, ktorí v škole nemali radi fyziku, sú teraz pravdepodobne zmätení. A odhrnieme rúško tajomstva a povieme vám, že teplá (a dokonca studená) voda v kohútiku a vo vykurovacích potrubiach sa objavuje len vďaka výpočtom tepelnej kapacity.

Túto hodnotu zohľadňujú aj poveternostné podmienky, ktoré rozhodujú o tom, či už môže byť otvorená kúpacia sezóna alebo či sa zatiaľ oplatí zostať na brehu. Akékoľvek zariadenie spojené s vykurovaním alebo chladením ( olejový radiátor, chladnička), všetky náklady na energiu pri príprave jedla (napríklad v kaviarni) alebo pouličnej mäkkej zmrzliny sú ovplyvnené týmito výpočtami. Ako viete, hovoríme o takom množstve, ako je tepelná kapacita vody. Bolo by hlúpe predpokladať, že to robia predajcovia a bežní spotrebitelia, ale inžinieri, dizajnéri a výrobcovia všetko vzali do úvahy a dali do toho vhodné parametre. domáce prístroje. Výpočty tepelnej kapacity sa však používajú oveľa širšie: v hydraulických turbínach a výrobe cementu, pri testovaní zliatin pre lietadlá alebo železnice, v stavebníctve, tavení a chladení. Dokonca aj prieskum vesmíru sa spolieha na vzorce obsahujúce túto hodnotu.

Druhy tepelnej kapacity

Takže vo všetkom praktické aplikácie použiť relatívne alebo Špecifická tepelná kapacita. Je definovaný ako množstvo tepla(pozn. žiadne nekonečne malé množstvá) potrebné na zahriatie jednotkového množstva látky o jeden stupeň. Stupne na Kelvinovej a Celziovej stupnici sú rovnaké, ale vo fyzike je zvykom nazývať túto hodnotu v prvých jednotkách. Podľa toho, ako je vyjadrená jednotka množstva látky, sa rozlišujú hmotnostné, objemové a molárne špecifické tepelné kapacity. Pripomeňme si, že jeden mól je množstvo látky, ktoré obsahuje približne šesť až desať až dvadsiatu tretiu mocninových molekúl. V závislosti od úlohy sa používa zodpovedajúca tepelná kapacita, ich označenie vo fyzike je odlišné. Hmotnostná tepelná kapacita je označená ako C a je vyjadrená v J/kg*K, objemová tepelná kapacita je C` (J/m 3 *K), molárna tepelná kapacita je C μ (J/mol*K).

Ideálny plyn

Ak je problém vyriešený ideálny plyn, potom je pre neho výraz iný. Pripomeňme, že v tejto látke, ktorá v skutočnosti neexistuje, atómy (alebo molekuly) medzi sebou neinteragujú. Táto kvalita radikálne mení akékoľvek vlastnosti ideálneho plynu. Tradičné prístupy k výpočtom preto neprinesú požadovaný výsledok. Ideálny plyn je potrebný ako model napríklad na opis elektrónov v kove. Jeho tepelná kapacita je definovaná ako počet stupňov voľnosti častíc, z ktorých sa skladá.

Stav agregácie

Zdá sa, že všetky fyzikálne vlastnosti látky sú za všetkých podmienok rovnaké. Ale to nie je pravda. Pri prechode do iného stav agregácie(pri topení a mrazení ľadu, pri vyparovaní alebo tuhnutí roztaveného hliníka) sa táto hodnota prudko mení. Tepelná kapacita vody a vodnej pary je teda rozdielna. Ako uvidíme nižšie, výrazne. Tento rozdiel výrazne ovplyvňuje využitie kvapalných aj plynných zložiek tejto látky.

Vykurovanie a tepelná kapacita

Ako si už čitateľ všimol, v reálnom svete sa najčastejšie objavuje tepelná kapacita vody. Je zdrojom života, bez nej je naša existencia nemožná. Človek to potrebuje. Preto od staroveku až po súčasnosť bola úloha dodávať vodu do domácností a priemyselných odvetví alebo polí vždy výzvou. Dobré pre tie krajiny, ktoré majú po celý rok kladná teplota. Starí Rimania stavali akvadukty, aby zásobovali svoje mestá týmto cenným zdrojom. Ale tam, kde je zima, by tento spôsob nebol vhodný. Ľad, ako je známe, má väčší špecifický objem ako voda. To znamená, že keď zamrzne v potrubiach, zničí ich v dôsledku expanzie. Teda pred inžiniermi ústredné kúrenie a doručenie horúce a studená voda Výzvou doma je, ako sa tomu vyhnúť.

Tepelná kapacita vody, berúc do úvahy dĺžku potrubia, poskytne požadovanú teplotu, na ktorú sa kotly musia zohriať. Naše zimy však vedia byť veľmi chladné. A pri sto stupňoch Celzia už dochádza k varu. V tejto situácii prichádza na záchranu špecifická tepelná kapacita vodná para. Ako je uvedené vyššie, stav agregácie mení túto hodnotu. No a kotly, ktoré prinášajú teplo do našich domovov, obsahujú vysoko prehriatu paru. Keďže má vysokú teplotu, vytvára neskutočný tlak, takže kotly a potrubia, ktoré k nim vedú, musia byť veľmi odolné. IN v tomto prípade aj malý otvor, veľmi malý únik môže viesť k výbuchu. Tepelná kapacita vody závisí od teploty a to nelineárne. To znamená, že jeho ohrev z dvadsiatich na tridsať stupňov si vyžiada iné množstvo energie ako povedzme zo stopäťdesiat do stošesťdesiatich.

Pri akýchkoľvek činnostiach, ktoré zahŕňajú ohrev vody, by sa to malo brať do úvahy, najmä ak hovoríme o veľkých objemoch. Tepelná kapacita pary, podobne ako mnohé jej vlastnosti, závisí od tlaku. Plynné skupenstvo má pri rovnakej teplote ako kvapalné skupenstvo takmer štvornásobne menšiu tepelnú kapacitu.

Vyššie sme uviedli veľa príkladov, prečo je potrebné ohrievať vodu a ako je potrebné zohľadniť veľkosť tepelnej kapacity. Ešte sme vám však nepovedali, že spomedzi všetkých dostupných zdrojov na planéte má táto kvapalina dosť vysokú spotrebu energie na vykurovanie. Táto vlastnosť sa často využíva na chladenie.

Keďže tepelná kapacita vody je vysoká, efektívne a rýchlo absorbuje prebytočnú energiu. Používa sa vo výrobe, v high-tech zariadeniach (napríklad v laseroch). A doma to vieme asi najviac efektívna metóda vychladené natvrdo uvarené vajcia alebo horúcu panvicu – opláchnite pod studenou tečúcou vodou.

A princíp fungovania atómovej jadrové reaktory Vo všeobecnosti je postavená na vysokej tepelnej kapacite vody. Hot Zone, ako už názov napovedá, má neuveriteľné vysoká teplota. Samotným ohrevom voda ochladzuje systém, čím zabraňuje tomu, aby sa reakcia vymkla spod kontroly. Dostávame tak potrebnú elektrinu (ohriata para roztáča turbíny) a žiadna katastrofa sa nekoná.