Hva er varmekapasiteten til vann? Termofysiske egenskaper til vanndamp: tetthet, varmekapasitet, termisk ledningsevne

I dag skal vi snakke om hva varmekapasitet er (inkludert vann), hvilke typer det kommer inn, og hvor dette fysiske begrepet brukes. Vi vil også vise hvor nyttig verdien av denne verdien er for vann og damp, hvorfor du trenger å vite det og hvordan det påvirker hverdagen vår.

Konseptet med varmekapasitet

Dette fysisk mengde det brukes så ofte i omverdenen og vitenskapen at vi først og fremst må snakke om det. Den aller første definisjonen vil kreve at leseren har en viss beredskap, i hvert fall i differensialer. Så varmekapasiteten til et legeme er definert i fysikk som forholdet mellom trinnene av en uendelig liten mengde varme til den tilsvarende uendelige temperaturen.

Mengde varme

Nesten alle forstår hva temperatur er, på en eller annen måte. La oss huske at "mengde varme" ikke bare er en setning, men et begrep som angir energien som en kropp mister eller får i bytte med miljøet. Denne verdien måles i kalorier. Denne enheten er kjent for alle kvinner som er på dietter. Kjære damer, nå vet dere hva dere brenner på tredemøllen og hva hver matbit dere spiser (eller legger igjen på tallerkenen) er verdt. Dermed opplever enhver kropp hvis temperaturen endres en økning eller reduksjon i mengden varme. Forholdet mellom disse mengdene er varmekapasiteten.

Påføring av varmekapasitet

Imidlertid en streng definisjon av hva vi vurderer fysisk konsept ganske sjelden brukt alene. Vi sa ovenfor at det er veldig ofte brukt i hverdagen. De som ikke likte fysikk på skolen er sannsynligvis forvirret nå. Og vi vil løfte sløret av hemmelighold og fortelle deg at varmt (og til og med kaldt) vann i springen og i varmerør vises bare takket være varmekapasitetsberegninger.

Værforhold, som avgjør om svømmesesongen allerede kan åpnes eller om det er verdt å holde seg i fjæra foreløpig, tar også hensyn til denne verdien. Enhver enhet knyttet til oppvarming eller kjøling (oljeradiator, kjøleskap), alle energikostnader ved tilberedning av mat (for eksempel på en kafé) eller gateis er påvirket av disse beregningene. Som du kan forstå, snakker vi om en slik mengde som varmekapasiteten til vann. Det ville være dumt å anta at dette gjøres av selgere og vanlige forbrukere, men ingeniører, designere og produsenter tok alt i betraktning og satte de riktige parameterne inn i husholdningsapparater. Imidlertid brukes varmekapasitetsberegninger mye mer utbredt: i hydrauliske turbiner og sementproduksjon, i testing av legeringer for fly eller jernbaner, i konstruksjon, smelting og kjøling. Selv romutforskning er avhengig av formler som inneholder denne verdien.

Typer varmekapasitet

Så i alt praktiske anvendelser bruke relativ eller spesifikk varmekapasitet. Det er definert som mengden varme (merk, ingen uendelige verdier) som kreves for å varme en enhetsmengde av et stoff med én grad. Gradene på Kelvin- og Celsius-skalaene er de samme, men i fysikk er det vanlig å kalle denne verdien i de første enhetene. Avhengig av hvordan mengdeenheten til et stoff uttrykkes, skilles masse, volum og molar spesifikk varmekapasitet. Husk at en mol er en mengde stoff som inneholder omtrent seks til ti til tjuetredje potensmolekyler. Avhengig av oppgaven brukes den tilsvarende varmekapasiteten deres i fysikk. Massevarmekapasitet er betegnet som C og uttrykkes i J/kg*K, volumetrisk varmekapasitet er C` (J/m 3 *K), molar varmekapasitet er C μ (J/mol*K).

Ideell gass

Hvis problemet med en ideell gass blir løst, er uttrykket for det annerledes. La oss minne deg på at i dette stoffet, som ikke eksisterer i virkeligheten, samhandler ikke atomene (eller molekylene) med hverandre. Denne kvaliteten endrer radikalt egenskapene til en ideell gass. Derfor vil tradisjonelle tilnærminger til beregninger ikke gi ønsket resultat. En ideell gass er nødvendig som modell for å beskrive elektroner i et metall, for eksempel. Dens varmekapasitet er definert som antall frihetsgrader for partiklene den er sammensatt av.

Fysisk tilstand

Det ser ut til at alt er for stoffet fysiske egenskaper er de samme under alle forhold. Men det er ikke sant. Ved overgang til en annen aggregeringstilstand (under smelting og frysing av is, fordampning eller størkning av smeltet aluminium), endres denne verdien brått. Dermed er varmekapasiteten til vann og vanndamp forskjellig. Som vi vil se nedenfor, betydelig. Denne forskjellen påvirker i stor grad bruken av både flytende og gassformige komponenter av dette stoffet.

Oppvarming og varmekapasitet

Som leseren allerede har lagt merke til, oftest i virkelige verden varmekapasiteten til vannet vises. Hun er kilden til livet, uten henne er vår eksistens umulig. En person trenger det. Derfor, fra eldgamle tider til i dag, har oppgaven med å levere vann til boliger og industrier eller jorder alltid vært en utfordring. Bra for de landene som har hele året positiv temperatur. De gamle romerne bygde akvedukter for å forsyne byene deres med denne verdifulle ressursen. Men der det er vinter, ville denne metoden ikke være egnet. Is har som kjent et større spesifikt volum enn vann. Det betyr at når det fryser i rør, ødelegger det dem på grunn av ekspansjon. Altså før ingeniørene sentralvarme og levering varmt og kaldt vann Utfordringen hjemme er hvordan du unngår dette.

Varmekapasiteten til vann, tatt i betraktning lengden på rørene, vil gi den nødvendige temperaturen som kjelene må varmes opp til. Vintrene våre kan imidlertid være veldig kalde. Og ved hundre grader Celsius oppstår allerede koking. I denne situasjonen kommer den spesifikke varmekapasiteten til vanndamp til unnsetning. Som nevnt ovenfor endrer aggregeringstilstanden denne verdien. Vel, kjelene som bringer varme til hjemmene våre inneholder svært overopphetet damp. Fordi den har høy temperatur, skaper den et utrolig trykk, så kjelene og rørene som fører til dem må være veldig slitesterke. I dette tilfellet, selv et lite hull, kan en veldig liten lekkasje føre til en eksplosjon. Varmekapasiteten til vann avhenger av temperatur, og ikke-lineært. Det vil si at oppvarming fra tjue til tretti grader vil kreve en annen mengde energi enn for eksempel fra hundre og femti til hundre og seksti.

For alle handlinger som involverer oppvarming av vann, bør dette tas i betraktning, spesielt hvis vi snakker om store volumer. Varmekapasiteten til damp, som mange av dens egenskaper, avhenger av trykk. Ved samme temperatur som flytende tilstand, gass har nesten fire ganger mindre varmekapasitet.

Ovenfor ga vi mange eksempler på hvorfor det er nødvendig å varme opp vann og hvordan det er nødvendig å ta hensyn til størrelsen på varmekapasiteten. Imidlertid har vi ennå ikke fortalt deg at blant alle tilgjengelige ressurser på planeten har denne væsken nok høy rate energikostnader til oppvarming. Denne egenskapen brukes ofte til kjøling.

Siden varmekapasiteten til vann er høy, vil det effektivt og raskt absorbere overflødig energi. Dette brukes i produksjon, i høyteknologisk utstyr (for eksempel i lasere). Og hjemme vet vi nok det mest effektiv måte avkjøl hardkokte egg eller en varm stekepanne - skyll under kald rennende kran.

Og driftsprinsippet til atomreaktorer er generelt basert på den høye varmekapasiteten til vann. Den varme sonen har, som navnet antyder, en utrolig høy temperatur. Ved å varme opp seg selv avkjøler vannet systemet, og forhindrer at reaksjonen kommer ut av kontroll. Dermed får vi den nødvendige elektrisiteten (oppvarmet damp roterer turbinene), og ingen katastrofe inntreffer.

Spesifikk varme vann lar deg akkumulere og beholde en betydelig mengde varme.

Spesifikk varmekapasitet til vann, dette er mengden varme som vann kan akkumulere per vektenhet.
Uten kunnskap om varmekapasiteten til vann og byggematerialer ikke mulig å bygge varmt hjem.
Varmekapasitet på vann og bygningskonstruksjoner gir avgjørende for solvarme og akkumulering av solvarmereserver, i grunn- og vannakkumulatorer.
Spesifikk varmekapasitet av ulike faste stoffer må tas i betraktning når du bygger et varmt hus.
Standardverdier for spesifikk varmekapasitet brukt til å bygge et hus.
Hvordan bestemme varmekapasiteten til vann, uten å vite varmekapasiteten til vann, er det ikke mulig å beregne systemet solvarme hjemme, spiller den termiske kapasiteten til vannet en viktig rolle i solvarmelagringsløsningen.
Uten å vite varmekapasiteten til vann, er det ikke mulig å beregne varmesystemet til et hus, fordi det er det store varmekapasiteten til vannet lar oss bruke den i varme- og kjølesystemer.

Husets varmesystem, leiligheten kan være elektrisk, gass, fast brensel, lukket system oppvarming med vann og damp har en høyere spesifikk varme enn vann.

De fleste varmesystemer i et privat hjem, boligbygg, damp eller vannoppvarming, hvor varmekapasiteten til vann lar deg redusere kjølevæskekostnadene.

Varmt vann og damp er et kjølemiddel for oppvarming av vann skjer intensivt etter starten av kokingen, jo høyere damptrykk, jo høyere temperatur og varmekapasitet.

Spesifikk varmekapasitet til vann ved 4 °С, 4200 kJ/kg °C.
Gassvanndampoppvarming av et privat hus, vanngulv, hvor mye varme vil frigjøres under kjøling hvis kjølevæsken er varmt vann.
For å gjøre dette må vi vite varmeoverføringskoeffisienten, varmeledningskoeffisienten til vann under drift, varmeoverføringskoeffisienten i varmesystemer.
Privat hus vannoppvarming, den spesifikke varmekapasiteten til vann er avgjørende ved beregning av systemer, vann og dampoppvarming.
Vann er en ideell varmeleder, den har en høy varmeoverføringskoeffisient - termisk ledningsevne er ikke begrenset på grunn av dens billighet.

Hvordan beregne og måle varmekapasiteten til vann, hvordan bygge et hus, lage oppvarming uten å vite hva varmekapasiteten er?
Når du bygger et hus, beregner varmesystemer, er hovedbetingelsen for boligkomfort den spesifikke varmekapasiteten til vann og luft.
På forskjellige tettheter vann kg m3, varmekapasiteten og mengden potensiell energi varmeendringer.
Varme i vann overføres på grunn av diffusjon, temperaturen på vannet øker, varmemengden øker, vannets tetthet avtar, vann har høy spesifikk varmekapasitet, den vanligste kjølevæsken i varmesystemer.
Høy varmeledningsevne, varmeenergi overføres på grunn av intern friksjon og kollisjon av molekyler.
Varmekapasiteten til luft er en størrelsesorden lavere enn vann, men luftvarmesystemer har ikke mistet sin betydning.
Den interne energien til damp, på grunn av dens høye varmekapasitet, har funnet bred anvendelse i nasjonal økonomi, mottar strøm.
Spesifikk varmekapasitet for ulike faste stoffer, ved 20°C.

Navn	Crzh kJ/kg °C	Navn	Crzh kJ/kg°C
Asbestsementplater	0,96	Marmor	0,80
Basalt	0,84	Sandsteinleire - kalkholdig	0,96
Betong	1,00	Keramisk sandstein	0,75-0,84
Mineralfibre	0,84	Sandstein rød	0,71
Gips	1,09	Glass	0,75-0,82
Leire	0,88	Torv	1,67...2,09
Granittplater	0,75	Sement	0,80
Sandholdig jord	1.1...3.2	Støpejern	0,55
Eiketre	2,40	Skifer	0,75
Granved	2,70	Knust stein	0,75...1,00
Trefiberplater	2,30	Våt jord

Spesifikk varmekapasitet til vann kl forskjellige temperaturer.

der срж = 4,1877 kJ / (kg⋅K) er den isobariske varmekapasiteten til vann.
Varm 1 liter vann med 1 grad" = 1 kcal.
1 kW/t = 865 kcal, denne energien er nok til å varme 865 liter vann med 1 grad eller 8,65 liter til 100°C. \
Avrundet verdi 1 kWh = 3600 kJ ~ 860 kcal = 860 000 cal.
1 kcal ~ 4187 J = 4,187 kJ ~ 0,001163 kWh.
For å varme opp vann med 1°C. 5000 liter *1 Kcal/ 865 Kcal = 0,578 kW/t * hvis ved 60 °C = 290 kW/t.
Mengden varme måles i kalorier.
Én kalori er mengden varme som brukes for å varme ett gram vann med én °C. ved atmosfærisk trykk (101325 Pa). Overalt skriver de på Kelvin, og du kan si det samme.
Men jeg vil bare si at en endring på én grad Celsius vil føre til en forskjell på én grad Kelvin.
Forskjellen mellom Kelvin og Celsius er bare en skiftforskjell på 273,15 enheter. Det vil si °C = Kelvin-273,15.
1 kalori = 4,1868 J.
1 Joule = 0,2388 kalorier.
Hvordan konvertere måleenheter.
1 kalori = 4,1868 J.
1 Joule = 0,2388 kalorier.
Hvordan konvertere alt dette til watt-time.
1 kalori = 0,001163 Wh
1 kcal = 1,163 Wh

Per definisjon er en kalori mengden varme som kreves for å varme en kubikkcentimeter vann med 1 grad Celsius. Gcal, som brukes til å måle termisk energi i termisk kraftteknikk og verktøy, er en milliard kalorier. Det er 100 centimeter i 1 meter, derfor i en kubikkmeter- 100 x 100 x 100 = 1000000 CM3. For å varme opp M3 vann med 1 grad, vil det ta 1 000 000 kalorier eller 0,001 Gcal.
Ved vanntemperatur T1 = 5°C - hvis oppvarmet til T2 = 50°C. For å varme opp M3 (1000 kg) vann, vurderer vi Q energi = C varmekapasitet til vann * T1-T2 temperaturforskjell * 1000 kg, vi har 4.183 kJ/(kg.K) * 45 ° C * 1000 kg = 188235 kJ. (188,235 MJ), i kWh = 188235/3600 = 52,2875 kWh
Det vil si at for å varme opp 1 m3 vann fra 5°C til 50°C trenger du ca 6 m3 gass.

Mengden varme som kreves for å øke temperaturen fra Tn til Tk for et legeme med masse m, kan beregnes ved å bruke følgende formel: Q = C x (Tn - Tk) x m, kJ
hvor m er kroppsvekt, kg; C - spesifikk varmekapasitet, kJ/(kg*K)

Den spesifikke varmekapasiteten til noen stoffer måler temperaturen i Kelvin (K). Tabell I: Standard spesifikke varmekapasitetsverdier
Spesifikk varmekapasitet er gitt her ved bruk av enheter	Fysisk tilstand	Spesiell varmekapasitet kJ/(kg K)
luft (tørr)	gass	1,005
aluminium	fast	0,930
messing	fast	0,377
kopper	fast	0,385
stål	fast	0,500
stryke	fast	0,444
støpejern	fast	0,540
kvartsglass	fast	0,703
vann 373K (100 °C)	gass	2,020
vann	flytende	4,183

Spesifikk varmekapasitet for vann, spesifikk varmekapasitet for forskjellige faste stoffer, standard spesifikke varmekapasitetsverdier

Entalpi er en egenskap ved et stoff som angir hvor mye energi som kan omdannes til varme.

Entalpi er en termodynamisk egenskap til et stoff som indikerer energinivå, bevart i sin molekylære struktur. Dette betyr at selv om et stoff kan ha energi basert på, kan ikke alt omdannes til varme. En del av indre energi forblir alltid i substansen og opprettholder sin molekylære struktur. En del av et stoff er utilgjengelig når temperaturen nærmer seg temperaturen miljø. Derfor, entalpi er mengden energi som er tilgjengelig for å omdannes til varme ved en viss temperatur og trykk. Entalpi enheter- Britisk termisk enhet eller joule for energi og Btu/lbm eller J/kg for spesifikk energi.

Entalpi mengde

Mengde entalpi av materie basert på den gitte temperaturen. Denne temperaturen- dette er verdien som er valgt av forskere og ingeniører som grunnlag for beregninger. Det er temperaturen der entalpien til et stoff er null J. Stoffet har med andre ord ingen tilgjengelig energi som kan omdannes til varme. Denne temperaturen er forskjellig for forskjellige stoffer. For eksempel er denne temperaturen på vannet trippelpunktet (0 °C), nitrogen er -150 °C, og kjølemedier basert på metan og etan er -40 °C.

Hvis temperaturen til et stoff er høyere enn dets gitte temperatur eller endrer tilstand til gassform ved en gitt temperatur, uttrykkes entalpien positivt tall. Omvendt, ved en temperatur under denne, uttrykkes entalpien til et stoff som et negativt tall. Entalpi brukes i beregninger for å bestemme forskjellen i energinivåer mellom to tilstander. Dette er nødvendig for å sette opp utstyret og bestemme den gunstige effekten av prosessen.

Entalpi ofte definert som materiens totale energi, siden den er lik summen av dens indre energi (u) i en gitt tilstand sammen med dens evne til å utføre arbeid (pv). Men i virkeligheten indikerer ikke entalpi den totale energien til et stoff ved en gitt temperatur over absolutt null (-273 °C). Derfor, i stedet for å definere entalpi som den totale varmen til et stoff, er det mer nøyaktig definert som den totale mengden tilgjengelig energi til et stoff som kan omdannes til varme.
H = U + pV

Tabellen viser de termofysiske egenskapene til vanndamp på metningslinjen avhengig av temperatur. Egenskapene til damp er gitt i tabellen i temperaturområdet fra 0,01 til 370°C.

Hver temperatur tilsvarer trykket som vanndamp er i metningstilstand. For eksempel, ved en vanndamptemperatur på 200°C, vil trykket være 1,555 MPa eller omtrent 15,3 atm.

Den spesifikke varmekapasiteten til damp, dens varmeledningsevne og dens varmeledningsevne øker når temperaturen stiger. Tettheten av vanndamp øker også. Vanndamp blir varm, tung og tyktflytende, med høy spesifikk varmekapasitet, noe som har en positiv effekt på valg av damp som kjølemiddel i enkelte typer varmevekslere.

For eksempel, i henhold til tabellen, den spesifikke varmekapasiteten til vanndamp C s ved en temperatur på 20°C er det 1877 J/(kg grader), og ved oppvarming til 370°C øker varmekapasiteten til damp til en verdi på 56520 J/(kg grader).

Tabellen viser følgende termofysiske egenskaper til vanndamp på metningslinjen:

• damptrykk ved spesifisert temperatur p·10 -5, Pa;
• damptetthet ρ″ kg/m3;
• spesifikk (masse)entalpi h″, kJ/kg;
• r, kJ/kg;
• spesifikk varmekapasitet til damp C s, kJ/(kg grader);
• varmeledningskoeffisient λ·10 2, W/(m grader);
• termisk diffusivitetskoeffisient a·10 6 m2/s;
• dynamisk viskositet μ·10 6, Pa·s;
• kinematisk viskositet ν·10 6 m2/s;
• Prandtl nummer Pr.

Den spesifikke fordampningsvarmen, entalpien, termisk diffusivitet og kinematisk viskositet til vanndamp avtar med økende temperatur. Den dynamiske viskositeten og Prandtl-tallet til dampen øker.

Vær forsiktig! Termisk ledningsevne i tabellen er indikert til styrken 10 2. Ikke glem å dele på 100! For eksempel er den termiske ledningsevnen til damp ved en temperatur på 100°C 0,02372 W/(m grader).

Varmeledningsevne av vanndamp ved forskjellige temperaturer og trykk

Tabellen viser varmeledningsevneverdiene for vann og vanndamp ved temperaturer fra 0 til 700°C og trykk fra 0,1 til 500 atm. Termisk konduktivitetsdimensjon W/(m deg).

Linjen under verdiene i tabellen betyr faseovergangen av vann til damp, det vil si at tallene under linjen refererer til damp, og de over den refererer til vann. I følge tabellen kan man se at verdien av koeffisienten og vanndampen øker når trykket øker.

Merk: termisk ledningsevne i tabellen er angitt i potenser 10 3. Ikke glem å dele på 1000!

Varmeledningsevne av vanndamp ved høye temperaturer

Tabellen viser varmeledningsevneverdiene til dissosiert vanndamp i dimensjonen W/(m deg) ved temperaturer fra 1400 til 6000 K og trykk fra 0,1 til 100 atm.

I følge tabellen er den termiske ledningsevnen til vanndamp kl høye temperaturerøker merkbart i området 3000...5000 K. Kl høye verdier trykk, oppnås den maksimale varmeledningskoeffisienten ved høyere temperaturer.

Vær forsiktig! Termisk ledningsevne i tabellen er indikert til styrken 10 3. Ikke glem å dele på 1000!

I dette lite materiale vi vil kort vurdere en av de viktigste egenskapene til vann for planeten vår, dens Varmekapasitet.

Spesifikk varmekapasitet til vann

La oss gjøre en kort tolkning av dette begrepet:

Varmekapasitet et stoff er dets evne til å samle varme. Denne verdien måles ved mengden varme som absorberes av den når den varmes opp med 1°C. For eksempel er varmekapasiteten til vann 1 cal/g, eller 4,2 J/g, og varmekapasiteten til jord ved 14,5-15,5°C (avhengig av jordtype) varierer fra 0,5 til 0,6 cal (2,1) -2,5 J) per volumenhet og fra 0,2 til 0,5 cal (eller 0,8-2,1 J) per masseenhet (gram).

Varmekapasiteten til vann har en betydelig innvirkning på mange aspekter av livene våre, men i dette materialet vil vi fokusere på dets rolle i dannelsen temperaturregime av planeten vår, nemlig...

Varmekapasiteten til vann og jordens klima

Varmekapasitet vann i sin absolutte verdi er ganske stor. Fra definisjonen ovenfor ser vi at den betydelig overstiger varmekapasiteten til jorda på planeten vår. På grunn av denne forskjellen i varmekapasitet, varmes jorden opp, sammenlignet med vannet i verdenshavene, mye raskere og følgelig avkjøles raskere. Takket være de mer inerte havene er ikke svingningene i jordens daglige og sesongmessige temperaturer så store som de ville vært i fravær av hav og hav. Det vil si at i den kalde årstiden varmer vann jorden, og i den varme årstiden avkjøles det. Naturligvis er denne påvirkningen mest merkbar i kystområder, men i globale gjennomsnitt påvirker den hele planeten.

Naturligvis er svingninger i dags- og sesongtemperaturer påvirket av mange faktorer, men vann er en av de viktigste.

En økning i amplituden av svingninger i daglige og sesongmessige temperaturer vil radikalt forandre verden rundt oss.

For eksempel er et velkjent faktum at stein mister sin styrke og blir sprø ved skarpe temperatursvingninger. Det er klart at vi selv ville vært «noe» annerledes. I det minste vil de fysiske parametrene til kroppen vår være annerledes.

Unormale egenskaper ved varmekapasiteten til vann

Varmekapasiteten til vann har unormale egenskaper. Det viser seg at når temperaturen på vannet øker, reduseres denne dynamikken opp til 37 °C med en ytterligere økning i temperaturen, begynner varmekapasiteten å øke.

Dette faktum inneholder en interessant uttalelse. Relativt sett var det naturen selv, i vannets person, som bestemte 37°C som mest behagelig temperatur for menneskekroppen, selvfølgelig forutsatt at alle andre faktorer er oppfylt. Med enhver dynamikk av endringer i omgivelsestemperaturen, tenderer vanntemperaturen til 37 °C.