Wärmekapazität ist die Fähigkeit, beim Erhitzen eine gewisse Menge Wärme aufzunehmen oder beim Abkühlen abzugeben. Die Wärmekapazität eines Körpers ist das Verhältnis einer infinitesimalen Wärmemenge, die ein Körper aufnimmt, zur entsprechenden Erhöhung seiner Temperaturindikatoren. Der Wert wird in J/K gemessen. In der Praxis wird ein etwas anderer Wert verwendet - die spezifische Wärmekapazität.

Definition

Was bedeutet spezifische Wärmekapazität? Dies ist eine Menge, die sich auf eine einzelne Menge eines Stoffes bezieht. Dementsprechend kann die Menge eines Stoffes in Kubikmetern, Kilogramm oder sogar in Mol gemessen werden. Wovon hängt es ab? In der Physik hängt die Wärmekapazität direkt davon ab, auf welche Mengeneinheit sie sich bezieht, das heißt, man unterscheidet zwischen molarer, massebezogener und volumetrischer Wärmekapazität. In der Baubranche treffen Sie nicht auf molare Messungen, sondern auf andere - die ganze Zeit.

Was beeinflusst die spezifische Wärmekapazität?

Sie wissen, was Wärmekapazität ist, aber welche Werte den Indikator beeinflussen, ist noch nicht klar. Der Wert der spezifischen Wärme wird direkt von mehreren Komponenten beeinflusst: der Temperatur der Substanz, dem Druck und anderen thermodynamischen Eigenschaften.

Mit steigender Temperatur des Produktes nimmt dessen spezifische Wärmekapazität zu, jedoch unterscheiden sich bestimmte Substanzen in einem völlig nichtlinearen Verlauf in dieser Abhängigkeit. Wenn beispielsweise die Temperaturindikatoren von null auf siebenunddreißig Grad ansteigen, beginnt die spezifische Wärmekapazität von Wasser abzunehmen, und wenn die Grenze zwischen siebenunddreißig und einhundert Grad liegt, wird der Indikator das Gegenteil tun Zunahme.

Es ist erwähnenswert, dass der Parameter auch davon abhängt, wie sich die thermodynamischen Eigenschaften des Produkts (Druck, Volumen usw.) ändern dürfen. Beispielsweise ist die spezifische Wärme bei einem stabilen Druck und bei einem stabilen Volumen unterschiedlich.

Wie berechnet man den Parameter?

Interessieren Sie sich für die Wärmekapazität? Die Berechnungsformel lautet wie folgt: C \u003d Q / (m ΔT). Was sind diese Werte? Q ist die Wärmemenge, die das Produkt beim Erhitzen aufnimmt (oder vom Produkt beim Abkühlen freisetzt). m ist die Masse des Produkts und ΔT ist die Differenz zwischen der End- und Anfangstemperatur des Produkts. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle der Wärmekapazität einiger Materialien.

Was kann über die Berechnung der Wärmekapazität gesagt werden?

Die Berechnung der Wärmekapazität ist keine leichte Aufgabe, insbesondere wenn nur thermodynamische Methoden verwendet werden, ist eine genauere Berechnung nicht möglich. Dazu nutzen Physiker Methoden der statistischen Physik oder Kenntnisse über die Mikrostruktur von Produkten. Wie berechnet man Gas? Die Wärmekapazität eines Gases wird aus der Berechnung der durchschnittlichen Energie der thermischen Bewegung einzelner Moleküle in einem Stoff berechnet. Die Bewegungen von Molekülen können translatorischer und rotatorischer Art sein, und innerhalb eines Moleküls kann es ein ganzes Atom oder eine Schwingung von Atomen geben. Die klassische Statistik besagt, dass es für jeden Freiheitsgrad von Rotations- und Translationsbewegungen einen molaren Wert gibt, der gleich R / 2 ist, und für jeden Schwingungsfreiheitsgrad ist der Wert gleich R. Diese Regel wird auch als die bezeichnet Gleichverteilungsgesetz.

In diesem Fall unterscheidet sich ein Teilchen eines einatomigen Gases nur durch drei Translationsfreiheitsgrade, und daher sollte seine Wärmekapazität gleich 3R/2 sein, was in ausgezeichneter Übereinstimmung mit dem Experiment steht. Jedes zweiatomige Gasmolekül hat drei Translations-, zwei Rotations- und einen Vibrationsfreiheitsgrad, was bedeutet, dass das Gleichverteilungsgesetz 7R/2 ist, und die Erfahrung hat gezeigt, dass die Wärmekapazität eines Mols eines zweiatomigen Gases bei gewöhnlicher Temperatur 5R/ 2. Warum gab es eine solche Diskrepanz in der Theorie? Alles ist darauf zurückzuführen, dass bei der Ermittlung der Wärmekapazität verschiedene Quanteneffekte berücksichtigt werden müssen, dh Quantenstatistiken verwendet werden müssen. Wie Sie sehen können, ist die Wärmekapazität ein ziemlich kompliziertes Konzept.

Die Quantenmechanik besagt, dass jedes System von Teilchen, die oszillieren oder rotieren, einschließlich eines Gasmoleküls, bestimmte diskrete Energiewerte haben kann. Wenn die Energie der thermischen Bewegung im installierten System nicht ausreicht, um Schwingungen der erforderlichen Frequenz anzuregen, tragen diese Schwingungen nicht zur Wärmekapazität des Systems bei.

In Festkörpern ist die thermische Bewegung von Atomen eine schwache Schwingung um bestimmte Gleichgewichtslagen, dies gilt für die Knoten des Kristallgitters. Ein Atom hat drei Schwingungsfreiheitsgrade und laut Gesetz ist die molare Wärmekapazität eines Festkörpers gleich 3nR, wobei n die Anzahl der im Molekül vorhandenen Atome ist. Dieser Wert ist in der Praxis die Grenze, zu der die Wärmekapazität des Körpers bei hohen Temperaturen tendiert. Der Wert wird bei vielen Elementen bei normalen Temperaturänderungen erreicht, dies gilt für Metalle ebenso wie für einfache Verbindungen. Auch die Wärmekapazität von Blei und anderen Stoffen wird bestimmt.

Was kann man zu niedrigen Temperaturen sagen?

Wir wissen bereits, was Wärmekapazität ist, aber wenn wir von niedrigen Temperaturen sprechen, wie wird der Wert dann berechnet? Wenn es sich um Tieftemperaturindikatoren handelt, stellt sich die Wärmekapazität eines Festkörpers als proportional heraus T 3 oder das sogenannte Debye'sche Wärmekapazitätsgesetz. Das Hauptkriterium für die Unterscheidung hoher Temperaturen von niedrigen ist der übliche Vergleich mit einem für eine bestimmte Substanz charakteristischen Parameter - dies kann die charakteristische oder Debye-Temperatur sein q D . Der dargestellte Wert wird durch das Schwingungsspektrum der Atome im Produkt bestimmt und hängt maßgeblich von der Kristallstruktur ab.

In Metallen leisten Leitungselektronen einen gewissen Beitrag zur Wärmekapazität. Dieser Teil der Wärmekapazität wird mit der Fermi-Dirac-Statistik berechnet, die Elektronen berücksichtigt. Die elektronische Wärmekapazität eines Metalls, die proportional zur üblichen Wärmekapazität ist, ist ein relativ kleiner Wert und trägt nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zur Wärmekapazität des Metalls bei. Dann wird die Gitterwärmekapazität sehr klein und kann vernachlässigt werden.

Massenwärmekapazität

Die massenspezifische Wärmekapazität ist die Wärmemenge, die auf eine Masseneinheit eines Stoffes gebracht werden muss, um das Produkt pro Temperatureinheit zu erwärmen. Dieser Wert wird mit dem Buchstaben C bezeichnet und in Joule geteilt durch ein Kilogramm pro Kelvin - J / (kg K) gemessen. Dies ist alles, was die Wärmekapazität der Masse betrifft.

Was ist die volumetrische Wärmekapazität?

Die volumetrische Wärmekapazität ist eine bestimmte Wärmemenge, die einer Produktionsvolumeneinheit zugeführt werden muss, um sie pro Temperatureinheit zu erwärmen. Dieser Indikator wird in Joule geteilt durch einen Kubikmeter pro Kelvin oder J / (m³·K) gemessen. In vielen Baufachbüchern wird die massespezifische Wärmekapazität in Arbeit berücksichtigt.

Praktische Anwendung der Wärmekapazität in der Bauindustrie

Viele wärmeintensive Materialien werden aktiv beim Bau von hitzebeständigen Wänden verwendet. Dies ist äußerst wichtig für Häuser, die durch periodisches Heizen gekennzeichnet sind. Backofen zum Beispiel. Wärmeintensive Produkte und daraus gebaute Wände speichern die Wärme perfekt, speichern sie während der Heizperioden und geben die Wärme nach dem Abschalten des Systems allmählich ab, sodass Sie den ganzen Tag über eine akzeptable Temperatur aufrechterhalten können.

Je mehr Wärme also in der Struktur gespeichert wird, desto angenehmer und stabiler wird die Temperatur in den Räumen.

Es ist zu beachten, dass gewöhnliche Ziegel und Beton, die im Wohnungsbau verwendet werden, eine deutlich geringere Wärmekapazität haben als expandiertes Polystyrol. Wenn wir Ökowolle nehmen, verbraucht sie dreimal mehr Wärme als Beton. Es ist zu beachten, dass in der Formel zur Berechnung der Wärmekapazität nicht umsonst Masse vorhanden ist. Aufgrund der großen Beton- oder Ziegelmasse im Vergleich zu Ökowolle ermöglicht es, große Wärmemengen in den Steinwänden von Bauwerken zu speichern und alle täglichen Temperaturschwankungen auszugleichen. Nur eine geringe Dämmmasse in allen Rahmenhäusern ist trotz der guten Wärmekapazität der schwächste Bereich für alle Rahmentechnologien. Um dieses Problem zu lösen, werden in allen Häusern beeindruckende Wärmespeicher installiert. Was ist das? Dies sind Strukturteile, die sich durch eine große Masse mit einem ziemlich guten Wärmekapazitätsindex auszeichnen.

Beispiele für Wärmespeicher im Leben

Was könnte es sein? Zum Beispiel einige Innenwände aus Backstein, ein großer Ofen oder Kamin, Betonestriche.

Möbel in jedem Haus oder jeder Wohnung sind hervorragende Wärmespeicher, denn Sperrholz, Spanplatten und Holz können tatsächlich nur pro Kilogramm Gewicht dreimal mehr Wärme speichern als der berüchtigte Ziegel.

Gibt es Nachteile bei der Wärmespeicherung? Der Hauptnachteil dieses Ansatzes besteht natürlich darin, dass der Wärmespeicher in der Phase der Erstellung eines Rahmenhauslayouts entworfen werden muss. Alles aufgrund der Tatsache, dass es sehr schwer ist, und dies muss bei der Erstellung des Fundaments berücksichtigt werden, und stellen Sie sich dann vor, wie dieses Objekt in den Innenraum integriert wird. Es ist erwähnenswert, dass nicht nur die Masse berücksichtigt werden muss, sondern auch beide Eigenschaften in der Arbeit bewertet werden müssen: Masse und Wärmekapazität. Wenn Sie zum Beispiel Gold mit einem unglaublichen Gewicht von zwanzig Tonnen pro Kubikmeter als Wärmespeicher verwenden, dann funktioniert das Produkt wie es soll nur dreiundzwanzig Prozent besser als ein Betonwürfel, der zweieinhalb Tonnen wiegt.

Welcher Stoff eignet sich am besten als Wärmespeicher?

Das beste Produkt für einen Wärmespeicher ist überhaupt nicht Beton und Ziegel! Kupfer, Bronze und Eisen machen das gut, sind aber sehr schwer. Seltsamerweise aber der beste Wärmespeicher ist Wasser! Die Flüssigkeit hat eine beeindruckende Wärmekapazität, die größte unter den uns zur Verfügung stehenden Substanzen. Lediglich Heliumgase (5190 J/(kg K) und Wasserstoff (14300 J/(kg K)) haben mehr Wärmekapazität, sind aber in der Praxis problematisch anzuwenden.Wenn Sie möchten und brauchen, sehen Sie sich die Wärmekapazitätstabelle der Stoffe an du brauchst.

Lassen Sie uns nun eine sehr wichtige thermodynamische Eigenschaft namens einführen Wärmekapazität Systeme(traditionell mit dem Buchstaben bezeichnet AUS mit unterschiedlichen Indizes).

Wärmekapazität - Wert Zusatzstoff, es hängt von der Stoffmenge im System ab. Deshalb stellen wir auch vor spezifische Wärme

Spezifische Wärme ist die Wärmekapazität pro Masseneinheit eines Stoffes

und molare Wärmekapazität

Molare Wärmekapazität ist die Wärmekapazität von einem Mol eines Stoffes

Da die Wärmemenge keine Zustandsfunktion ist und vom Prozess abhängt, hängt die Wärmekapazität auch davon ab, wie dem System Wärme zugeführt wird. Um dies zu verstehen, erinnern wir uns an den ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Dividieren der Gleichheit ( 2.4) pro Elementarinkrement der absoluten Temperatur dT, wir bekommen das Verhältnis

Der zweite Term hängt, wie wir gesehen haben, von der Art des Prozesses ab. Wir stellen fest, dass im allgemeinen Fall eines nicht idealen Systems die Wechselwirkung von dessen Teilchen (Molekülen, Atomen, Ionen usw.) nicht vernachlässigt werden kann (siehe z. , hängt die innere Energie nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom Volumen des Systems ab. Dies erklärt sich dadurch, dass die Wechselwirkungsenergie vom Abstand zwischen den wechselwirkenden Teilchen abhängt. Wenn sich das Volumen des Systems ändert, ändert sich die Konzentration der Teilchen bzw. der durchschnittliche Abstand zwischen ihnen und infolgedessen ändern sich die Wechselwirkungsenergie und die gesamte innere Energie des Systems. Mit anderen Worten, im allgemeinen Fall eines nicht idealen Systems

Daher kann im allgemeinen Fall der erste Term nicht als totale Ableitung geschrieben werden, die totale Ableitung muss durch eine partielle Ableitung mit zusätzlicher Angabe des konstanten Werts, zu dem sie berechnet wird, ersetzt werden. Zum Beispiel für einen isochoren Prozess:

.

Oder für einen isobaren Prozess

Die in diesem Ausdruck enthaltene partielle Ableitung wird unter Verwendung der Zustandsgleichung des Systems berechnet, geschrieben als . Beispielsweise im speziellen Fall eines idealen Gases

diese Ableitung ist

.

Wir betrachten zwei Spezialfälle, die dem Wärmebereitstellungsprozess entsprechen:

• konstante Lautstärke;
• konstanter Druck im System.

Im ersten Fall arbeiten dÀ = 0 und wir erhalten die Wärmekapazität LEBENSLAUF ideales Gas bei konstantem Volumen:

Unter Berücksichtigung des oben gemachten Vorbehalts muss für eine nichtideale Systembeziehung (2.19) in der folgenden allgemeinen Form geschrieben werden

Einwechseln 2.7 on , und on , erhalten wir sofort:

.

Berechnung der Wärmekapazität eines idealen Gases Mit P bei konstantem Druck ( dp=0) berücksichtigen wir das aus der Gleichung ( 2.8) folgt dem Ausdruck für Elementararbeit bei infinitesimaler Temperaturänderung

Wir kommen am Ende

Dividiert man diese Gleichung durch die Anzahl der Mole einer Substanz im System, erhält man eine ähnliche Beziehung für molare Wärmekapazitäten bei konstantem Volumen und konstantem Druck, genannt Mayers Verhältnis

Als Referenz geben wir eine allgemeine Formel - für ein beliebiges System - an, die die isochoren und isobaren Wärmekapazitäten verbindet:

Die Ausdrücke (2.20) und (2.21) erhält man aus dieser Formel, indem man in sie den Ausdruck für die innere Energie eines idealen Gases einsetzt und unter Verwendung seiner Zustandsgleichung (siehe oben):

.

Die Wärmekapazität einer bestimmten Stoffmasse bei konstantem Druck ist größer als die Wärmekapazität bei konstantem Volumen, da ein Teil der zugeführten Energie für die Arbeit aufgewendet wird und für die gleiche Erwärmung mehr Wärme benötigt wird. Beachten Sie, dass aus (2.21) die physikalische Bedeutung der Gaskonstante folgt:

Es stellt sich also heraus, dass die Wärmekapazität nicht nur von der Art des Stoffes abhängt, sondern auch von den Bedingungen, unter denen der Prozess der Temperaturänderung stattfindet.

Wie wir sehen, hängen die isochoren und isobaren Wärmekapazitäten eines idealen Gases nicht von der Gastemperatur ab, bei realen Stoffen hängen diese Wärmekapazitäten im Allgemeinen auch von der Temperatur selbst ab. T.

Die isochoren und isobaren Wärmekapazitäten eines idealen Gases können auch direkt aus der allgemeinen Definition unter Verwendung der oben erhaltenen Formeln erhalten werden ( 2.7) und (2.10 ) für die Wärmemenge, die ein ideales Gas bei diesen Prozessen erhält.

Für einen isochoren Prozess ist der Ausdruck für LEBENSLAUF Folgt aus ( 2.7):

Für einen isobaren Prozess ist der Ausdruck für C p folgt aus (2.10):

Zum molare Wärmekapazitäten daher werden die folgenden Ausdrücke erhalten

Das Verhältnis der Wärmekapazitäten ist gleich dem adiabatischen Index:

Auf thermodynamischer Ebene ist es unmöglich, den Zahlenwert vorherzusagen g; das gelang uns nur unter Berücksichtigung der mikroskopischen Eigenschaften des Systems (siehe Ausdruck (1.19 ) sowie ( 1.28) für ein Gasgemisch). Aus den Formeln (1.19) und (2.24) folgen theoretische Vorhersagen für die molaren Wärmekapazitäten von Gasen und den Adiabatenexponenten.

Einatomige Gase (ich = 3):

Zweiatomige Gase (ich = 5):

Mehratomige Gase (ich = 6):

Experimentelle Daten für verschiedene Substanzen sind in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

Substanz			g

Es ist ersichtlich, dass das einfache Modell idealer Gase die Eigenschaften realer Gase im Allgemeinen recht gut beschreibt. Beachten Sie, dass die Übereinstimmung erzielt wurde, ohne die Schwingungsfreiheitsgrade der Gasmoleküle zu berücksichtigen.

Wir haben auch die Werte der molaren Wärmekapazität einiger Metalle bei Raumtemperatur angegeben. Stellen wir uns das Kristallgitter eines Metalls als eine geordnete Menge fester Kugeln vor, die durch Federn mit benachbarten Kugeln verbunden sind, dann kann jedes Teilchen nur in drei Richtungen schwingen ( Ich zähle = 3), und jedem dieser Freiheitsgrade ist eine Kinetik zugeordnet kVT/2 und die gleiche potentielle Energie. Daher hat ein Kristallteilchen eine innere (oszillierende) Energie kV T. Durch Multiplikation mit der Avogadro-Zahl erhalten wir die innere Energie eines Mols

Woher kommt der Wert der molaren Wärmekapazität?

(Aufgrund des kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Feststoffen unterscheiden sie sich nicht mit P und Lebenslauf). Die obige Beziehung für die molare Wärmekapazität von Festkörpern heißt das Gesetz von Dulong und Petit, und die Tabelle zeigt eine gute Übereinstimmung mit dem berechneten Wert

mit Versuch.

In Bezug auf die gute Übereinstimmung zwischen den obigen Verhältnissen und experimentellen Daten sollte angemerkt werden, dass sie nur in einem bestimmten Temperaturbereich beobachtet wird. Mit anderen Worten, die Wärmekapazität des Systems hängt von der Temperatur ab, und die Formeln (2.24) haben einen begrenzten Anwendungsbereich. Betrachten Sie zunächst Abb. 2.10, die die experimentelle Abhängigkeit der Wärmekapazität zeigt mit Fernseher Wasserstoffgas aus absoluter Temperatur T.

Reis. 2.10. Molare Wärmekapazität von gasförmigem Wasserstoff Н2 bei konstantem Volumen als Funktion der Temperatur (experimentelle Daten)

Im Folgenden sprechen wir der Kürze halber über das Fehlen bestimmter Freiheitsgrade in Molekülen in bestimmten Temperaturbereichen. Wir erinnern uns noch einmal daran, dass wir eigentlich über Folgendes sprechen. Der relative Beitrag einzelner Bewegungsarten zur inneren Energie des Gases ist aus quantenmechanischen Gründen sehr stark von der Temperatur abhängig und kann in bestimmten Temperaturintervallen so gering sein, dass er im - stets mit endlicher Genauigkeit durchgeführten - Experiment nicht auffällt. Das Ergebnis des Experiments sieht so aus, als gäbe es diese Bewegungsarten nicht, und es gäbe keine entsprechenden Freiheitsgrade. Anzahl und Art der Freiheitsgrade werden durch die Struktur des Moleküls und die Dreidimensionalität unseres Raums bestimmt – sie können nicht von der Temperatur abhängen.

Der Beitrag zur inneren Energie hängt von der Temperatur ab und kann klein sein.

Bei Temperaturen darunter 100K Wärmekapazität

was auf das Fehlen von Rotations- und Vibrationsfreiheitsgraden im Molekül hinweist. Außerdem steigt die Wärmekapazität mit zunehmender Temperatur schnell auf den klassischen Wert an

charakteristisch für ein zweiatomiges Molekül mit starrer Bindung, bei dem es keine Schwingungsfreiheitsgrade gibt. Bei Temperaturen darüber 2000 k die Wärmekapazität entdeckt einen neuen Sprung auf den Wert

Auch dieses Ergebnis weist auf das Auftreten von Schwingungsfreiheitsgraden hin. Aber all das sieht immer noch unerklärlich aus. Warum kann sich ein Molekül bei niedrigen Temperaturen nicht drehen? Und warum treten Schwingungen in einem Molekül nur bei sehr hohen Temperaturen auf? Im vorigen Kapitel wurde eine kurze qualitative Diskussion der Quantengründe für dieses Verhalten gegeben. Und jetzt können wir nur wiederholen, dass das Ganze auf spezifische Quantenphänomene hinausläuft, die vom Standpunkt der klassischen Physik aus nicht zu erklären sind. Diese Phänomene werden in den nachfolgenden Abschnitten des Kurses ausführlich besprochen.

Weitere Informationen

http://www.plib.ru/library/book/14222.html - Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Handbook of Physics, Science, 1977 - S. 236 - Tabelle der charakteristischen "Einschalt"-Temperaturen der Vibrations- und Rotationsfreiheitsgrade von Molekülen für einige spezifische Gase;

Wenden wir uns nun Abb. 2.11, die die Abhängigkeit der molaren Wärmekapazitäten dreier chemischer Elemente (Kristalle) von der Temperatur darstellt. Bei hohen Temperaturen tendieren alle drei Kurven zum gleichen Wert

entsprechend dem Gesetz von Dulong und Petit. Blei (Pb) und Eisen (Fe) haben diese Grenzwärmekapazität praktisch schon bei Raumtemperatur.

Reis. 2.11. Temperaturabhängigkeit der molaren Wärmekapazität dreier chemischer Elemente - Kristalle aus Blei, Eisen und Kohlenstoff (Diamant).

Für Diamant (C) ist diese Temperatur noch nicht hoch genug. Und bei niedrigen Temperaturen zeigen alle drei Kurven eine signifikante Abweichung vom Dulong- und Petit-Gesetz. Dies ist eine weitere Manifestation der Quanteneigenschaften von Materie. Die klassische Physik erweist sich als machtlos, viele Regelmäßigkeiten zu erklären, die bei niedrigen Temperaturen beobachtet werden.

Weitere Informationen

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm - J. de Boer Einführung in die Molekularphysik und Thermodynamik, Ed. IL, 1962 - S. 106–107, Teil I, § 12 - der Beitrag von Elektronen zur Wärmekapazität von Metallen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt;

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Kennst du dich mit Physik aus? Bibliothek "Quantum", Heft 82, Science, 1992. Buchseite 132, Frage 137: Welche Körper haben die höchste Wärmekapazität (siehe Antwort auf S. 151);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Kennst du dich mit Physik aus? Bibliothek "Quantum", Heft 82, Science, 1992. Buchseite 132, Frage 135: über das Erhitzen von Wasser in drei Zuständen - fest, flüssig und dampfförmig (siehe die Antwort auf S. 151);

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1478.html - physische Enzyklopädie. Kalorimetrie. Methoden zum Messen von Wärmekapazitäten werden beschrieben.

Die Veränderung der inneren Energie durch Arbeit wird durch die Arbeitsmenge charakterisiert, d.h. Arbeit ist ein Maß für die Änderung der inneren Energie in einem bestimmten Prozess. Die Änderung der inneren Energie eines Körpers bei der Wärmeübertragung wird durch eine Größe gekennzeichnet, die als Wärmemenge bezeichnet wird.

ist die Änderung der inneren Energie des Körpers bei der Wärmeübertragung ohne Arbeit. Die Wärmemenge wird mit dem Buchstaben bezeichnet Q .

Arbeit, innere Energie und Wärmemenge werden in denselben Einheiten gemessen - Joule ( J), wie jede andere Energieform.

Bei thermischen Messungen wird eine spezielle Energieeinheit, die Kalorie ( Kot), gleicht die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 Gramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erwärmen (genauer gesagt von 19,5 bis 20,5 ° C). Insbesondere diese Einheit wird derzeit zur Berechnung des Wärmeverbrauchs (thermischer Energie) in Mehrfamilienhäusern verwendet. Empirisch wurde das mechanische Äquivalent von Wärme ermittelt - das Verhältnis zwischen Kalorien und Joule: 1 cal = 4,2 J.

Wenn ein Körper eine bestimmte Wärmemenge überträgt, ohne Arbeit zu verrichten, nimmt seine innere Energie zu, wenn ein Körper eine bestimmte Wärmemenge abgibt, dann nimmt seine innere Energie ab.

Wenn Sie 100 g Wasser in zwei identische Gefäße und 400 g in ein anderes Gefäß mit der gleichen Temperatur gießen und auf die gleichen Brenner stellen, kocht das Wasser im ersten Gefäß früher. Je größer also die Masse des Körpers ist, desto mehr Wärme muss er aufheizen. Gleiches gilt für die Kühlung.

Die Wärmemenge, die benötigt wird, um einen Körper zu erhitzen, hängt auch von der Art des Stoffes ab, aus dem dieser Körper besteht. Diese Abhängigkeit der zur Erwärmung des Körpers notwendigen Wärmemenge von der Stoffart wird durch eine physikalische Größe bezeichnet spezifische Wärmekapazität Substanzen.

- Dies ist eine physikalische Größe, die der Wärmemenge entspricht, die 1 kg eines Stoffes zugeführt werden muss, um ihn um 1 ° C (oder 1 K) zu erwärmen. Die gleiche Wärmemenge gibt 1 kg eines Stoffes ab, wenn er um 1 °C abgekühlt wird.

Die spezifische Wärmekapazität wird mit dem Buchstaben bezeichnet Mit. Die Einheit der spezifischen Wärmekapazität ist 1 J/kg °C oder 1 J/kg °K.

Die Werte der spezifischen Wärmekapazität von Stoffen werden experimentell ermittelt. Flüssigkeiten haben eine höhere spezifische Wärmekapazität als Metalle; Wasser hat die höchste spezifische Wärmekapazität, Gold hat eine sehr kleine spezifische Wärmekapazität.

Da die Wärmemenge gleich der Änderung der inneren Energie des Körpers ist, können wir sagen, dass die spezifische Wärmekapazität zeigt, wie stark sich die innere Energie ändert 1 kg Substanz, wenn sich ihre Temperatur ändert 1 °C. Insbesondere nimmt die innere Energie von 1 kg Blei bei Erwärmung um 1 °C um 140 J zu und bei Abkühlung um 140 J ab.

Q erforderlich, um die Körpermasse zu erwärmen m Temperatur t 1 °С bis auf Temperatur t 2 °С, ist gleich dem Produkt aus spezifischer Wärmekapazität des Stoffes, Körpermasse und der Differenz zwischen End- und Anfangstemperatur, d.h.

Q \u003d c ∙ m (t 2 - t 1)

Nach der gleichen Formel wird auch die Wärmemenge berechnet, die der Körper beim Abkühlen abgibt. Nur in diesem Fall sollte die Endtemperatur von der Anfangstemperatur abgezogen werden, d.h. Subtrahiere die kleinere Temperatur von der größeren Temperatur.

Dies ist eine Zusammenfassung zum Thema. „Wärmemenge. Spezifische Wärme". Wählen Sie die nächsten Schritte:

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Wasser ist eine der erstaunlichsten Substanzen. Trotz ihrer weiten Verbreitung und weiten Verbreitung ist sie ein wahres Mysterium der Natur. Als eine der Sauerstoffverbindungen scheint Wasser sehr geringe Eigenschaften wie Gefrieren, Verdampfungswärme usw. zu haben. Dies geschieht jedoch nicht. Allein die Wärmekapazität von Wasser ist trotz allem extrem hoch.

Wasser kann eine große Menge Wärme aufnehmen, während es sich praktisch nicht erwärmt - das ist seine physikalische Eigenschaft. Wasser ist etwa fünfmal höher als die Wärmekapazität von Sand und zehnmal höher als Eisen. Daher ist Wasser ein natürliches Kühlmittel. Seine Fähigkeit, eine große Menge an Energie zu speichern, ermöglicht es, Temperaturschwankungen auf der Erdoberfläche auszugleichen und das thermische Regime auf dem gesamten Planeten zu regulieren, und dies unabhängig von der Jahreszeit.

Diese einzigartige Eigenschaft des Wassers macht es möglich, es als Kühlmittel in Industrie und Haushalt einzusetzen. Außerdem ist Wasser ein weit verbreiteter und relativ billiger Rohstoff.

Was versteht man unter Wärmekapazität? Wie aus dem Lehrgang der Thermodynamik bekannt ist, findet immer ein Wärmeübergang von einem heißen auf einen kalten Körper statt. In diesem Fall handelt es sich um den Übergang einer bestimmten Wärmemenge, und die Temperatur beider Körper als Merkmal ihres Zustands zeigt die Richtung dieses Austauschs an. Beim Prozess eines Metallkörpers mit Wasser gleicher Masse bei gleichen Anfangstemperaturen ändert das Metall seine Temperatur um ein Vielfaches stärker als Wasser.

Wenn wir die Hauptaussage der Thermodynamik als Postulat nehmen - von zwei (von anderen isolierten) Körpern gibt der eine beim Wärmeaustausch die gleiche Wärmemenge ab und der andere erhält die gleiche Wärmemenge, dann wird deutlich, dass Metall und Wasser eine völlig unterschiedliche Wärme haben Kapazitäten.

Somit ist die Wärmekapazität von Wasser (sowie jeder Substanz) ein Indikator, der die Fähigkeit einer bestimmten Substanz charakterisiert, während des Abkühlens (Erhitzens) etwas pro Temperatureinheit abzugeben (oder aufzunehmen).

Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um eine Einheit dieses Stoffes (1 Kilogramm) um 1 Grad zu erwärmen.

Die von einem Körper abgegebene oder aufgenommene Wärmemenge ist gleich dem Produkt aus spezifischer Wärmekapazität, Masse und Temperaturdifferenz. Es wird in Kalorien gemessen. Eine Kalorie ist genau die Wärmemenge, die ausreicht, um 1 g Wasser um 1 Grad zu erwärmen. Zum Vergleich: Die spezifische Wärmekapazität von Luft beträgt 0,24 cal/g ∙°C, Aluminium 0,22, Eisen 0,11 und Quecksilber 0,03.

Die Wärmekapazität von Wasser ist keine Konstante. Bei einer Temperaturerhöhung von 0 auf 40 Grad nimmt sie leicht ab (von 1,0074 auf 0,9980), während bei allen anderen Substanzen diese Eigenschaft beim Erhitzen zunimmt. Außerdem kann er mit zunehmendem Druck (in der Tiefe) abnehmen.

Wie Sie wissen, hat Wasser drei Aggregatzustände – flüssig, fest (Eis) und gasförmig (Dampf). Gleichzeitig ist die spezifische Wärmekapazität von Eis etwa 2-mal geringer als die von Wasser. Dies ist der Hauptunterschied zwischen Wasser und anderen Stoffen, deren spezifische Wärmekapazität sich im festen und geschmolzenen Zustand nicht ändert. Was ist hier das Geheimnis?

Tatsache ist, dass Eis eine kristalline Struktur hat, die beim Erhitzen nicht sofort zusammenbricht. Wasser enthält kleine Eispartikel, die aus mehreren Molekülen bestehen und Assoziate genannt werden. Wenn Wasser erhitzt wird, wird ein Teil für die Zerstörung von Wasserstoffbrückenbindungen in diesen Formationen aufgewendet. Dies erklärt die ungewöhnlich hohe Wärmekapazität von Wasser. Erst wenn Wasser in Dampf übergeht, werden die Bindungen zwischen seinen Molekülen vollständig zerstört.

Die spezifische Wärmekapazität bei einer Temperatur von 100°C unterscheidet sich fast nicht von der von Eis bei 0°C, was die Richtigkeit dieser Erklärung noch einmal bestätigt. Die Wärmekapazität von Dampf ist, ebenso wie die Wärmekapazität von Eis, heute viel besser verstanden als die von Wasser, über die sich die Wissenschaftler noch nicht geeinigt haben.

Die spezifische Wärmekapazität ist eine Eigenschaft eines Stoffes. Das heißt, es ist für verschiedene Substanzen unterschiedlich. Außerdem hat derselbe Stoff, aber in unterschiedlichen Aggregatzuständen, unterschiedliche spezifische Wärmekapazitäten. Es ist also richtig, von der spezifischen Wärmekapazität eines Stoffes zu sprechen (die spezifische Wärmekapazität von Wasser, die spezifische Wärmekapazität von Gold, die spezifische Wärmekapazität von Holz usw.).

Die spezifische Wärmekapazität eines bestimmten Stoffes gibt an, wie viel Wärme (Q) auf ihn übertragen werden muss, um 1 Kilogramm dieses Stoffes um 1 Grad Celsius zu erwärmen. Die spezifische Wärmekapazität wird mit dem lateinischen Buchstaben c bezeichnet. Das heißt, c = Q/mt. Wenn man bedenkt, dass t und m gleich eins sind (1 kg und 1 °C), dann ist die spezifische Wärmekapazität numerisch gleich der Wärmemenge.

Wärme und spezifische Wärme haben jedoch unterschiedliche Einheiten. Wärme (Q) im C-System wird in Joule (J) gemessen. Und die spezifische Wärmekapazität ist in Joule geteilt durch ein Kilogramm multipliziert mit einem Grad Celsius: J / (kg ° C).

Wenn die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes beispielsweise 390 J / (kg ° C) beträgt, bedeutet dies, dass wenn 1 kg dieses Stoffes um 1 ° C erhitzt wird, er 390 J Wärme absorbiert. Oder anders gesagt: Um 1 kg dieser Substanz um 1 °C zu erwärmen, müssen ihr 390 J Wärme zugeführt werden. Oder wenn 1 kg dieser Substanz um 1 ° C gekühlt wird, gibt sie 390 J Wärme ab.

Wenn aber nicht 1, sondern 2 kg eines Stoffes um 1 °C erhitzt werden, dann muss ihm doppelt so viel Wärme zugeführt werden. Für das obige Beispiel sind es also bereits 780 J. Dasselbe passiert, wenn 1 kg einer Substanz um 2 °C erhitzt wird.

Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes hängt nicht von seiner Anfangstemperatur ab. Das heißt, wenn beispielsweise flüssiges Wasser eine spezifische Wärmekapazität von 4200 J / (kg ° C) hat, erfordert das Erhitzen von mindestens zwanzig Grad oder neunzig Grad Wasser um 1 ° C ebenfalls 4200 J Wärme pro 1 kg.

Aber Eis hat eine andere spezifische Wärmekapazität als flüssiges Wasser, fast zweimal weniger. Um es jedoch um 1 °C zu erwärmen, ist unabhängig von seiner Ausgangstemperatur die gleiche Wärmemenge pro 1 kg erforderlich.

Die spezifische Wärmekapazität hängt auch nicht von der Form des Körpers ab, der aus einem bestimmten Stoff besteht. Eine Stahlstange und ein Stahlblech mit derselben Masse benötigen dieselbe Wärmemenge, um sie um dieselbe Gradzahl zu erwärmen. Zum anderen ist in diesem Fall der Wärmeaustausch mit der Umgebung zu vernachlässigen. Das Blech hat eine größere Oberfläche als der Stab, was bedeutet, dass das Blech mehr Wärme abgibt und daher schneller abkühlt. Aber unter idealen Bedingungen (wenn der Wärmeverlust vernachlässigt werden kann) spielt die Form des Körpers keine Rolle. Daher sagen sie, dass spezifische Wärme eine Eigenschaft eines Stoffes ist, aber nicht eines Körpers.

Die spezifische Wärmekapazität verschiedener Substanzen ist also unterschiedlich. Das heißt, wenn verschiedene Stoffe gleicher Masse und gleicher Temperatur gegeben sind, müssen sie, um sie auf eine unterschiedliche Temperatur zu erhitzen, eine unterschiedliche Wärmemenge übertragen. Beispielsweise benötigt ein Kilogramm Kupfer etwa 10-mal weniger Wärme als Wasser. Das heißt, die spezifische Wärmekapazität von Kupfer ist etwa zehnmal geringer als die von Wasser. Wir können sagen, dass "weniger Wärme in Kupfer eingebracht wird".

Die Wärmemenge, die auf den Körper übertragen werden muss, um ihn von einer Temperatur auf eine andere zu erwärmen, ergibt sich aus der folgenden Formel:

Q \u003d cm (t bis - t n)

Dabei sind t to und t n die End- und Anfangstemperaturen, m die Masse des Stoffes, c seine spezifische Wärme. Die spezifische Wärmekapazität wird üblicherweise Tabellen entnommen. Aus dieser Formel kann die spezifische Wärmekapazität ausgedrückt werden.