Tavoite
Määritä kokeellisesti ilman keskimääräisen lämpökapasiteetin arvot lämpötila-alueella t 1 - t 2, määritä ilman lämpökapasiteetin riippuvuus lämpötilasta.
1. Määritä kaasulämmitykseen käytetty teho alkaen t 1
ennen t 2 .
2. Kiinnitä ilmavirran arvot tietyllä aikavälillä.
Laboratorion valmisteluohjeet
1. Käy läpi kurssin osio ”Lämpökapasiteetti” suositellun kirjallisuuden mukaisesti.
2. Tutustu tähän metodologiseen oppaaseen.
3. Laadi laboratoriotyöpöytäkirjat, mukaan lukien tähän työhön liittyvä tarvittava teoreettinen materiaali (laskentakaavat, kaaviot, kaaviot).
Teoreettinen johdanto
Lämpökapasiteetti- tärkein termofyysinen suure, joka sisältyy suoraan tai välillisesti kaikkiin lämpöteknisiin laskelmiin.
Lämpökapasiteetti luonnehtii aineen lämpöfysikaalisia ominaisuuksia ja riippuu kaasun molekyylipainosta μ , lämpötila t, paineita R, molekyylin vapausasteiden lukumäärä i prosessista, jossa lämpöä syötetään tai poistetaan p = vakio, v =konst. Lämpökapasiteetti riippuu eniten kaasun molekyylipainosta μ . Joten esimerkiksi joidenkin kaasujen ja kiinteiden aineiden lämpökapasiteetti on
Joten mitä vähemmän μ , mitä vähemmän ainetta yksi kilomooli sisältää ja sitä enemmän lämpöä tarvitaan muuttamaan kaasun lämpötilaa 1 K. Siksi vety on tehokkaampi jäähdytysaine kuin esimerkiksi ilma.
Numeerisesti lämpökapasiteetti määritellään lämpömääräksi, joka on saatava arvoon 1 kg(tai 1 m 3), aine muuttaa lämpötilaansa 1 K.
Toimitetun lämmön määrästä lähtien dq riippuu prosessin luonteesta, niin lämpökapasiteetti riippuu myös prosessin luonteesta. Samalla järjestelmällä eri termodynaamisissa prosesseissa on erilaiset lämpökapasiteetit - cp, CV, c n. Suurin käytännön merkitys on cp ja CV.
Kaasujen molekyyli-kinemaattisen teorian (MKT) mukaan tietyn prosessin lämpökapasiteetti riippuu vain molekyylipainosta. Esimerkiksi lämpökapasiteetti cp ja CV voidaan määritellä
ilmalle ( k = 1,4; R = 0,287 kJ/(kg· TO))
kJ/kg
Tietyn ihanteellisen kaasun lämpökapasiteetti riippuu vain lämpötilasta, ts.
Kehon lämpökapasiteetti tässä prosessissa kutsutaan lämpösuhteeksi dq jonka keho saa aikaan äärettömän pienellä muutoksella tilassaan kehon lämpötilan muutokseksi dt
Todellinen ja keskimääräinen lämpökapasiteetti
Käyttönesteen todellisella lämpökapasiteetilla ymmärretään:
Todellinen lämpökapasiteetti ilmaisee käyttönesteen lämpökapasiteetin arvon tietyssä pisteessä tietyillä parametreilla.
Siirretyn lämmön määrä. todellisen lämpökapasiteetin kautta ilmaistuna, voidaan laskea yhtälöllä
Erottaa:
Lämpökapasiteetin lineaarinen riippuvuus lämpötilasta
missä a- lämpökapasiteetti klo t= 0 °С;
b = tgα - kaltevuustekijä.
Lämpökapasiteetin epälineaarinen riippuvuus lämpötilasta.
Esimerkiksi hapen kohdalla yhtälö kirjoitetaan muodossa
kJ/(kg K)
Keskilämpöteholla kanssa t ymmärtää prosessin 1-2 lämmön määrän suhdetta vastaavaan lämpötilan muutokseen
kJ/(kg K)
Keskimääräinen lämpökapasiteetti lasketaan seuraavasti:
Missä t = t 1 + t 2 .
Lämmön laskeminen yhtälön mukaan
vaikeaa, koska taulukot antavat lämpökapasiteetin arvon. Siksi lämpökapasiteetti on välillä t 1 - t 2 on määritettävä kaavalla
.
Jos lämpötila t 1 ja t 2 määritetään kokeellisesti, sitten m kg kaasu, siirretyn lämmön määrä tulee laskea yhtälön mukaan
Keskikokoinen kanssa t ja kanssa todelliset lämpökapasiteetit liittyvät yhtälöön:
Useimmille kaasuille, mitä korkeampi lämpötila t, mitä suurempi lämpökapasiteetti v , p. Fyysisesti tämä tarkoittaa, että mitä kuumempi kaasu on, sitä vaikeampaa on lämmittää sitä edelleen.
Lämpökapasiteetin kokeelliset arvot eri lämpötiloissa on esitetty taulukoiden, kaavioiden ja empiiristen funktioiden muodossa.
Erota todellinen ja keskimääräinen lämpökapasiteetti.
Todellinen lämpökapasiteetti C on tietyn lämpötilan lämpökapasiteetti.
Teknisissä laskelmissa käytetään usein lämpökapasiteetin keskiarvoa tietyllä lämpötila-alueella (t1;t2).
Keskimääräinen lämpökapasiteetti ilmaistaan kahdella tavalla: ,.
Jälkimmäisen merkinnän haittana on, että lämpötila-aluetta ei ole määritelty.
Todellinen ja keskimääräinen lämpökapasiteetti liittyvät toisiinsa suhteella:
Todellinen lämpökapasiteetti on raja, johon keskimääräinen lämpökapasiteetti pyrkii tietyllä lämpötila-alueella t1…t2, kun ∆t=t2-t1
Kuten kokemus osoittaa, useimpien kaasujen todellinen lämpökapasiteetti kasvaa lämpötilan noustessa. Fyysinen selitys tälle kasvulle on seuraava:
Tiedetään, että kaasun lämpötila ei liity atomien ja molekyylien värähtelevään liikkeeseen, vaan riippuu hiukkasten translaatioliikkeen kineettisestä energiasta E k. Mutta lämpötilan noustessa kaasuun syötetty lämpö jakautuu yhä enemmän värähtelevän liikkeen hyväksi, ts. lämpötilan nousu samalla lämmöntuonnilla hidastuu lämpötilan noustessa.
Tyypillinen lämpökapasiteetin riippuvuus lämpötilasta:
c=c 0 + at + bt 2 + dt 3 + … (82) 
missä c 0 , a, b, d ovat empiirisiä kertoimia.
c - Todellinen lämpökapasiteetti, ts. lämpökapasiteetin arvo tietylle lämpötilalle T.
Bittioptimointikäyrän lämpökapasiteetille tämä on polynomi t:n potenssien sarjan muodossa.
Sovituskäyrä tehdään erikoismenetelmin, esimerkiksi pienimmän neliösumman menetelmällä. Tämän menetelmän ydin on, että sitä käytettäessä kaikki pisteet ovat suunnilleen yhtä kaukana approksimoivasta käyrästä.
Teknisissä laskelmissa ne rajoittuvat pääsääntöisesti kahteen ensimmäiseen termiin oikealla, ts. lämpökapasiteetin riippuvuuden lämpötilasta oletetaan olevan lineaarinen c=c 0 + kohdassa (83)
Keskimääräinen lämpökapasiteetti määritellään graafisesti varjostetun puolisuunnikkaan keskiviivana, kuten tiedät, puolisuunnikkaan keskiviiva määritellään puoleksi kantajen summasta.
Kaavoja käytetään, jos empiirinen riippuvuus tunnetaan.
Tapauksissa, joissa lämpökapasiteetin riippuvuutta lämpötilasta ei voida tyydyttävästi lähentää riippuvuuteen c \u003d c 0 + at, voidaan käyttää seuraavaa kaavaa:
Tätä kaavaa käytetään tapauksissa, joissa c:n riippuvuus t:stä on olennaisesti epälineaarinen.
Kaasujen molekyylikineettisen teorian perusteella se tiedetään
U \u003d 12,56T, U - yhden kilomoolin ideaalikaasun sisäenergia.
Aikaisemmin ihanteellista kaasua varten hankittu:
,
,
Saadusta tuloksesta seuraa, että MCT:llä saatu lämpökapasiteetti ei riipu lämpötilasta.
Mayerin yhtälö: c p -c v =R ,
c p \u003d c v + R \u003d 12,56 + 8,314 20,93.
Kuten edellisessä tapauksessa, kaasujen MKT:n mukaan molekyylin isobarinen lämpökapasiteetti ei riipu lämpötilasta.
Ideaalikaasun käsite vastaa parhaiten alhaisissa paineissa olevia yksiatomisia kaasuja, käytännössä joudutaan käsittelemään 2, 3 ... atomikaasua. Esimerkiksi ilma, jonka tilavuusprosentti on 79 % typpeä (N 2), 21 % happea (O 2) (teknisissä laskelmissa inerttejä kaasuja ei oteta huomioon niiden pitoisuuden pienen takia).
Voit käyttää seuraavaa taulukkoa arvioita varten:
|
monatominen | ||
|
kaksiatominen | ||
|
kolmiatominen |
Todellisissa kaasuissa, toisin kuin ihanteellisessa, lämpökapasiteetit voivat riippua paitsi lämpötilasta myös järjestelmän tilavuudesta ja paineesta.
Kokeellisten tulosten perusteella on todettu, että todellisten kaasujen todellisen lämpökapasiteetin riippuvuus lämpötilasta on käyräviivainen, kuten kuvassa 2 on esitetty. 6.6, ja se voidaan ilmaista potenssisarjana kanssa P = a +bt + dt 2 + ef 3 + .... (6.34)
missä a, 6, d,... vakiokertoimet, joiden numeeriset arvot riippuvat kaasun tyypistä ja prosessin luonteesta. Lämpölaskelmissa lämpökapasiteetin epälineaarinen riippuvuus lämpötilasta korvataan usein lineaarisella.
Tässä tapauksessa todellinen lämpökapasiteetti määritetään
yhtälöt 
(6.35)
missä t - lämpötila, °C;b= DC/ dt- kulmikas suoraviivainen kaltevuustekijä jossa n = +bt.
Perustuen (6.20) löydämme kaavan keskimääräiselle lämpökapasiteetille, kun se muuttuu lineaarisesti lämpötilan kanssa kohdan (6.35) mukaisesti.
(6.36)
Jos lämpötilan muutosprosessi etenee
intervalli O-t
,
sitten (6.36) saa muodon 
(6.37)
Lämpökapasiteetti 
kutsutaan keskiarvon lämpökapasiteetiksi
lämpötila-alue 
ja lämpökapasiteetti
- lämpökapasiteetin keskiarvo välillä 0- t.
Tulokset todellisen ja keskiarvon laskelmista lämpötila-alueella O-t massa- tai molaariset lämpökapasiteetit
vakiotilavuus ja vastaavasti paine yhtälöiden (6.34) ja (6.37) mukaisesti on annettu viitekirjallisuudessa. Lämpö- ja kylmätekniikan päätehtävä on määrittää prosessissa mukana oleva lämpö. Suhteen mukaisesti 
q =
c n dT
ja todellisen lämpökapasiteetin epälineaarisella riippuvuudella lämpötilasta, lämmön määrä määräytyy kaavion varjostetulla alkeisalueella koordinaatteineen kanssa n T(Kuva 6.6). Kun lämpötila muuttuu T 1
ennen T 2
mielivaltaisessa loppuprosessissa tulo- tai lähtölämmön määrä määritetään kohdan (6.38) mukaisesti seuraavasti:
(6.38)
ja määritetään samasta kaaviosta (Kuva 6.6), jonka pinta-ala on 12T 2 T 1 1. Korvataan (6.38) arvo n \u003d f (T) tietylle kaasulle suhteessa (6.34) ) ja integroimalla saadaan laskentakaava lämmön määrittämiseksi tietyllä kaasun lämpötilan muutosvälillä, joka kuitenkin seuraa lausekkeesta (6.16):
Koska viitekirjallisuudessa on kuitenkin vain keskimääräinen lämpökapasiteetti lämpötila-alueella 0- t, silloin prosessin 12 lämmön määrä voidaan määrittää edellisen kaavan lisäksi seuraavasti: On selvää, että lämpökapasiteetin suhde on keskimääräinen lämpötilaväleillä T 1 - T 2 ja 0- t:
Toimitetun (poistetun) lämmön määrä m kg käyttönestettä
V m 3 kaasuun syötettävän lämmön määrä määritetään kaavalla
Syötetty (poistettu) lämmön määrä n mooliin käyttönestettä on
6.10 Lämpökapasiteetin molekyylikineettinen teoria
Molekyylikineettinen lämpökapasiteetin teoria on hyvin likimääräinen, koska se ei ota huomioon sisäisen energian värähtely- ja potentiaalikomponentteja. Siksi tämän teorian mukaan ongelmana on määrittää aineeseen syötetyn lämpöenergian jakautuminen sisäisen kineettisen energian translaatio- ja rotaatiomuotojen välillä. Maxwell-Boltzmann-jakauman mukaan, jos tietty määrä energiaa siirretään järjestelmään, jossa on hyvin suuri määrä mikropartikkeleita, se jakautuu
Monatomisella kaasumolekyylillä on kolme vapausastetta, koska sen sijainti avaruudessa määräytyy kolmella koordinaatilla, ja monoatomiselle kaasulle nämä kolme vapausastetta ovat translaation liikkeen vapausasteita.
Kaksiatomiselle kaasulle yhden atomin kolmen koordinaatin arvot eivät vielä määritä molekyylin sijaintia avaruudessa, koska yhden atomin sijainnin määrittämisen jälkeen on otettava huomioon, että toisella atomilla on mahdollisuus pyörivästä liikkeestä. Toisen atomin paikan määrittämiseksi avaruudessa on tiedettävä kaksi sen koordinaattia (kuva 6.7), ja kolmas määritetään analyyttisessä geometriassa tunnetusta yhtälöstä.
missä 
on atomien välinen etäisyys. Näin ollen tunnetuilla 
kuudesta koordinaatista vain viisi tarvitsee tietää. Näin ollen kaksiatomisella kaasumolekyylillä on viisi vapausastetta, joista kolme on translaatiota ja kaksi rotaatiota.
Kolmiatomisella kaasumolekyylillä on kuusi vapausastetta - kolme translaatioliikettä ja kolme pyörivää liikettä. Tämä johtuu siitä, että avaruuden sijainnin määrittämiseksi on tiedettävä kuusi atomien koordinaattia, nimittäin: ensimmäisen atomin kolme koordinaattia, toisen atomin kaksi koordinaattia ja kolmannen yksi koordinaatti. Sitten atomien sijainti avaruudessa määräytyy täysin, koska niiden väliset etäisyydet 
- ovat valmiina.
Jos otamme kaasun, jolla on suurempi atomisuus, eli 4-atominen tai enemmän, niin tällaisen kaasun vapausasteiden lukumäärä on myös kuusi, koska neljännen ja jokaisen seuraavan atomin asema määräytyy sen kiinteän etäisyys muista atomeista.
Aineen molekyylikineettisen teorian mukaan kunkin molekyylin translaatio- ja pyörimisliikkeiden keskimääräinen kineettinen energia on verrannollinen lämpötilaan
ja vastaavasti yhtä suuri 
ja 
on pyörivän liikkeen vapausasteiden lukumäärä). Siksi kaikkien molekyylien translaatio- ja pyörimisliikkeiden kineettinen energia on lämpötilan lineaarinen funktio
J, (6,39)
J.
Yhtälöt (6.39) ja (6.40) ilmaisevat mainitun energian yhtäläisyyden lain vapausasteiden välillä, jonka mukaan sama keskimääräinen kineettinen energia, joka on yhtä suuri kuin 1/2 (kT), osuu jokaiseen molekyylien translaatio- ja pyörimisliikkeiden vapausasteeseen .
Molekyylien värähtelyliikkeen energia on lämpötilan monimutkainen nouseva funktio, ja vain joissain tapauksissa korkeissa lämpötiloissa se voidaan ilmaista likimäärin kaavalla, joka on samanlainen kuin (6.40). Molekyylikineettinen lämpökapasiteetin teoria ei ota huomioon molekyylien värähtelyliikettä.
Kahden todellisen kaasumolekyylin välillä vaikuttavat hylkivät ja houkuttelevat voimat. Ihanteellisessa kaasussa molekyylien välillä ei ole potentiaalista vuorovaikutusenergiaa. Edellä esitetyn perusteella ihanteellisen kaasun sisäenergia on yhtä suuri kuin U=
.
Kuten N=
vnN A
,
sitten 
Ideaalikaasun yhden moolin sisäinen energia edellyttäen, että yleinen kaasuvakio määräytyy kahden vakion tulolla: 
=
kN A ,
määritellään seuraavasti: 
,J/mol.
Erottaminen T:n suhteen ja sen tietäminen du 
/
dT
=
c r ,
saamme ihanteellisen kaasun molaarisen lämpökapasiteetin vakiotilavuudessa
Kerroin 
kutsutaan Poissonin suhteeksi tai adiabaattiseksi eksponenttiksi.
Ihanteelliselle kaasulle adiabaattinen indeksi on määrä, joka riippuu vain kaasumolekyylien atomirakenteesta, mikä näkyy taulukossa. 6.1. Adiabaattisen eksponentin symbolinen arvo saadaan Mayerin yhtälöstä kanssa s - c v = R seuraavien muunnosten kautta: kc v - c p = R, c v (k- l) - R, mistä kohtaan= 1 + R/ c v . Edellisestä yhtälöstä seuraa isokorisen lämpökapasiteetin ilmaus adiabaattisena eksponenttinä cv = = R/(k- 1) ja sitten isobarinen lämpökapasiteetti: r:llä. = kR/(k- 1).
Mayerin yhtälöstä 
kanssa R
=
saamme lausekkeen ihanteellisen kaasun molaariselle lämpökapasiteetille vakiopaineessa 
, J/(mol-K).
Summittaisiin laskelmiin ei kovin korkeissa lämpötiloissa, kun molekyyleissä olevien atomien värähtelyliikkeen energia sen pienuudesta johtuen voidaan jättää huomiotta, voidaan käyttää saatuja molaarisia lämpökapasiteetteja. 
kanssa v 
ja 
kanssa s
kaasujen atomisuuden funktiona. Lämpökapasiteettien arvot on esitetty taulukossa. 6.1.
Taulukko 6.1
Lämpökapasiteetin arvot molekyylikinetiikan mukaankaasuteoria
|
lämpökapasiteetti Kaasun atomiteetti |
|
| |||
|
myyrärae |
myyrärae | ||||
|
Yksiatominen kaasu Kaksiatominen kaasu Kolmiatominen tai useampiatominen kaasu |
12,5 20,8 29,1 |
20.8 29.1 37.4 |
1,67 1,40 1,28 |
||
Lämpökapasiteetti on suhde järjestelmään siirretyn lämmön määrästä tässä tapauksessa havaittuun lämpötilan nousuun (jos kemiallista reaktiota ei tapahdu, aineen siirtyminen yhdestä aggregaatiotilasta toiseen ja A "= 0". )
Lämpökapasiteetti lasketaan yleensä 1 g massaa kohti, sitten sitä kutsutaan spesifiseksi (J / g * K) tai 1 mooliksi (J / mol * K), sitten sitä kutsutaan molaariksi.
Erottaa keskimääräinen ja totta lämpökapasiteetti.
Keski lämpökapasiteetti on lämpökapasiteetti lämpötila-alueella, eli keholle siirtyneen lämmön suhde sen lämpötilan nousuun ΔT:llä
Totta Kehon lämpökapasiteetti on kehon vastaanottaman äärettömän pienen lämpömäärän suhde sen vastaavaan lämpötilan nousuun.
Keskimääräisen ja todellisen lämpökapasiteetin välille on helppo muodostaa yhteys:
korvaamalla Q:n arvot keskimääräisen lämpökapasiteetin lausekkeeseen, meillä on:
Todellinen lämpökapasiteetti riippuu aineen laadusta, lämpötilasta ja olosuhteista, joissa lämmön siirtyminen järjestelmään tapahtuu.
Joten jos järjestelmä on suljettu vakiotilavuuteen, ts isokorinen prosessi meillä:
Jos järjestelmä laajenee tai supistuu paineen pysyessä vakiona, ts. varten isobaarinen prosessi meillä:
Mutta ΔQ V = dU ja ΔQ P = dH, siksi
C V = (∂U/∂T) v ja C P = (∂H/∂T) p
(jos yhtä tai useampaa muuttujaa pidetään vakiona muiden muuttuessa, niin derivaattojen sanotaan olevan osittaisia muuttuvan muuttujan suhteen).
Molemmat suhteet ovat voimassa kaikille aineille ja kaikille aggregaatiotasoille. C V:n ja C P:n välisen suhteen näyttämiseksi on tarpeen erottaa entalpian H \u003d U + pV / lauseke
Ihanteelliselle kaasulle pV=nRT
yhdelle myyrälle tai
Ero R on ideaalikaasun 1 moolin isobarinen laajeneminen lämpötilan noustessa yhden yksikön verran.
Nesteitä ja kiinteitä aineita varten С P = С V johtuen pienestä tilavuuden muutoksesta kuumennettaessa
Kemiallisen reaktion lämpövaikutuksen riippuvuus lämpötilasta, Kirchhoffin yhtälöt.
Hessin lain avulla voidaan laskea reaktion lämpövaikutus lämpötilassa (yleensä 298K), jossa kaikkien reaktioon osallistuneiden normaalit muodostumis- tai palamislämmöt mitataan.
Mutta useammin on tarpeen tietää reaktion lämpövaikutus eri lämpötiloissa.
Harkitse reaktiota:
ν A A+ν B B= ν C С+ν D D
Merkitään H:lla reaktioon osallistujan entalpia per 1 mooli. Reaktion entalpian ΔΗ (T) kokonaismuutos ilmaistaan yhtälöllä:
ΔΗ \u003d (ν CH C + ν D H D) - (ν A H A + ν B H B); va, vb, vc, vd - stoikiometriset kertoimet. x.r.
Jos reaktio etenee vakiopaineessa, entalpian muutos on yhtä suuri kuin reaktion lämpövaikutus. Ja jos erotamme tämän yhtälön lämpötilan suhteen, saamme:
Isobarisen ja isokorisen prosessin yhtälöt
ja 
nimeltään Kirchhoffin yhtälöt(differentiaalimuodossa). Ne sallivat laadullisesti arvioida lämpövaikutuksen riippuvuus lämpötilasta.
Lämpötilan vaikutus lämpövaikutukseen määräytyy arvon ΔС p (tai ΔС V) etumerkillä.
klo ∆С p > 0 arvo, eli lämpötilan noustessa lämpövaikutus kasvaa
klo ∆С s< 0 eli lämpötilan noustessa lämpövaikutus pienenee.
klo ∆С p = 0- reaktion lämpövaikutus ei riipu lämpötilasta
Eli, kuten tästä seuraa, ΔС p määrittää merkin ΔН edessä.
Lämpökapasiteetti on kyky imeä lämpöä lämmitettäessä tai luovuttaa sitä jäähtyessään. Kehon lämpökapasiteetti on kehon vastaanottaman äärettömän pienen lämpömäärän suhde sen lämpötila-indikaattoreiden vastaavaan nousuun. Arvo mitataan J/K:ssa. Käytännössä käytetään hieman erilaista arvoa - ominaislämpökapasiteettia.
Määritelmä
Mitä ominaislämpökapasiteetti tarkoittaa? Tämä on määrä, joka liittyy yhteen aineen määrään. Vastaavasti aineen määrä voidaan mitata kuutiometreinä, kilogrammoina tai jopa mooliina. Mistä se riippuu? Fysiikassa lämpökapasiteetti riippuu suoraan siitä, mihin kvantitatiiviseen yksikköön se viittaa, mikä tarkoittaa, että niissä erotetaan molaarinen, massa- ja tilavuuslämpökapasiteetti. Rakennusteollisuudessa et tapaa molaarimittauksia, mutta muiden kanssa - koko ajan.
Mikä vaikuttaa ominaislämpökapasiteettiin?
Tiedät, mikä lämpökapasiteetti on, mutta mitkä arvot vaikuttavat indikaattoriin, ei ole vielä selvää. Ominaislämmön arvoon vaikuttavat suoraan useat komponentit: aineen lämpötila, paine ja muut termodynaamiset ominaisuudet.
Tuotteen lämpötilan noustessa sen ominaislämpökapasiteetti kasvaa, mutta tietyt aineet eroavat tästä riippuvuudesta täysin epälineaarisella käyrällä. Esimerkiksi lämpötila-indikaattoreiden noustessa nollasta kolmeenkymmeneenseitsemään asteeseen veden ominaislämpökapasiteetti alkaa laskea, ja jos raja on kolmenkymmenenseitsemän ja sadan asteen välillä, indikaattori päinvastoin lisääntyä.
On syytä huomata, että parametri riippuu myös siitä, kuinka tuotteen termodynaamisten ominaisuuksien (paine, tilavuus ja niin edelleen) annetaan muuttua. Esimerkiksi ominaislämpö vakaassa paineessa ja vakaassa tilavuudessa on erilainen.
Kuinka parametri lasketaan?
Kiinnostaako mikä on lämpökapasiteetti? Laskentakaava on seuraava: C \u003d Q / (m ΔT). Mitä nämä arvot ovat? Q on lämmön määrä, jonka tuote vastaanottaa kuumennettaessa (tai tuotteen vapauttamana jäähtyessään). m on tuotteen massa ja ΔT on tuotteen loppu- ja alkulämpötilan välinen ero. Alla on taulukko joidenkin materiaalien lämpökapasiteetista.
Mitä voidaan sanoa lämpökapasiteetin laskemisesta?
Lämpökapasiteetin laskeminen ei ole helppo tehtävä, varsinkin jos käytetään vain termodynaamisia menetelmiä, sitä on mahdotonta tehdä tarkemmin. Siksi fyysikot käyttävät tilastollisen fysiikan menetelmiä tai tietoa tuotteiden mikrorakenteesta. Kuinka laskea kaasu? Kaasun lämpökapasiteetti lasketaan aineessa olevien yksittäisten molekyylien lämpöliikkeen keskimääräisestä energiasta. Molekyylien liikkeet voivat olla translaatio- ja rotaatiotyyppisiä, ja molekyylin sisällä voi olla kokonainen atomi tai atomien värähtely. Klassinen tilasto kertoo, että kullekin pyörimis- ja translaatioliikkeiden vapausasteelle on molaarinen arvo, joka on yhtä suuri kuin R / 2, ja jokaiselle värähtelyvapausasteelle arvo on yhtä suuri kuin R. Tätä sääntöä kutsutaan myös tasa-arvolaki.
Tässä tapauksessa yksiatomisen kaasun hiukkanen eroaa vain kolmella translaatiovapausasteella, ja siksi sen lämpökapasiteetin tulisi olla yhtä suuri kuin 3R/2, mikä sopii erinomaisesti kokeeseen. Jokaisella kaksiatomisella kaasumolekyylillä on kolme translaatio-, kaksi rotaatio- ja yksi värähtelyvapausastetta, mikä tarkoittaa, että tasajakolaki on 7R/2, ja kokemus on osoittanut, että kaksiatomisen kaasun moolin lämpökapasiteetti tavallisessa lämpötilassa on 5R/ 2. Miksi teoriassa oli tällainen ristiriita? Kaikki johtuu siitä, että lämpökapasiteettia määritettäessä tulee ottaa huomioon erilaisia kvanttivaikutuksia eli käyttää kvanttitilastoja. Kuten näette, lämpökapasiteetti on melko monimutkainen käsite.
Kvanttimekaniikka sanoo, että millä tahansa hiukkasjärjestelmällä, joka värähtelee tai pyörii, mukaan lukien kaasumolekyyli, voi olla tiettyjä erillisiä energia-arvoja. Jos lämpöliikkeen energia asennetussa järjestelmässä ei riitä herättämään vaaditun taajuuden värähtelyjä, nämä värähtelyt eivät vaikuta järjestelmän lämpökapasiteettiin.
Kiinteissä aineissa atomien lämpöliike on heikko värähtely tiettyjen tasapainoasemien ympärillä, tämä koskee kidehilan solmuja. Atomilla on kolme värähtelyvapausastetta ja lain mukaan kiinteän kappaleen molaarinen lämpökapasiteetti on yhtä suuri kuin 3nR, missä n on molekyylissä olevien atomien lukumäärä. Käytännössä tämä arvo on raja, johon kehon lämpökapasiteetti pyrkii korkeissa lämpötiloissa. Arvo saavutetaan normaaleilla lämpötilan muutoksilla monissa elementeissä, tämä koskee metalleja sekä yksinkertaisia yhdisteitä. Myös lyijyn ja muiden aineiden lämpökapasiteetti määritetään.
Mitä voidaan sanoa matalista lämpötiloista?
Tiedämme jo mikä on lämpökapasiteetti, mutta jos puhumme matalista lämpötiloista, kuinka arvo lasketaan silloin? Jos puhumme alhaisen lämpötilan indikaattoreista, kiinteän kappaleen lämpökapasiteetti osoittautuu sitten verrannolliseksi T 3 tai ns. Debyen lämpökapasiteetin laki. Pääkriteeri korkeiden lämpötilojen erottamiseksi matalista on niiden tavallinen vertailu tietylle aineelle ominaiseen parametriin - tämä voi olla ominaisuus tai Debye-lämpötila q D . Esitetty arvo määräytyy tuotteen atomien värähtelyspektrin mukaan ja riippuu merkittävästi kiderakenteesta.
Metalleissa johtavuuselektroneilla on tietty osuus lämpökapasiteetista. Tämä osa lämpökapasiteetista on laskettu Fermi-Dirac-tilastolla, jossa elektronit huomioidaan. Metallin sähköinen lämpökapasiteetti, joka on verrannollinen tavanomaiseen lämpökapasiteettiin, on suhteellisen pieni arvo, ja se vaikuttaa metallin lämpökapasiteettiin vain absoluuttisen nollan lähellä olevissa lämpötiloissa. Silloin hilan lämpökapasiteetti tulee hyvin pieneksi ja voidaan jättää huomiotta.
Massalämpökapasiteetti
Massaominaislämpökapasiteetti on lämpömäärä, joka on saatettava aineen massayksikköön tuotteen lämmittämiseksi yksikkölämpötilaa kohden. Tämä arvo on merkitty kirjaimella C ja se mitataan jouleina jaettuna kilogrammalla kelviniä kohti - J / (kg K). Tämä kaikki koskee massan lämpökapasiteettia.
Mikä on tilavuuslämpökapasiteetti?
Tilavuuslämpökapasiteetti on tietty määrä lämpöä, joka on saatettava tuotantoyksikkömäärään, jotta se lämmitetään yksikkölämpötilaa kohden. Tämä indikaattori mitataan jouleina jaettuna kuutiometrillä kelviniä kohti tai J / (m³ K). Monissa rakennusalan hakukirjoissa huomioidaan työn massakohtainen lämpökapasiteetti.
Lämpökapasiteetin käytännön sovellus rakennusteollisuudessa
Lämmönkestävien seinien rakentamisessa käytetään aktiivisesti monia lämpöintensiivisiä materiaaleja. Tämä on erittäin tärkeää taloille, joille on ominaista säännöllinen lämmitys. Esimerkiksi uuni. Lämpöintensiiviset tuotteet ja niistä rakennetut seinät keräävät täydellisesti lämpöä, varastoivat sitä lämmitysjaksojen aikana ja vapauttavat lämpöä vähitellen järjestelmän sammuttamisen jälkeen, jolloin voit ylläpitää hyväksyttävää lämpötilaa koko päivän.
Joten mitä enemmän lämpöä varastoituu rakenteeseen, sitä mukavampi ja vakaampi huoneiden lämpötila on.
On huomattava, että tavallisella asuntorakentamisessa käytetyllä tiilellä ja betonilla on huomattavasti pienempi lämpökapasiteetti kuin polystyreenivaahto. Jos otamme ekovillan, se kuluttaa kolme kertaa enemmän lämpöä kuin betoni. On huomattava, että lämpökapasiteetin laskentakaavassa ei turhaan ole massaa. Suuresta valtavasta betoni- tai tiilimassasta johtuen ekovillaan verrattuna se mahdollistaa valtavien lämpömäärien keräämisen rakenteiden kiviseiniin ja tasoittaa kaikki päivittäiset lämpötilanvaihtelut. Vain pieni eristemassa kaikissa runkotaloissa hyvästä lämpökapasiteetista huolimatta on kaikkien runkotekniikoiden heikoin alue. Tämän ongelman ratkaisemiseksi kaikkiin taloihin asennetaan vaikuttavat lämmönvaraajat. Mikä se on? Nämä ovat rakenneosia, joille on ominaista suuri massa ja melko hyvä lämpökapasiteettiindeksi.
Esimerkkejä lämmön varaajista elämässä
Mitä se voisi olla? Esimerkiksi jotkut sisäiset tiiliseinät, iso liesi tai takka, betonitasotteet.
Minkä tahansa talon tai asunnon huonekalut ovat erinomainen lämmönvaraaja, koska vaneri, lastulevy ja puu voivat itse asiassa varastoida lämpöä vain painokiloa kohden kolme kertaa enemmän kuin pahamaineinen tiili.
Onko lämpövarastolla haittoja? Tämän lähestymistavan suurin haitta on tietysti se, että lämmönvaraaja on suunniteltava runkorakennuksen luomisvaiheessa. Kaikki johtuu siitä, että se on erittäin raskas, ja tämä on otettava huomioon perustaa luotaessa ja sitten kuvitella, kuinka tämä esine integroidaan sisustukseen. On syytä sanoa, että on tarpeen ottaa huomioon paitsi massa, myös työn molemmat ominaisuudet on arvioitava: massa ja lämpökapasiteetti. Jos esimerkiksi käytät lämpövarastina kultaa, jonka paino on uskomattoman kaksikymmentä tonnia kuutiometrillä, niin tuote toimii niin kuin sen pitäisikin vain kaksikymmentäkolme prosenttia paremmin kuin kaksi ja puoli tonnia painava betonikuutio.
Mikä aine soveltuu parhaiten lämmönvaraajaksi?
Paras tuote lämpövaraajaksi ei ole betoni ja tiili ollenkaan! Kupari, pronssi ja rauta tekevät hyvää työtä, mutta ne ovat erittäin raskaita. Kummallista kyllä, mutta paras lämmönvaraaja on vesi! Nesteen lämpökapasiteetti on vaikuttava, suurin saatavilla olevista aineista. Ainoastaan heliumkaasuilla (5190 J / (kg K) ja vedyllä (14300 J / (kg K))) on enemmän lämpökapasiteettia, mutta niiden soveltaminen käytännössä on ongelmallista. Katso halutessasi ja tarpeen mukaan aineiden lämpökapasiteettitaulukko tarvitset.
