Objektif
Tentukan secara eksperimental nilai kapasitas panas rata-rata udara dalam kisaran suhu dari t 1 sampai t 2, membangun ketergantungan kapasitas panas udara pada suhu.
1. Tentukan daya yang dihabiskan untuk pemanasan gas dari t 1
sebelum t 2 .
2. Perbaiki nilai aliran udara dalam interval waktu tertentu.
Pedoman Persiapan Lab
1. Kerjakan bagian kursus “Kapasitas panas” sesuai dengan literatur yang direkomendasikan.
2. Biasakan diri Anda dengan panduan metodologis ini.
3. Menyiapkan protokol untuk pekerjaan laboratorium, termasuk materi teoritis yang diperlukan terkait dengan pekerjaan ini (rumus perhitungan, diagram, grafik).
Pengantar Teoretis
Kapasitas panas- kuantitas termofisika yang paling penting, yang secara langsung atau tidak langsung termasuk dalam semua perhitungan rekayasa panas.
Kapasitas panas mencirikan sifat termofisika suatu zat dan tergantung pada berat molekul gas μ , suhu t, tekanan R, jumlah derajat kebebasan molekul saya, dari proses di mana panas disuplai atau dihilangkan p = konstanta, v =konstan. Kapasitas panas sangat tergantung pada berat molekul gas μ . Jadi, misalnya, kapasitas panas untuk beberapa gas dan padatan adalah
Jadi semakin sedikit μ , semakin sedikit zat yang terkandung dalam satu kilomol dan semakin banyak panas yang dibutuhkan untuk mengubah suhu gas sebesar 1 K. Itulah sebabnya hidrogen adalah pendingin yang lebih efisien daripada, misalnya, udara.
Secara numerik, kapasitas panas didefinisikan sebagai jumlah panas yang harus dibawa ke 1 kg(atau 1 m 3), suatu zat dapat mengubah suhunya sebesar 1 K.
Karena jumlah panas yang diberikan dq tergantung pada sifat prosesnya, maka kapasitas panas juga tergantung pada sifat prosesnya. Sistem yang sama dalam proses termodinamika yang berbeda memiliki kapasitas panas yang berbeda - cp, CV, c n. Yang paling penting secara praktis adalah cp dan CV.
Menurut teori molekuler-kinematik gas (MKT), untuk proses tertentu, kapasitas panas hanya bergantung pada berat molekul. Misalnya, kapasitas panas cp dan CV dapat didefinisikan sebagai
Untuk udara ( k = 1,4; R = 0,287 kJ/(kg· KE))
kJ/kg
Untuk gas ideal tertentu, kapasitas panas hanya bergantung pada suhu, yaitu
Kapasitas panas tubuh dalam proses ini disebut rasio panas dq diperoleh tubuh dengan perubahan sangat kecil dalam keadaannya menjadi perubahan suhu tubuh dengan dt
Kapasitas panas benar dan rata-rata
Di bawah kapasitas panas sebenarnya dari fluida kerja dipahami:
Kapasitas panas sebenarnya menyatakan nilai kapasitas panas fluida kerja pada suatu titik untuk parameter yang diberikan.
Jumlah panas yang dipindahkan. dinyatakan melalui kapasitas panas sebenarnya, dapat dihitung dengan persamaan
Membedakan:
Ketergantungan linier kapasitas panas pada suhu
di mana sebuah- kapasitas panas pada t= 0 °С;
b = tg- faktor kemiringan.
Ketergantungan nonlinier kapasitas panas pada suhu.
Misalnya, untuk oksigen, persamaannya ditulis sebagai
kJ/(kg K)
Di bawah kapasitas panas sedang dengan t memahami rasio jumlah panas dalam proses 1-2 dengan perubahan suhu yang sesuai
kJ/(kg K)
Kapasitas panas rata-rata dihitung sebagai:
Di mana t = t 1 + t 2 .
Perhitungan panas menurut persamaan
sulit, karena tabel memberikan nilai kapasitas panas. Oleh karena itu, kapasitas panas dalam kisaran dari t 1 sampai t 2 harus ditentukan oleh rumus
.
Jika suhu t 1 dan t 2 ditentukan secara eksperimental, maka untuk m kg gas, jumlah panas yang dipindahkan harus dihitung sesuai dengan persamaan
Medium dengan t dan dengan kapasitas panas sebenarnya terkait dengan persamaan:
Untuk sebagian besar gas, semakin tinggi suhu t, semakin tinggi kapasitas panas dengan v , dengan p. Secara fisik, ini berarti semakin panas gas, semakin sulit untuk memanaskannya lebih lanjut.
Nilai eksperimental kapasitas panas pada berbagai suhu disajikan dalam bentuk tabel, grafik, dan fungsi empiris.
Bedakan antara kapasitas panas sebenarnya dan rata-rata.
Kapasitas panas sebenarnya C adalah kapasitas panas untuk suhu tertentu.
Dalam perhitungan teknik, nilai rata-rata kapasitas panas dalam rentang suhu tertentu (t1;t2) sering digunakan.
Kapasitas panas rata-rata dilambangkan dengan dua cara: ,.
Kerugian dari notasi terakhir adalah bahwa kisaran suhu tidak ditentukan.
Kapasitas panas sebenarnya dan rata-rata dihubungkan oleh hubungan:
Kapasitas kalor sebenarnya adalah batas dimana kapasitas kalor rata-rata cenderung, dalam rentang suhu tertentu t1…t2, pada t=t2-t1
Seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, untuk sebagian besar gas, kapasitas panas yang sebenarnya meningkat dengan meningkatnya suhu. Penjelasan fisik untuk peningkatan ini adalah sebagai berikut:
Diketahui bahwa suhu gas tidak berhubungan dengan gerak osilasi atom dan molekul, tetapi bergantung pada energi kinetik E k dari gerak translasi partikel. Tetapi ketika suhu naik, panas yang disuplai ke gas semakin didistribusikan kembali mendukung gerakan osilasi, yaitu. kenaikan suhu dengan masukan panas yang sama melambat saat suhu naik.
Ketergantungan khas kapasitas panas pada suhu:
c=c 0 + pada + bt 2 + dt 3 + … (82) 
dimana c 0 , a, b, d adalah koefisien empiris.
c - Kapasitas panas sebenarnya, mis. nilai kapasitas panas untuk suhu tertentu T.
Untuk kapasitas panas kurva bitoptimizing, ini adalah polinomial dalam bentuk deret pangkat t.
Kurva pas dilakukan dengan menggunakan metode khusus, misalnya, metode kuadrat terkecil. Inti dari metode ini adalah ketika menggunakannya, semua titik berjarak kurang lebih sama dari kurva aproksimasi.
Untuk perhitungan teknik, sebagai suatu peraturan, mereka terbatas pada dua suku pertama di sisi kanan, yaitu. ketergantungan kapasitas panas pada suhu diasumsikan linier c=c 0 + pada (83)
Kapasitas panas rata-rata secara grafis didefinisikan sebagai garis tengah trapesium yang diarsir, seperti yang Anda ketahui, garis tengah trapesium didefinisikan sebagai setengah jumlah alasnya.
Rumus diterapkan jika ketergantungan empiris diketahui.
Dalam kasus di mana ketergantungan kapasitas panas pada suhu tidak dapat didekati secara memuaskan dengan ketergantungan c \u003d c 0 + at, rumus berikut dapat digunakan:
Rumus ini digunakan dalam kasus di mana ketergantungan c pada t pada dasarnya non-linier.
Dari teori kinetik molekuler gas diketahui
U \u003d 12.56T, U - energi internal satu kilomol gas ideal.
Sebelumnya diperoleh untuk gas ideal:
,
,
Dari hasil tersebut diperoleh bahwa kapasitas panas yang diperoleh dengan menggunakan MCT tidak bergantung pada suhu.
Persamaan Mayer: c p -c v =R ,
c p \u003d c v + R \u003d 12,56 + 8,314 20,93.
Seperti dalam kasus sebelumnya, menurut MKT gas, kapasitas panas isobarik molekul tidak bergantung pada suhu.
Konsep gas ideal paling konsisten dengan gas monoatomik pada tekanan rendah; dalam praktiknya, kita harus berurusan dengan 2, 3 ... gas atom. Misalnya, udara, yang volumenya terdiri dari 79% nitrogen (N 2), 21% oksigen (O 2) (dalam perhitungan teknik, gas inert tidak diperhitungkan karena kecilnya kandungannya).
Anda dapat menggunakan tabel berikut untuk perkiraan:
|
monoatomik | ||
|
diatomik | ||
|
triatomik |
Dalam gas nyata, berbeda dengan ideal, kapasitas panas tidak hanya bergantung pada suhu, tetapi juga pada volume dan tekanan sistem.
Berdasarkan data eksperimen, telah ditetapkan bahwa ketergantungan kapasitas panas sebenarnya dari gas nyata pada suhu adalah lengkung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6.6, dan dapat dinyatakan sebagai deret pangkat dengan P = a +bt + dt 2 + ef 3 + .... (6.34)
dimana a, 6, d,... koefisien konstan, nilai numeriknya tergantung pada jenis gas dan sifat prosesnya. Dalam perhitungan termal, ketergantungan nonlinier kapasitas panas pada suhu sering digantikan oleh ketergantungan linier.
Dalam hal ini, kapasitas panas sebenarnya ditentukan dari
persamaan 
(6.35)
di mana t - suhu, °C;b= dc/ dt-sudut faktor kemiringan garis lurus dengan n = sebuah +bt.
Berdasarkan (6.20), kami menemukan rumus untuk kapasitas panas rata-rata ketika berubah secara linier dengan suhu menurut (6.35)
(6.36)
Jika proses perubahan suhu berlangsung dalam
selang HAI-t
,
kemudian (6.36) mengambil bentuk 
(6.37)
Kapasitas panas 
disebut kapasitas panas rata-rata
kisaran suhu 
dan kapasitas panas
- kapasitas panas rata-rata dalam kisaran 0- t.
Hasil perhitungan yang benar dan rata-rata dalam kisaran suhu HAI-t kapasitas massa atau panas molar pada
volume konstan dan tekanan, masing-masing, menurut persamaan (6.34) dan (6.37) diberikan dalam literatur referensi. Tugas utama rekayasa panas dan dingin adalah menentukan panas yang terlibat dalam proses. Sesuai dengan rasio 
q =
c n dT
dan dengan ketergantungan nonlinier dari kapasitas panas sebenarnya pada suhu, jumlah panas ditentukan oleh area dasar yang diarsir dalam diagram dengan koordinat dengan n T(Gbr. 6.6). Ketika suhu berubah dari T 1
sebelum T 2
dalam proses akhir yang sewenang-wenang, jumlah panas input atau output ditentukan, menurut (6.38), sebagai berikut:
(6.38)
dan ditentukan pada diagram yang sama (Gbr. 6.6) dengan luas 12T 2 T 1 1. Substitusi ke (6.38) nilai dengan n \u003d f (T) untuk gas yang diberikan sesuai dengan hubungan (6.34 ) dan pengintegrasian, kita memperoleh rumus perhitungan untuk menentukan panas dalam interval tertentu dari perubahan suhu gas, yang, bagaimanapun, mengikuti dari (6.16):
Namun, karena dalam literatur referensi hanya ada kapasitas panas rata-rata di kisaran suhu 0- t, maka jumlah kalor dalam proses 12 dapat ditentukan tidak hanya dengan rumus sebelumnya, tetapi sebagai berikut: Jelas, rasio antara kapasitas panas rata-rata dalam interval suhu T 1 - T 2 dan 0- t:
Jumlah panas yang diberikan (dihilangkan) ke m kg fluida kerja
Jumlah kalor yang disuplai ke V m 3 gas ditentukan oleh rumus
Banyaknya kalor yang disuplai (dihilangkan) ke n mol fluida kerja adalah
6.10Teori kinetik-molekul kapasitas panas
Teori molekuler-kinetik kapasitas panas sangat mendekati, karena tidak mempertimbangkan komponen vibrasi dan potensial energi internal. Oleh karena itu, menurut teori ini, masalahnya adalah menentukan distribusi energi panas yang disuplai ke zat antara bentuk translasi dan rotasi dari energi kinetik internal. Menurut distribusi Maxwell-Boltzmann, jika sejumlah energi diberikan ke sistem sejumlah besar partikel mikro, maka itu didistribusikan
Molekul gas monoatomik memiliki tiga derajat kebebasan, karena posisinya dalam ruang ditentukan oleh tiga koordinat, dan untuk gas monoatomik, tiga derajat kebebasan ini adalah derajat kebebasan gerak translasi.
Untuk gas diatomik, nilai tiga koordinat satu atom belum menentukan posisi molekul dalam ruang, karena setelah menentukan posisi satu atom, harus diperhitungkan bahwa atom kedua memiliki kemungkinan dari gerak rotasi. Untuk menentukan posisi dalam ruang atom kedua, perlu diketahui dua koordinatnya (Gbr. 6.7), dan koordinat ketiga akan ditentukan dari persamaan yang dikenal dalam geometri analitik
di mana 
adalah jarak antar atom. Jadi, dengan diketahui 
dari enam koordinat, hanya lima yang perlu diketahui. Akibatnya, molekul gas diatomik memiliki lima derajat kebebasan, tiga di antaranya translasi dan dua rotasi.
Molekul gas triatomik memiliki enam derajat kebebasan - tiga gerakan translasi dan tiga gerakan rotasi. Hal ini mengikuti dari kenyataan bahwa untuk menentukan posisi dalam ruang, perlu diketahui enam koordinat atom, yaitu: tiga koordinat atom pertama, dua koordinat atom kedua, dan satu koordinat atom ketiga. Kemudian posisi atom dalam ruang akan ditentukan sepenuhnya, karena jarak antara mereka 
- ditetapkan.
Jika kita mengambil gas dengan atom yang lebih besar, yaitu 4 atom atau lebih, maka jumlah derajat kebebasan gas semacam itu juga akan menjadi enam, karena posisi atom keempat dan setiap atom berikutnya akan ditentukan oleh tetapnya. jarak dari atom lain.
Menurut teori kinetik molekuler materi, energi kinetik rata-rata dari gerakan translasi dan rotasi masing-masing molekul sebanding dengan suhu
dan sama masing-masing 
dan 
adalah jumlah derajat kebebasan gerak rotasi). Oleh karena itu, energi kinetik dari gerakan translasi dan rotasi semua molekul akan menjadi fungsi linier suhu
J, (6.39)
J.
Persamaan (6.39) dan (6.40) menyatakan hukum ekipartisi energi yang disebutkan di atas derajat kebebasan, yang menurutnya energi kinetik rata-rata yang sama sama dengan 1/2 (kT) jatuh pada setiap derajat kebebasan gerak translasi dan rotasi molekul .
Energi gerak vibrasi molekul adalah fungsi peningkatan suhu yang kompleks, dan hanya dalam beberapa kasus pada suhu tinggi energi tersebut dapat diekspresikan dengan rumus yang mirip dengan (6.40). Teori molekuler-kinetik kapasitas panas tidak memperhitungkan gerakan vibrasi molekul.
Gaya tolak menolak dan gaya tarik menarik bekerja antara dua molekul gas nyata. Untuk gas ideal, tidak ada energi potensial interaksi antar molekul. Mengingat hal di atas, energi internal gas ideal sama dengan kamu=
.
Sebagai N=
vnN A
,
kemudian 
Energi internal satu mol gas ideal, asalkan konstanta gas universal ditentukan oleh produk dari dua konstanta: 
=
kn A ,
didefinisikan sebagai berikut: 
,J/mol.
Membedakan sehubungan dengan T dan mengetahui bahwa dua 
/
dT
=
c r ,
kita mendapatkan kapasitas panas molar gas ideal pada volume konstan
Koefisien 
disebut rasio Poisson atau eksponen adiabatik.
Untuk gas ideal, indeks adiabatik adalah besaran yang hanya bergantung pada struktur atom molekul gas, yang tercermin dalam Tabel. 6.1. Nilai simbolis dari eksponen adiabatik dapat diperoleh dari persamaan Mayer dengan p - c v = R melalui transformasi berikut: kc v - c p = R, c v (k- aku) - R, dari mana ke= 1 + R/ c v . Dari persamaan sebelumnya berikut ekspresi kapasitas panas isokhorik dalam hal eksponen adiabatik cv = = R/(k- 1) dan kemudian kapasitas panas isobarik: dengan r. = kR/(k- 1).
Dari persamaan Mayer 
dengan R
=
kita memperoleh ekspresi untuk kapasitas panas molar gas ideal pada tekanan konstan 
, J/(mol-K).
Untuk perhitungan perkiraan pada suhu yang tidak terlalu tinggi, ketika energi gerakan vibrasi atom dalam molekul karena kecilnya dapat diabaikan, kapasitas panas molar yang diperoleh dapat digunakan. 
dengan v 
dan 
dengan p
sebagai fungsi dari atomitas gas. Nilai kapasitas panas disajikan dalam tabel. 6.1.
Tabel 6.1
Nilai kapasitas panas menurut kinetika molekulteori gas
|
kapasitas panas Atomitas gas |
|
| |||
|
tahi lalat |
tahi lalat | ||||
|
Gas monoatomik Gas diatomik Gas triatomik atau lebih |
12,5 20,8 29,1 |
20.8 29.1 37.4 |
1,67 1,40 1,28 |
||
Kapasitas panas adalah rasio jumlah panas yang diberikan ke sistem dengan kenaikan suhu yang diamati dalam kasus ini (dengan tidak adanya reaksi kimia, transisi suatu zat dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya dan pada A "= 0. )
Kapasitas kalor biasanya dihitung per 1 g massa, maka disebut spesifik (J / g * K), atau per 1 mol (J / mol * K), maka disebut molar.
Membedakan rata-rata dan benar kapasitas panas.
Tengah kapasitas panas adalah kapasitas panas dalam kisaran suhu, yaitu rasio panas yang diberikan ke tubuh dengan kenaikan suhunya sebesar
BENAR Kapasitas kalor suatu benda adalah perbandingan jumlah panas yang diterima oleh benda tersebut dengan peningkatan suhu yang sesuai.
Sangat mudah untuk membuat hubungan antara kapasitas panas rata-rata dan sebenarnya:
mengganti nilai Q ke dalam ekspresi untuk kapasitas panas rata-rata, kami memiliki:
Kapasitas panas sebenarnya tergantung pada sifat zat, suhu dan kondisi di mana perpindahan panas ke sistem terjadi.
Jadi, jika sistem tertutup dalam volume konstan, yaitu untuk isokhorik proses yang kami miliki:
Jika sistem mengembang atau berkontraksi sementara tekanan tetap konstan, mis. untuk isobarik proses yang kami miliki:
Tetapi Q V = dU, dan Q P = dH, oleh karena itu
C V = (∂U/∂T) v , dan C P = (∂H/∂T) p
(jika satu atau lebih variabel dianggap konstan sementara yang lain berubah, maka turunannya dikatakan parsial terhadap variabel yang berubah).
Kedua rasio ini berlaku untuk zat apa pun dan keadaan agregasi apa pun. Untuk menunjukkan hubungan antara C V dan C P, perlu untuk membedakan ekspresi untuk entalpi H \u003d U + pV /
Untuk gas ideal pV=nRT
untuk satu mol atau
Selisih R adalah usaha pemuaian isobarik dari 1 mol gas ideal ketika suhu naik satu satuan.
Untuk zat cair dan padat, karena perubahan volume yang kecil ketika dipanaskan, P = V
Ketergantungan efek termal dari reaksi kimia pada suhu, persamaan Kirchhoff.
Menggunakan hukum Hess, seseorang dapat menghitung efek termal dari suatu reaksi pada suhu (biasanya 298K) di mana panas pembentukan atau pembakaran standar dari semua peserta dalam reaksi diukur.
Tetapi lebih sering perlu untuk mengetahui efek termal dari suatu reaksi pada suhu yang berbeda.
Pertimbangkan reaksinya:
A A+ν B B= C +ν D D
Mari kita nyatakan dengan H entalpi peserta dalam reaksi per 1 mol. Perubahan total entalpi (T) reaksi dinyatakan dengan persamaan:
\u003d (ν C H C + D H D) - (ν A H A + B H B); va, vb, vc, vd - koefisien stoikiometri. x.r.
Jika reaksi berlangsung pada tekanan konstan, maka perubahan entalpi akan sama dengan efek panas reaksi. Dan jika kita membedakan persamaan ini sehubungan dengan suhu, kita mendapatkan:
Persamaan untuk proses isobarik dan isokhorik
dan 
ditelepon persamaan Kirchhoff(dalam bentuk diferensial). Mereka mengizinkan secara kualitatif mengevaluasi ketergantungan efek termal pada suhu.
Pengaruh suhu terhadap efek termal ditentukan oleh tanda nilai p (atau V)
Pada p > 0 nilai , yaitu, dengan meningkatnya suhu efek termal meningkat
pada p< 0 yaitu, ketika suhu meningkat, efek termal berkurang.
pada p = 0- efek termal dari reaksi tidak bergantung pada suhu
Artinya, sebagai berikut dari ini, p menentukan tanda di depan .
Kapasitas panas adalah kemampuan untuk menyerap sejumlah panas selama pemanasan atau memberikannya ketika didinginkan. Kapasitas panas suatu benda adalah rasio jumlah panas yang sangat kecil yang diterima benda dengan peningkatan yang sesuai dalam indikator suhunya. Nilai diukur dalam J/K. Dalam praktiknya, nilai yang sedikit berbeda digunakan - kapasitas panas spesifik.
Definisi
Apa yang dimaksud dengan kapasitas panas spesifik? Ini adalah kuantitas yang terkait dengan satu jumlah zat. Dengan demikian, jumlah suatu zat dapat diukur dalam meter kubik, kilogram, atau bahkan dalam mol. Itu tergantung pada apa? Dalam fisika, kapasitas kalor bergantung langsung pada satuan kuantitatif yang dirujuk, yang berarti bahwa kapasitas kalor dibedakan antara kapasitas kalor molar, massa, dan volumetrik. Dalam industri konstruksi, Anda tidak akan bertemu dengan pengukuran molar, tetapi dengan orang lain - sepanjang waktu.
Apa yang mempengaruhi kapasitas panas spesifik?
Anda tahu apa itu kapasitas panas, tetapi nilai apa yang mempengaruhi indikator belum jelas. Nilai kalor jenis secara langsung dipengaruhi oleh beberapa komponen: suhu zat, tekanan dan karakteristik termodinamika lainnya.
Ketika suhu produk naik, kapasitas panas spesifiknya meningkat, namun, zat tertentu berbeda dalam kurva yang sepenuhnya non-linier dalam ketergantungan ini. Misalnya, dengan peningkatan indikator suhu dari nol menjadi tiga puluh tujuh derajat, kapasitas panas spesifik air mulai berkurang, dan jika batasnya antara tiga puluh tujuh dan seratus derajat, maka indikator, sebaliknya, akan meningkat.
Perlu dicatat bahwa parameter juga tergantung pada bagaimana karakteristik termodinamika produk (tekanan, volume, dan sebagainya) dibiarkan berubah. Misalnya, panas jenis pada tekanan stabil dan pada volume stabil akan berbeda.
Bagaimana cara menghitung parameternya?
Apakah Anda tertarik pada apa kapasitas panasnya? Rumus perhitungannya adalah sebagai berikut: C \u003d Q / (m T). Apa nilai-nilai ini? Q adalah jumlah panas yang diterima produk saat dipanaskan (atau dilepaskan oleh produk selama pendinginan). m adalah massa produk, dan T adalah perbedaan antara suhu akhir dan awal produk. Di bawah ini adalah tabel kapasitas panas beberapa bahan.
Apa yang bisa dikatakan tentang perhitungan kapasitas panas?
Menghitung kapasitas panas bukanlah tugas yang mudah, apalagi jika hanya metode termodinamika yang digunakan, tidak mungkin dilakukan dengan lebih tepat. Oleh karena itu, fisikawan menggunakan metode fisika statistik atau pengetahuan tentang struktur mikro produk. Bagaimana cara menghitung gas? Kapasitas panas suatu gas dihitung dari perhitungan energi rata-rata gerak termal molekul individu dalam suatu zat. Pergerakan molekul dapat berupa jenis translasi dan rotasi, dan di dalam molekul dapat ada atom utuh atau getaran atom. Statistik klasik mengatakan bahwa untuk setiap derajat kebebasan gerakan rotasi dan translasi, ada nilai molar, yang sama dengan R / 2, dan untuk setiap derajat kebebasan getaran, nilainya sama dengan R. Aturan ini juga disebut hukum ekuipartisi.
Dalam hal ini, partikel gas monoatomik hanya berbeda tiga derajat kebebasan translasi, dan oleh karena itu kapasitas panasnya harus sama dengan 3R/2, yang sangat sesuai dengan eksperimen. Setiap molekul gas diatomik memiliki tiga derajat kebebasan translasi, dua rotasi dan satu vibrasi, yang berarti bahwa hukum ekuipartisi akan menjadi 7R/2, dan pengalaman menunjukkan bahwa kapasitas panas satu mol gas diatomik pada suhu biasa adalah 5R/ 2. Mengapa ada perbedaan dalam teori? Semuanya disebabkan oleh fakta bahwa ketika menetapkan kapasitas panas, perlu memperhitungkan berbagai efek kuantum, dengan kata lain, menggunakan statistik kuantum. Seperti yang Anda lihat, kapasitas panas adalah konsep yang agak rumit.
Mekanika kuantum mengatakan bahwa setiap sistem partikel yang berosilasi atau berputar, termasuk molekul gas, dapat memiliki nilai energi diskrit tertentu. Jika energi gerak termal dalam sistem terpasang tidak cukup untuk membangkitkan osilasi frekuensi yang diperlukan, maka osilasi ini tidak berkontribusi pada kapasitas panas sistem.
Dalam padatan, gerakan termal atom adalah osilasi lemah di sekitar posisi kesetimbangan tertentu, ini berlaku untuk simpul kisi kristal. Sebuah atom memiliki tiga derajat kebebasan vibrasi dan, menurut hukum, kapasitas panas molar dari benda padat adalah sama dengan 3nR, di mana n adalah jumlah atom yang ada dalam molekul. Dalam praktiknya, nilai ini adalah batas di mana kapasitas panas tubuh cenderung pada suhu tinggi. Nilai dicapai dengan perubahan suhu normal di banyak elemen, ini berlaku untuk logam, serta senyawa sederhana. Kapasitas panas timbal dan zat lain juga ditentukan.
Apa yang bisa dikatakan tentang suhu rendah?
Kita sudah tahu apa itu kapasitas panas, tetapi jika kita berbicara tentang suhu rendah, bagaimana nilainya dihitung? Jika kita berbicara tentang indikator suhu rendah, maka kapasitas panas benda padat ternyata proporsional T 3 atau yang disebut hukum Debye tentang kapasitas kalor. Kriteria utama untuk membedakan suhu tinggi dari yang rendah adalah perbandingan yang biasa dengan mereka dengan karakteristik parameter zat tertentu - ini bisa menjadi karakteristik atau suhu Debye q D . Nilai yang disajikan ditentukan oleh spektrum getaran atom dalam produk dan sangat bergantung pada struktur kristal.
Dalam logam, elektron konduksi memberikan kontribusi tertentu pada kapasitas panas. Bagian dari kapasitas panas ini dihitung menggunakan statistik Fermi-Dirac, yang memperhitungkan elektron. Kapasitas panas elektronik suatu logam, yang sebanding dengan kapasitas panas biasa, adalah nilai yang relatif kecil, dan berkontribusi pada kapasitas panas logam hanya pada suhu yang mendekati nol mutlak. Kemudian kapasitas panas kisi menjadi sangat kecil dan dapat diabaikan.
Kapasitas panas massa
Kapasitas panas jenis massa adalah jumlah panas yang diperlukan untuk dibawa ke satu satuan massa suatu zat untuk memanaskan produk per satuan suhu. Nilai ini dilambangkan dengan huruf C dan diukur dalam joule dibagi dengan kilogram per kelvin - J / (kg K). Ini semua yang menyangkut kapasitas panas massa.
Apa yang dimaksud dengan kapasitas panas volumetrik?
Kapasitas panas volumetrik adalah jumlah panas tertentu yang perlu dibawa ke satu unit volume produksi untuk memanaskannya per unit suhu. Indikator ini diukur dalam joule dibagi dengan meter kubik per kelvin atau J / (m³ K). Dalam banyak buku referensi bangunan, yang dipertimbangkan adalah kapasitas panas spesifik massa dalam pekerjaan.
Aplikasi praktis kapasitas panas dalam industri konstruksi
Banyak bahan intensif panas secara aktif digunakan dalam konstruksi dinding tahan panas. Ini sangat penting untuk rumah yang ditandai dengan pemanasan berkala. Misalnya, oven. Produk dan dinding intensif panas yang dibangun darinya mengakumulasi panas dengan sempurna, menyimpannya selama periode waktu pemanasan dan secara bertahap melepaskan panas setelah sistem dimatikan, sehingga memungkinkan Anda mempertahankan suhu yang dapat diterima sepanjang hari.
Jadi, semakin banyak panas yang disimpan dalam struktur, semakin nyaman dan stabil suhu di dalam ruangan.
Perlu dicatat bahwa batu bata dan beton biasa yang digunakan dalam konstruksi perumahan memiliki kapasitas panas yang jauh lebih rendah daripada polistiren yang diperluas. Jika kita mengambil ecowool, maka memakan panas tiga kali lebih banyak daripada beton. Perlu dicatat bahwa dalam rumus untuk menghitung kapasitas panas, tidak sia-sia ada massa. Karena massa beton atau batu bata yang sangat besar, dibandingkan dengan ecowool, ini memungkinkan akumulasi panas dalam jumlah besar di dinding batu struktur dan menghaluskan semua fluktuasi suhu harian. Hanya sejumlah kecil insulasi di semua rumah bingkai, meskipun memiliki kapasitas panas yang baik, yang merupakan area terlemah untuk semua teknologi bingkai. Untuk mengatasi masalah ini, akumulator panas yang mengesankan dipasang di semua rumah. Apa itu? Ini adalah bagian struktural yang dicirikan oleh massa besar dengan indeks kapasitas panas yang cukup baik.
Contoh akumulator panas dalam kehidupan
Apa itu? Misalnya, beberapa dinding bata internal, kompor atau perapian besar, screed beton.
Perabotan di rumah atau apartemen mana pun adalah akumulator panas yang sangat baik, karena kayu lapis, chipboard, dan kayu sebenarnya hanya dapat menyimpan panas per kilogram berat tiga kali lebih banyak daripada batu bata terkenal.
Apakah ada kekurangan penyimpanan termal? Tentu saja, kelemahan utama dari pendekatan ini adalah bahwa akumulator panas perlu dirancang pada tahap pembuatan tata letak rumah bingkai. Ini karena fakta bahwa itu sangat berat, dan ini perlu diperhitungkan saat membuat fondasi, dan kemudian bayangkan bagaimana objek ini akan diintegrasikan ke interior. Patut dikatakan bahwa perlu untuk memperhitungkan tidak hanya massa, tetapi juga perlu untuk mengevaluasi kedua karakteristik dalam pekerjaan: massa dan kapasitas panas. Misalnya, jika Anda menggunakan emas dengan berat luar biasa dua puluh ton per meter kubik sebagai penyimpan panas, maka produk akan berfungsi sebagaimana mestinya hanya dua puluh tiga persen lebih baik daripada kubus beton, yang beratnya dua setengah ton.
Zat mana yang paling cocok untuk penyimpanan panas?
Produk terbaik untuk akumulator panas bukanlah beton dan batu bata sama sekali! Tembaga, perunggu dan besi melakukan pekerjaan ini dengan baik, tetapi mereka sangat berat. Anehnya, tapi akumulator panas terbaik adalah air! Cairan memiliki kapasitas panas yang mengesankan, yang terbesar di antara zat yang tersedia bagi kita. Hanya gas helium (5190 J / (kg K) dan hidrogen (14300 J / (kg K)) yang memiliki kapasitas panas lebih besar, tetapi dalam penerapannya bermasalah. Jika Anda menginginkan dan membutuhkan, lihat tabel kapasitas panas zat Anda butuhkan.
