Dalam materi singkat ini, kita akan membahas secara singkat salah satu sifat air yang paling penting bagi planet kita, yaitu Kapasitas panas.

Kapasitas panas spesifik air

Mari kita membuat interpretasi singkat dari istilah ini:

Kapasitas panas zat adalah kemampuannya untuk mengakumulasi panas dalam dirinya sendiri. Nilai ini diukur dengan jumlah panas yang diserapnya, ketika dipanaskan sebesar 1 ° C. Misalnya, kapasitas panas air adalah 1 kal / g, atau 4,2 J / g, dan tanah - pada 14,5-15,5 ° C (tergantung jenis tanah) berkisar antara 0,5 hingga 0,6 kal (2,1-2,5 J ) per satuan volume dan dari 0,2 hingga 0,5 kal (atau 0,8-2,1 J) per satuan massa (gram).

Kapasitas panas air memiliki dampak signifikan pada banyak aspek kehidupan kita, tetapi dalam materi ini kita akan fokus pada perannya dalam membentuk rezim suhu planet kita, yaitu ...

Kapasitas panas air dan iklim bumi

Kapasitas panas air dalam nilai absolutnya cukup besar. Dari definisi di atas, kita melihat bahwa itu secara signifikan melebihi kapasitas panas tanah planet kita. Karena perbedaan kapasitas panas ini, tanah, dibandingkan dengan air di lautan dunia, memanas lebih cepat dan, karenanya, mendingin lebih cepat. Berkat lautan dunia yang lebih lembam, fluktuasi suhu harian dan musiman di Bumi tidak sebesar jika tidak ada lautan dan lautan. Artinya, di musim dingin, air menghangatkan Bumi, dan di musim panas mendingin. Secara alami, pengaruh ini paling terlihat di wilayah pesisir, tetapi secara rata-rata global, itu mempengaruhi seluruh planet.

Secara alami, banyak faktor yang mempengaruhi fluktuasi suhu harian dan musiman, tetapi air adalah salah satu yang paling penting.

Peningkatan amplitudo fluktuasi suhu harian dan musiman akan secara radikal mengubah dunia di sekitar kita.

Misalnya, fakta yang terkenal adalah bahwa batu kehilangan kekuatannya dan menjadi rapuh selama fluktuasi suhu yang tajam. Jelas, kita sendiri akan "agak" berbeda. Setidaknya parameter fisik tubuh kita akan berbeda persis.

Sifat kapasitas panas anomali air

Kapasitas panas air memiliki sifat anomali. Ternyata dengan peningkatan suhu air, kapasitas panasnya berkurang, dinamika ini bertahan hingga 37 ° C, dengan peningkatan suhu lebih lanjut, kapasitas panas mulai meningkat.

Fakta ini mengandung satu pernyataan menarik. Secara relatif, alam itu sendiri, yang diwakili oleh Air, telah menentukan 37°C sebagai suhu yang paling nyaman bagi tubuh manusia, dengan syarat, tentu saja, semua faktor lain diperhatikan. Dengan adanya dinamika perubahan suhu lingkungan, suhu air cenderung 37°C.

Air adalah salah satu zat yang paling menakjubkan. Meskipun tersebar luas dan digunakan secara luas, itu adalah misteri alam yang nyata. Menjadi salah satu senyawa oksigen, tampaknya air memiliki karakteristik yang sangat rendah seperti pembekuan, panas penguapan, dll. Tapi ini tidak terjadi. Kapasitas panas air saja, terlepas dari segalanya, sangat tinggi.

Air mampu menyerap sejumlah besar panas, sementara itu sendiri praktis tidak memanas - ini adalah fitur fisiknya. air sekitar lima kali lebih tinggi dari kapasitas panas pasir, dan sepuluh kali lebih tinggi dari besi. Oleh karena itu, air adalah pendingin alami. Kemampuannya untuk mengakumulasi sejumlah besar energi memungkinkan untuk menghaluskan fluktuasi suhu di permukaan bumi dan mengatur rezim termal di seluruh planet, dan ini terjadi terlepas dari waktu dalam setahun.

Sifat air yang unik ini memungkinkan untuk digunakan sebagai pendingin di industri dan di rumah. Selain itu, air merupakan bahan baku yang banyak tersedia dan relatif murah.

Apa yang dimaksud dengan kapasitas panas? Sebagaimana diketahui dari mata kuliah termodinamika, perpindahan panas selalu terjadi dari benda panas ke benda dingin. Dalam hal ini, kita berbicara tentang transisi sejumlah panas tertentu, dan suhu kedua benda, yang menjadi karakteristik keadaan mereka, menunjukkan arah pertukaran ini. Dalam proses benda logam dengan air dengan massa yang sama pada suhu awal yang sama, logam mengubah suhunya beberapa kali lebih banyak daripada air.

Jika kita mengambil sebagai postulat pernyataan utama termodinamika - dari dua benda (terisolasi dari yang lain), selama pertukaran panas, satu melepaskan dan yang lain menerima jumlah panas yang sama, maka menjadi jelas bahwa logam dan air memiliki panas yang sama sekali berbeda. kapasitas.

Dengan demikian, kapasitas panas air (serta zat apa pun) adalah indikator yang mencirikan kemampuan zat tertentu untuk memberi (atau menerima) beberapa selama pendinginan (pemanasan) per satuan suhu.

Kapasitas kalor jenis suatu zat adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk memanaskan satu unit zat ini (1 kilogram) sebesar 1 derajat.

Jumlah panas yang dilepaskan atau diserap oleh suatu benda sama dengan produk dari kapasitas panas spesifik, massa dan perbedaan suhu. Itu diukur dalam kalori. Satu kalori persis jumlah panas yang cukup untuk memanaskan 1 g air sebesar 1 derajat. Sebagai perbandingan: kapasitas kalor jenis udara adalah 0,24 kal/g °C, aluminium 0,22, besi 0,11, dan merkuri 0,03.

Kapasitas panas air tidak konstan. Dengan peningkatan suhu dari 0 hingga 40 derajat, itu sedikit menurun (dari 1,0074 menjadi 0,9980), sedangkan untuk semua zat lain, karakteristik ini meningkat selama pemanasan. Selain itu, dapat menurun dengan meningkatnya tekanan (di kedalaman).

Seperti yang Anda ketahui, air memiliki tiga keadaan agregasi - cair, padat (es) dan gas (uap). Pada saat yang sama, kapasitas panas spesifik es kira-kira 2 kali lebih rendah daripada air. Ini adalah perbedaan utama antara air dan zat lain, yang kapasitas panas spesifiknya dalam keadaan padat dan cair tidak berubah. Apa rahasianya di sini?

Faktanya adalah es memiliki struktur kristal, yang tidak langsung runtuh saat dipanaskan. Air mengandung partikel kecil es, yang terdiri dari beberapa molekul dan disebut rekanan. Ketika air dipanaskan, sebagian dihabiskan untuk penghancuran ikatan hidrogen dalam formasi ini. Ini menjelaskan kapasitas panas air yang luar biasa tinggi. Ikatan antara molekul-molekulnya benar-benar hancur hanya ketika air berubah menjadi uap.

Kapasitas panas spesifik pada suhu 100 ° C hampir tidak berbeda dari es pada 0 ° C. Ini sekali lagi menegaskan kebenaran penjelasan ini. Kapasitas panas uap, seperti kapasitas panas es, sekarang jauh lebih dipahami daripada air, di mana para ilmuwan belum mencapai konsensus.

Entalpi adalah sifat materi yang menunjukkan jumlah energi yang dapat diubah menjadi panas.

Entalpi adalah sifat termodinamika suatu zat yang menunjukkan tingkat energi disimpan dalam struktur molekulnya. Ini berarti bahwa meskipun materi dapat memiliki energi berdasarkan , tidak semuanya dapat diubah menjadi panas. Bagian dari energi internal selalu tetap dalam materi dan mempertahankan struktur molekulnya. Bagian dari zat tidak dapat diakses ketika suhunya mendekati suhu lingkungan. Karena itu, entalpi adalah jumlah energi yang tersedia untuk diubah menjadi panas pada suhu dan tekanan tertentu. Satuan entalpi- Unit termal Inggris atau joule untuk energi dan Btu/lbm atau J/kg untuk energi spesifik.

Besaran entalpi

Kuantitas entalpi materi berdasarkan suhu yang diberikan. Suhu yang diberikan adalah nilai yang dipilih oleh para ilmuwan dan insinyur sebagai dasar perhitungan. Ini adalah suhu di mana entalpi suatu zat adalah nol J. Dengan kata lain, zat tersebut tidak memiliki energi yang tersedia yang dapat diubah menjadi panas. Suhu ini berbeda untuk zat yang berbeda. Misalnya, suhu air ini adalah titik tripel (0 °C), nitrogen adalah -150 °C, dan zat pendingin berdasarkan metana dan etana adalah -40 °C.

Jika suhu suatu zat di atas suhu tertentu, atau berubah wujud menjadi gas pada suhu tertentu, entalpi dinyatakan sebagai bilangan positif. Sebaliknya, pada suhu di bawah entalpi tertentu suatu zat dinyatakan sebagai bilangan negatif. Entalpi digunakan dalam perhitungan untuk menentukan perbedaan tingkat energi antara dua keadaan. Ini diperlukan untuk menyiapkan peralatan dan menentukan efek menguntungkan dari proses tersebut.

entalpi sering didefinisikan sebagai energi total materi, karena itu sama dengan jumlah energi internalnya (u) dalam keadaan tertentu, bersama dengan kemampuannya untuk melakukan pekerjaan (pv). Namun pada kenyataannya, entalpi tidak menunjukkan energi total suatu zat pada suhu tertentu di atas nol mutlak (-273°C). Oleh karena itu, alih-alih mendefinisikan entalpi sebagai panas total suatu zat, lebih tepatnya didefinisikan sebagai jumlah total energi yang tersedia dari suatu zat yang dapat diubah menjadi panas.
H=U+pV

Tabel menunjukkan sifat termofisika uap air pada garis saturasi tergantung pada suhu. Sifat uap diberikan dalam tabel dalam kisaran suhu dari 0,01 hingga 370 °C.

Setiap suhu sesuai dengan tekanan di mana uap air dalam keadaan jenuh. Misalnya, pada suhu uap air 200 °C, tekanannya akan menjadi 1,555 MPa, atau sekitar 15,3 atm.

Kapasitas panas spesifik uap, konduktivitas termal dan peningkatannya dengan meningkatnya suhu. Kepadatan uap air juga meningkat. Uap air menjadi panas, berat dan kental, dengan kapasitas panas spesifik yang tinggi, yang memiliki efek positif pada pilihan uap sebagai pembawa panas di beberapa jenis penukar panas.

Misalnya, menurut tabel, panas spesifik uap air Cp pada suhu 20°C sama dengan 1877 J/(kg derajat), dan bila dipanaskan sampai 370°C, kapasitas kalor uap meningkat menjadi 56520 J/(kg derajat).

Tabel tersebut memberikan sifat termofisika uap air berikut pada garis saturasi:

• tekanan uap pada suhu tertentu hal 10 -5, Pa;
• kerapatan uap ρ″ , kg / m3;
• entalpi spesifik (massa) h", kJ/kg;
• r, kJ/kg;
• kapasitas panas spesifik uap Cp, kJ/(kg derajat);
• koefisien konduktivitas termal 10 2, W/(m derajat);
• difusivitas termal 10 6, m2/s;
• viskositas dinamis 10 6, Pa s;
• viskositas kinematik v 10 6, m2/s;
• Nomor Prandtl Pr.

Panas spesifik penguapan, entalpi, difusivitas termal dan viskositas kinematik uap air menurun dengan meningkatnya suhu. Viskositas dinamis dan bilangan Prandtl uap meningkat dalam kasus ini.

Hati-hati! Konduktivitas termal dalam tabel diberikan pangkat 10 2 . Jangan lupa bagi dengan 100! Misalnya, konduktivitas termal uap pada suhu 100°C adalah 0,02372 W/(m derajat).

Konduktivitas termal uap air pada berbagai suhu dan tekanan

Tabel menunjukkan nilai konduktivitas termal air dan uap pada suhu dari 0 hingga 700 °C dan tekanan dari 0,1 hingga 500 atm. Satuan konduktivitas termal adalah W/(m derajat).

Garis di bawah nilai-nilai dalam tabel berarti transisi fase air ke uap, yaitu angka di bawah garis mengacu pada uap, dan di atasnya, ke air. Berdasarkan tabel tersebut, dapat dilihat bahwa nilai koefisien dan uap air meningkat dengan meningkatnya tekanan.

Catatan: konduktivitas termal dalam tabel diberikan pangkat 10 3 . Jangan lupa dibagi 1000!

Konduktivitas termal uap air pada suhu tinggi

Tabel menunjukkan nilai konduktivitas termal dari uap air terdisosiasi dalam W/(m derajat) pada suhu dari 1400 hingga 6000 K dan tekanan dari 0,1 hingga 100 atm.

Menurut tabel, konduktivitas termal uap air pada suhu tinggi meningkat secara nyata dalam kisaran 3000 ... 5000 K. Pada tekanan tinggi, koefisien konduktivitas termal maksimum dicapai pada suhu yang lebih tinggi.

Hati-hati! Konduktivitas termal dalam tabel diberikan pangkat 10 3 . Jangan lupa dibagi 1000!

Hari ini kita akan berbicara tentang apa itu kapasitas panas (termasuk air), apa jenisnya dan di mana istilah fisik ini digunakan. Kami juga akan menunjukkan betapa bermanfaatnya nilai ini untuk air dan uap, mengapa Anda perlu mengetahuinya dan bagaimana hal itu memengaruhi kehidupan kita sehari-hari.

Konsep kapasitas panas

Kuantitas fisik ini sangat sering digunakan di dunia dan sains sekitarnya sehingga, pertama-tama, perlu dibicarakan. Definisi pertama akan mengharuskan pembaca untuk memiliki kesiapan, setidaknya dalam perbedaan. Jadi, kapasitas panas suatu benda didefinisikan dalam fisika sebagai rasio peningkatan jumlah panas yang sangat kecil dengan jumlah suhu yang sangat kecil yang sesuai.

Kuantitas panas

Dengan satu atau lain cara, hampir semua orang mengerti apa itu suhu. Ingatlah bahwa "jumlah panas" bukan hanya frasa, tetapi istilah yang menunjukkan energi yang hilang atau diperoleh tubuh dalam pertukaran dengan lingkungan. Nilai ini diukur dalam kalori. Unit ini akrab bagi semua wanita yang sedang diet. Para wanita terkasih, sekarang Anda tahu apa yang Anda bakar di treadmill dan apa yang setara dengan setiap makanan yang dimakan (atau ditinggalkan di piring). Dengan demikian, setiap benda yang suhunya berubah mengalami kenaikan atau penurunan jumlah panas. Rasio jumlah ini adalah kapasitas panas.

Aplikasi kapasitas panas

Namun, definisi ketat dari konsep fisik yang kami pertimbangkan jarang digunakan dengan sendirinya. Kami katakan di atas bahwa itu sangat sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Mereka yang tidak menyukai fisika di sekolah mungkin bingung sekarang. Dan kami akan mengangkat tabir kerahasiaan dan memberi tahu Anda bahwa air panas (dan bahkan dingin) di keran dan di pipa pemanas hanya muncul berkat perhitungan kapasitas panas.

Kondisi cuaca, yang menentukan apakah mungkin untuk membuka musim renang atau apakah layak tinggal di pantai untuk saat ini, juga memperhitungkan nilai ini. Setiap peralatan yang terkait dengan pemanasan atau pendinginan (pendingin oli, lemari es), semua biaya energi untuk persiapan makanan (misalnya, di kafe) atau es krim lembut jalanan dipengaruhi oleh perhitungan ini. Seperti yang dapat Anda pahami, kita berbicara tentang kuantitas seperti kapasitas panas air. Adalah bodoh untuk berasumsi bahwa penjual dan konsumen biasa melakukan ini, tetapi insinyur, perancang, produsen memperhitungkan semuanya dan menginvestasikan parameter yang sesuai dalam peralatan rumah tangga. Namun, perhitungan kapasitas panas digunakan jauh lebih luas: dalam turbin hidrolik dan produksi semen, dalam pengujian paduan untuk pesawat terbang atau kereta api, dalam konstruksi, peleburan, dan pendinginan. Bahkan eksplorasi ruang angkasa didasarkan pada formula yang mengandung nilai ini.

Jenis kapasitas panas

Jadi, dalam semua aplikasi praktis, kapasitas panas relatif atau spesifik digunakan. Ini didefinisikan sebagai jumlah panas (tidak ada yang sangat kecil, ingatlah) yang diperlukan untuk menaikkan jumlah satuan materi sebesar satu derajat. Derajat pada skala Kelvin dan Celsius bertepatan, tetapi dalam fisika biasanya menyebut nilai ini dalam satuan pertama. Tergantung pada bagaimana satuan kuantitas zat dinyatakan, ada massa, volume dan kapasitas panas jenis molar. Ingatlah bahwa satu mol adalah suatu jumlah zat yang mengandung kira-kira enam kali sepuluh sampai tingkat dua puluh tiga molekul. Tergantung pada tugasnya, kapasitas panas yang sesuai digunakan, penunjukannya dalam fisika berbeda. Kapasitas panas massa dilambangkan sebagai C dan dinyatakan dalam J / kg * K, volume - C` (J / m 3 * K), molar - C (J / mol * K).

gas ideal

Jika masalah gas ideal sedang dipecahkan, maka ekspresinya berbeda. Ingatlah bahwa dalam zat ini yang tidak ada dalam kenyataan, atom (atau molekul) tidak berinteraksi satu sama lain. Kualitas ini secara radikal mengubah sifat-sifat gas ideal. Oleh karena itu, pendekatan tradisional untuk perhitungan tidak akan memberikan hasil yang diinginkan. Gas ideal diperlukan sebagai model untuk menggambarkan elektron dalam logam, misalnya. Kapasitas panasnya didefinisikan sebagai jumlah derajat kebebasan partikel penyusunnya.

Keadaan agregasi

Tampaknya untuk suatu zat, semua karakteristik fisik adalah sama dalam semua kondisi. Tapi tidak. Setelah transisi ke keadaan agregasi lain (selama pencairan dan pembekuan es, selama penguapan atau pemadatan aluminium cair), nilai ini berubah secara tiba-tiba. Dengan demikian, kapasitas panas air dan uap air berbeda. Seperti yang akan kita lihat di bawah, secara signifikan. Perbedaan ini sangat mempengaruhi penggunaan baik konstituen cair maupun gas dari zat ini.

Kapasitas pemanasan dan panas

Seperti yang telah pembaca perhatikan, paling sering di dunia nyata kapasitas panas air muncul. Itu adalah sumber kehidupan, tanpanya keberadaan kita tidak mungkin. Dia membutuhkan seseorang. Oleh karena itu, dari zaman dahulu hingga sekarang, tugas menyalurkan air ke rumah-rumah dan industri atau ladang selalu menjadi tantangan. Baik untuk negara-negara yang memiliki suhu positif sepanjang tahun. Bangsa Romawi kuno membangun saluran air untuk memasok kota mereka dengan sumber daya yang berharga ini. Tetapi di mana ada musim dingin, metode ini tidak akan berhasil. Es, seperti yang Anda tahu, memiliki volume spesifik yang lebih besar daripada air. Ini berarti bahwa, membeku dalam pipa, itu menghancurkannya karena ekspansi. Jadi, tantangan bagi insinyur pemanas sentral dan pengiriman air panas dan dingin ke rumah adalah bagaimana menghindarinya.

Kapasitas panas air, dengan mempertimbangkan panjang pipa, akan memberikan suhu yang diperlukan untuk memanaskan boiler. Namun, musim dingin kami sangat dingin. Dan pada seratus derajat Celcius, perebusan sudah terjadi. Dalam situasi ini, kapasitas panas spesifik uap air datang untuk menyelamatkan. Seperti disebutkan di atas, status agregasi mengubah nilai ini. Nah, di ketel yang membawa panas ke rumah kita, ada uap yang sangat panas. Karena fakta bahwa ia memiliki suhu tinggi, ia menciptakan tekanan yang luar biasa, sehingga boiler dan pipa yang menuju ke sana harus sangat kuat. Dalam hal ini, bahkan lubang kecil, kebocoran yang sangat kecil dapat menyebabkan ledakan. Kapasitas panas air tergantung pada suhu, dan non-linier. Artinya, untuk memanaskannya dari dua puluh hingga tiga puluh derajat, jumlah energi yang berbeda akan dibutuhkan daripada, katakanlah, dari seratus lima puluh hingga seratus enam puluh.

Dengan tindakan apa pun yang memengaruhi pemanasan air, ini harus diperhitungkan, terutama jika menyangkut volume besar. Kapasitas panas uap, seperti banyak sifat-sifatnya, bergantung pada tekanan. Pada suhu yang sama dengan keadaan cair, keadaan gas memiliki kapasitas panas hampir empat kali lebih sedikit.

Di atas, kami telah memberikan banyak contoh mengapa air perlu dipanaskan dan bagaimana perlu memperhitungkan nilai kapasitas panas. Namun, kami belum memberi tahu bahwa, di antara semua sumber daya yang tersedia di planet ini, cairan ini memiliki tingkat konsumsi energi yang cukup tinggi untuk pemanasan. Properti ini sering digunakan untuk pendinginan.

Karena kapasitas panas air tinggi, itu akan secara efisien dan cepat mengambil kelebihan energi. Ini digunakan dalam industri, dalam peralatan berteknologi tinggi (misalnya, dalam laser). Dan di rumah, kita mungkin tahu bahwa cara paling efektif untuk mendinginkan telur rebus atau wajan panas adalah dengan membilasnya di bawah air keran dingin.

Dan prinsip pengoperasian reaktor nuklir atom umumnya didasarkan pada kapasitas panas air yang tinggi. Zona panas, seperti namanya, memiliki suhu yang sangat tinggi. Dengan memanaskan dirinya sendiri, air dengan demikian mendinginkan sistem, mencegah reaksi menjadi tidak terkendali. Dengan demikian, kami menerima listrik yang diperlukan (uap panas memutar turbin), dan tidak ada bencana.