Neste pequeno material, vamos considerar brevemente uma das propriedades mais importantes da água para o nosso planeta, sua Capacidade de calor.

Capacidade calorífica específica da água

Vamos fazer uma breve interpretação deste termo:

Capacidade de calor substância é a sua capacidade de acumular calor em si mesma. Este valor é medido pela quantidade de calor absorvida por ele, quando aquecido em 1°C. Por exemplo, a capacidade calorífica da água é de 1 cal / g, ou 4,2 J / g, e o solo - a 14,5-15,5 ° C (dependendo do tipo de solo) varia de 0,5 a 0,6 cal (2,1-2,5 J ) por unidade de volume e de 0,2 a 0,5 cal (ou 0,8-2,1 J) por unidade de massa (gramas).

A capacidade calorífica da água tem um impacto significativo em muitos aspectos da nossa vida, mas neste material vamos focar no seu papel na formação do regime de temperatura do nosso planeta, nomeadamente ...

Capacidade calorífica da água e o clima da Terra

Capacidade de calorágua em seu valor absoluto é bastante grande. A partir da definição acima, vemos que excede significativamente a capacidade calorífica do solo do nosso planeta. Devido a essa diferença nas capacidades de calor, o solo, em comparação com as águas do oceano mundial, aquece muito mais rápido e, consequentemente, esfria mais rápido. Graças a um oceano mundial mais inerte, as flutuações nas temperaturas diárias e sazonais da Terra não são tão grandes quanto seriam na ausência de oceanos e mares. Ou seja, na estação fria, a água aquece a Terra e, na estação quente, esfria. Naturalmente, essa influência é mais perceptível nas áreas costeiras, mas, em média global, afeta todo o planeta.

Naturalmente, muitos fatores influenciam as flutuações nas temperaturas diárias e sazonais, mas a água é um dos mais importantes.

Um aumento na amplitude das flutuações nas temperaturas diárias e sazonais mudaria radicalmente o mundo ao nosso redor.

Por exemplo, um fato bem conhecido é que uma pedra perde sua força e se torna quebradiça durante fortes flutuações de temperatura. Obviamente, nós mesmos seríamos “um pouco” diferentes. Pelo menos os parâmetros físicos do nosso corpo seriam exatamente diferentes.

Propriedades anômalas de capacidade calorífica da água

A capacidade calorífica da água tem propriedades anômalas. Acontece que, com o aumento da temperatura da água, sua capacidade calorífica diminui, essa dinâmica persiste até 37 ° C, com um aumento adicional da temperatura, a capacidade calorífica começa a aumentar.

Este fato contém uma declaração interessante. Relativamente falando, a própria natureza, representada pela Água, determinou 37°C como a temperatura mais confortável para o corpo humano, desde, é claro, que todos os outros fatores sejam observados. Com qualquer dinâmica de mudança na temperatura ambiente, a temperatura da água tende a 37°C.

A água é uma das substâncias mais incríveis. Apesar de sua ampla distribuição e uso generalizado, é um verdadeiro mistério da natureza. Sendo um dos compostos de oxigênio, parece que a água deve ter características muito baixas, como congelamento, calor de vaporização, etc. Mas isso não acontece. A capacidade calorífica da água sozinha, apesar de tudo, é extremamente alta.

A água é capaz de absorver uma enorme quantidade de calor, enquanto praticamente não aquece - essa é sua característica física. a água é cerca de cinco vezes maior que a capacidade calorífica da areia e dez vezes maior que o ferro. Portanto, a água é um refrigerante natural. Sua capacidade de acumular uma grande quantidade de energia permite suavizar as flutuações de temperatura na superfície da Terra e regular o regime térmico em todo o planeta, e isso acontece independentemente da época do ano.

Esta propriedade única da água permite a sua utilização como refrigerante na indústria e em casa. Além disso, a água é uma matéria-prima amplamente disponível e relativamente barata.

O que se entende por capacidade calorífica? Como é conhecido do curso da termodinâmica, a transferência de calor sempre ocorre de um corpo quente para um frio. Neste caso, estamos falando da transição de uma certa quantidade de calor, e a temperatura de ambos os corpos, sendo uma característica de seu estado, mostra a direção dessa troca. No processo de um corpo metálico com água de massa igual nas mesmas temperaturas iniciais, o metal muda sua temperatura várias vezes mais que a água.

Se tomarmos como postulado a principal afirmação da termodinâmica - de dois corpos (isolados dos outros), durante a troca de calor, um emite e o outro recebe uma quantidade igual de calor, fica claro que metal e água têm calor completamente diferente capacidades.

Assim, a capacidade calorífica da água (assim como de qualquer substância) é um indicador que caracteriza a capacidade de uma determinada substância de dar (ou receber) algum durante o resfriamento (aquecimento) por unidade de temperatura.

A capacidade calorífica específica de uma substância é a quantidade de calor necessária para aquecer uma unidade dessa substância (1 quilograma) em 1 grau.

A quantidade de calor liberada ou absorvida por um corpo é igual ao produto da capacidade de calor específico, massa e diferença de temperatura. É medido em calorias. Uma caloria é exatamente a quantidade de calor que é suficiente para aquecer 1 g de água em 1 grau. Para comparação: o calor específico do ar é 0,24 cal/g ∙°C, o alumínio é 0,22, o ferro é 0,11 e o mercúrio é 0,03.

A capacidade calorífica da água não é constante. Com um aumento na temperatura de 0 a 40 graus, ela diminui ligeiramente (de 1,0074 a 0,9980), enquanto para todas as outras substâncias essa característica aumenta durante o aquecimento. Além disso, pode diminuir com o aumento da pressão (em profundidade).

Como você sabe, a água tem três estados de agregação - líquido, sólido (gelo) e gasoso (vapor). Ao mesmo tempo, a capacidade calorífica específica do gelo é aproximadamente 2 vezes menor que a da água. Esta é a principal diferença entre a água e outras substâncias, cuja capacidade de calor específico no estado sólido e fundido não muda. Qual é o segredo aqui?

O fato é que o gelo tem uma estrutura cristalina, que não colapsa imediatamente quando aquecido. A água contém pequenas partículas de gelo, que consistem em várias moléculas e são chamadas de associados. Quando a água é aquecida, uma parte é gasta na destruição das ligações de hidrogênio nessas formações. Isso explica a capacidade excepcionalmente alta de calor da água. As ligações entre suas moléculas são completamente destruídas apenas quando a água passa para o vapor.

A capacidade calorífica específica a uma temperatura de 100°C quase não difere da do gelo a 0°C, o que mais uma vez confirma a exatidão dessa explicação. A capacidade calorífica do vapor, como a capacidade calorífica do gelo, é agora muito melhor compreendida do que a da água, sobre a qual os cientistas ainda não chegaram a um consenso.

Entalpiaé uma propriedade da matéria que indica a quantidade de energia que pode ser convertida em calor.

Entalpiaé uma propriedade termodinâmica de uma substância que indica nível de energia armazenado em sua estrutura molecular. Isso significa que, embora a matéria possa ter energia com base em , nem toda ela pode ser convertida em calor. Parte da energia interna sempre permanece na matéria e mantém sua estrutura molecular. Parte da substância fica inacessível quando sua temperatura se aproxima da temperatura ambiente. Consequentemente, entalpiaé a quantidade de energia que está disponível para conversão em calor a uma dada temperatura e pressão. Unidades de entalpia- Unidade térmica britânica ou joule para energia e Btu/lbm ou J/kg para energia específica.

Quantidade de entalpia

Quantidade entalpias da matéria com base na temperatura dada. Dada a temperaturaé o valor escolhido por cientistas e engenheiros como base para cálculos. Esta é a temperatura na qual a entalpia de uma substância é zero J. Em outras palavras, a substância não tem energia disponível que possa ser convertida em calor. Esta temperatura é diferente para diferentes substâncias. Por exemplo, esta temperatura da água é o ponto triplo (0°C), nitrogênio é -150°C e refrigerantes baseados em metano e etano são -40°C.

Se a temperatura de uma substância está acima de sua temperatura dada, ou muda de estado para gasoso a uma dada temperatura, a entalpia é expressa como um número positivo. Por outro lado, a uma temperatura abaixo de uma determinada entalpia de uma substância é expressa como um número negativo. A entalpia é usada em cálculos para determinar a diferença nos níveis de energia entre dois estados. Isso é necessário para configurar o equipamento e determinar o efeito benéfico do processo.

entalpia muitas vezes definido como a energia total da matéria, uma vez que é igual à soma de sua energia interna (u) em um determinado estado, juntamente com sua capacidade de realizar trabalho (pv). Mas, na realidade, a entalpia não indica a energia total de uma substância a uma dada temperatura acima do zero absoluto (-273°C). Assim, em vez de definir entalpia como o calor total de uma substância, defina-o mais precisamente como a quantidade total de energia disponível de uma substância que pode ser convertida em calor.
H=U+pV

A tabela mostra as propriedades termofísicas do vapor de água na linha de saturação dependendo da temperatura. As propriedades do vapor são dadas na tabela na faixa de temperatura de 0,01 a 370°C.

Cada temperatura corresponde à pressão na qual o vapor de água está em estado de saturação. Por exemplo, a uma temperatura de vapor de água de 200°C, sua pressão será de 1,555 MPa, ou cerca de 15,3 atm.

A capacidade de calor específico do vapor, condutividade térmica e seu aumento com o aumento da temperatura. A densidade do vapor de água também aumenta. O vapor de água torna-se quente, pesado e viscoso, com alta capacidade de calor específico, o que tem um efeito positivo na escolha do vapor como transportador de calor em alguns tipos de trocadores de calor.

Por exemplo, de acordo com a tabela, o calor específico do vapor de água Cp a uma temperatura de 20°C é igual a 1877 J/(kg graus), e quando aquecido a 370°C, a capacidade calorífica do vapor aumenta para um valor de 56520 J/(kg graus).

A tabela fornece as seguintes propriedades termofísicas do vapor de água na linha de saturação:

• pressão de vapor a uma temperatura especificada página 10 -5, Pa;
• densidade do vapor ρ″ , kg/m3;
• entalpia específica (massa) h″, kJ/kg;
• r, kJ/kg;
• capacidade calorífica específica do vapor Cp, kJ/(kg graus);
• coeficiente de condutividade térmica λ 10 2, W/(m graus);
• difusividade térmica um 10 6, m2/s;
• viscosidade dinamica µ 10 6, Pas;
• viscosidade cinemática v 10 6, m2/s;
• Número de Prandtl Pr.

O calor específico de vaporização, entalpia, difusividade térmica e viscosidade cinemática do vapor de água diminuem com o aumento da temperatura. A viscosidade dinâmica e o número Prandtl do vapor aumentam neste caso.

Tome cuidado! A condutividade térmica na tabela é dada à potência de 10 2 . Não se esqueça de dividir por 100! Por exemplo, a condutividade térmica do vapor a uma temperatura de 100°C é 0,02372 W/(m graus).

Condutividade térmica do vapor de água em várias temperaturas e pressões

A tabela mostra os valores de condutividade térmica da água e do vapor em temperaturas de 0 a 700°C e pressão de 0,1 a 500 atm. A unidade de condutividade térmica é W/(m graus).

A linha abaixo dos valores da tabela significa a transição de fase da água para o vapor, ou seja, os números abaixo da linha referem-se ao vapor, e acima dela, à água. De acordo com a tabela, pode-se observar que o valor do coeficiente e do vapor d'água aumenta com o aumento da pressão.

Nota: a condutividade térmica na tabela é dada à potência de 10 3 . Não se esqueça de dividir por 1000!

Condutividade térmica do vapor de água em altas temperaturas

A tabela mostra os valores de condutividade térmica do vapor de água dissociado em W/(m graus) em temperaturas de 1400 a 6000 K e pressões de 0,1 a 100 atm.

De acordo com a tabela, a condutividade térmica do vapor de água em altas temperaturas aumenta notavelmente na faixa de 3000 ... 5000 K. Em altas pressões, o coeficiente de condutividade térmica máximo é alcançado em temperaturas mais altas.

Tome cuidado! A condutividade térmica na tabela é dada à potência de 10 3 . Não se esqueça de dividir por 1000!

Hoje vamos falar sobre o que é capacidade calorífica (incluindo água), que tipos ela é e onde esse termo físico é usado. Também mostraremos como esse valor é útil para água e vapor, por que você precisa conhecê-lo e como isso afeta nosso dia a dia.

O conceito de capacidade de calor

Essa quantidade física é tão frequentemente usada no mundo e na ciência circundantes que, antes de tudo, é necessário falar sobre isso. A primeira definição exigirá que o leitor tenha alguma preparação, pelo menos nos diferenciais. Assim, a capacidade calorífica de um corpo é definida na física como a razão de incrementos de uma quantidade infinitesimal de calor para a quantidade infinitesimal correspondente de temperatura.

Quantidade de calor

De uma forma ou de outra, quase todo mundo entende o que é temperatura. Lembre-se que a “quantidade de calor” não é apenas uma frase, mas um termo que denota a energia que o corpo perde ou ganha em troca com o meio ambiente. Este valor é medido em calorias. Esta unidade é familiar para todas as mulheres que estão em dietas. Queridas senhoras, agora vocês sabem o que estão queimando na esteira e a que cada pedaço de comida ingerido (ou deixado em um prato) é igual. Assim, qualquer corpo cuja temperatura muda experimenta um aumento ou diminuição na quantidade de calor. A razão dessas quantidades é a capacidade calorífica.

Aplicação de capacidade de calor

No entanto, uma definição rigorosa do conceito físico que estamos considerando raramente é usada por si só. Dissemos acima que é muito usado na vida cotidiana. Aqueles que não gostavam de física na escola provavelmente estão perplexos agora. E vamos levantar o véu do segredo e dizer-lhe que a água quente (e mesmo fria) na torneira e nos tubos de aquecimento só aparece graças aos cálculos da capacidade calorífica.

As condições climáticas, que determinam se já é possível abrir a temporada de natação ou se vale a pena ficar na orla por enquanto, também levam em consideração esse valor. Qualquer aparelho associado ao aquecimento ou resfriamento (resfriador de óleo, geladeira), todos os custos de energia para preparação de alimentos (por exemplo, em um café) ou sorvete de rua são afetados por esses cálculos. Como você pode entender, estamos falando de uma quantidade como a capacidade calorífica da água. Seria tolice supor que vendedores e consumidores comuns fazem isso, mas engenheiros, designers, fabricantes levaram tudo em consideração e investiram os parâmetros apropriados em eletrodomésticos. No entanto, os cálculos de capacidade de calor são usados ​​muito mais amplamente: em turbinas hidráulicas e na produção de cimentos, em testes de ligas para aeronaves ou trens ferroviários, na construção, fundição e resfriamento. Até a exploração espacial é baseada em fórmulas que contêm esse valor.

Tipos de capacidade de calor

Assim, em todas as aplicações práticas, a capacidade de calor relativa ou específica é usada. É definido como a quantidade de calor (sem infinitesimais, lembre-se) necessária para aumentar uma quantidade unitária de matéria em um grau. Os graus nas escalas Kelvin e Celsius coincidem, mas na física é costume chamar esse valor nas primeiras unidades. Dependendo de como a unidade de quantidade de uma substância é expressa, existem capacidades de calor específico de massa, volume e molar. Lembre-se de que um mol é uma quantidade de uma substância que contém aproximadamente seis vezes dez ao vigésimo terceiro grau de moléculas. Dependendo da tarefa, a capacidade de calor correspondente é usada, sua designação na física é diferente. A capacidade calorífica de massa é denotada como C e é expressa em J / kg * K, volume - C` (J / m 3 * K), molar - C μ (J / mol * K).

Gás ideal

Se o problema de um gás ideal está sendo resolvido, então a expressão para ele é diferente. Lembre-se que nesta substância que não existe na realidade, os átomos (ou moléculas) não interagem entre si. Esta qualidade altera radicalmente quaisquer propriedades de um gás ideal. Portanto, as abordagens tradicionais de cálculos não darão o resultado desejado. Um gás ideal é necessário como modelo para descrever elétrons em um metal, por exemplo. Sua capacidade calorífica é definida como o número de graus de liberdade das partículas que a compõem.

Estado de agregação

Parece que para uma substância, todas as características físicas são as mesmas em todas as condições. Mas isso não. Na transição para outro estado de agregação (durante a fusão e congelamento do gelo, durante a evaporação ou solidificação do alumínio fundido), este valor muda abruptamente. Assim, a capacidade calorífica da água e do vapor de água são diferentes. Como veremos a seguir, significativamente. Essa diferença afeta muito o uso de constituintes líquidos e gasosos dessa substância.

Capacidade de aquecimento e calor

Como o leitor já notou, na maioria das vezes no mundo real aparece a capacidade calorífica da água. É a fonte da vida, sem ela nossa existência é impossível. Ela precisa de uma pessoa. Portanto, desde a antiguidade até os dias atuais, a tarefa de levar água para residências e indústrias ou campos sempre foi um desafio. Bom para aqueles países que têm uma temperatura positiva durante todo o ano. Os antigos romanos construíram aquedutos para abastecer suas cidades com esse valioso recurso. Mas onde há inverno, esse método não funcionaria. O gelo, como você sabe, tem um volume específico maior que a água. Isso significa que, congelando nos tubos, os destrói devido à expansão. Assim, o desafio para os engenheiros de aquecimento central e a entrega de água quente e fria às residências é como evitar isso.

A capacidade calorífica da água, levando em consideração o comprimento dos tubos, fornecerá a temperatura necessária à qual as caldeiras devem ser aquecidas. No entanto, nossos invernos são muito frios. E a cem graus Celsius, a ebulição já está ocorrendo. Nesta situação, a capacidade calorífica específica do vapor de água vem em socorro. Conforme observado acima, o estado de agregação altera esse valor. Bem, nas caldeiras que trazem calor para nossas casas, há vapor fortemente superaquecido. Devido ao fato de ter uma temperatura alta, cria uma pressão incrível, então as caldeiras e os tubos que levam a elas devem ser muito fortes. Nesse caso, mesmo um pequeno furo, um vazamento muito pequeno pode levar a uma explosão. A capacidade calorífica da água depende da temperatura e não linearmente. Ou seja, para aquecê-lo de vinte a trinta graus, será necessária uma quantidade diferente de energia do que, digamos, de cento e cinquenta a cento e sessenta.

Com qualquer ação que afete o aquecimento da água, isso deve ser levado em consideração, principalmente quando se trata de grandes volumes. A capacidade calorífica do vapor, como muitas de suas propriedades, depende da pressão. Na mesma temperatura que o estado líquido, o estado gasoso tem quase quatro vezes menos capacidade calorífica.

Acima, demos muitos exemplos de por que é necessário aquecer a água e como é necessário levar em consideração o valor da capacidade calorífica. No entanto, ainda não contamos que, entre todos os recursos disponíveis do planeta, esse líquido tem um índice bastante alto de consumo de energia para aquecimento. Esta propriedade é frequentemente usada para resfriamento.

Como a capacidade de calor da água é alta, ela removerá o excesso de energia de forma eficiente e rápida. Isso é usado em indústrias, em equipamentos de alta tecnologia (por exemplo, em lasers). E em casa, provavelmente sabemos que a maneira mais eficaz de resfriar ovos cozidos ou uma panela quente é enxaguar com água fria da torneira.

E o princípio de funcionamento dos reatores nucleares atômicos é geralmente baseado na alta capacidade calorífica da água. A zona quente, como o nome indica, tem uma temperatura incrivelmente alta. Ao se aquecer, a água resfria o sistema, evitando que a reação fique fora de controle. Assim, recebemos a eletricidade necessária (o vapor aquecido gira as turbinas), e não há catástrofe.