Capacitatea de căldură este capacitatea de a absorbi o anumită cantitate de căldură în timpul încălzirii sau de a o degaja atunci când este răcită. Capacitatea termică a unui corp este raportul dintre o cantitate infinitezimală de căldură pe care o primește un corp și creșterea corespunzătoare a indicatorilor săi de temperatură. Valoarea este măsurată în J/K. În practică, se utilizează o valoare ușor diferită - capacitatea termică specifică.

Definiție

Ce înseamnă capacitatea termică specifică? Aceasta este o cantitate legată de o singură cantitate de substanță. În consecință, cantitatea unei substanțe poate fi măsurată în metri cubi, kilograme sau chiar în moli. De ce depinde? În fizică, capacitatea termică depinde direct de unitatea cantitativă la care se referă, ceea ce înseamnă că se disting între capacitatea termică molară, de masă și volumetrică. În industria construcțiilor, nu vă veți întâlni cu măsurători molare, ci cu alții - tot timpul.

Ce afectează capacitatea termică specifică?

Știți ce este capacitatea de căldură, dar ce valori afectează indicatorul nu este încă clar. Valoarea căldurii specifice este direct afectată de mai multe componente: temperatura substanței, presiunea și alte caracteristici termodinamice.

Pe măsură ce temperatura produsului crește, capacitatea sa de căldură specifică crește, totuși, anumite substanțe diferă într-o curbă complet neliniară în această dependență. De exemplu, cu o creștere a indicatorilor de temperatură de la zero la treizeci și șapte de grade, capacitatea termică specifică a apei începe să scadă, iar dacă limita este între treizeci și șapte și o sută de grade, atunci indicatorul, dimpotrivă, va crește.

Este demn de remarcat faptul că parametrul depinde și de modul în care caracteristicile termodinamice ale produsului (presiunea, volumul și așa mai departe) pot fi modificate. De exemplu, căldura specifică la o presiune stabilă și la un volum stabil va fi diferită.

Cum se calculează parametrul?

Te interesează care este capacitatea termică? Formula de calcul este următoarea: C \u003d Q / (m ΔT). Care sunt aceste valori? Q este cantitatea de căldură pe care o primește produsul atunci când este încălzit (sau eliberată de produs în timpul răcirii). m este masa produsului, iar ΔT este diferența dintre temperaturile finale și inițiale ale produsului. Mai jos este un tabel cu capacitatea termică a unor materiale.

Ce se poate spune despre calculul capacității termice?

Calcularea capacității termice nu este o sarcină ușoară, mai ales dacă se folosesc doar metode termodinamice, este imposibil să o faceți mai precis. Prin urmare, fizicienii folosesc metodele fizicii statistice sau cunoașterea microstructurii produselor. Cum se calculează pentru gaz? Capacitatea termică a unui gaz se calculează din calculul energiei medii a mișcării termice a moleculelor individuale dintr-o substanță. Mișcările moleculelor pot fi de tip translațional și rotațional, iar în interiorul unei molecule poate exista un întreg atom sau vibrație de atomi. Statistica clasică spune că pentru fiecare grad de libertate al mișcărilor de rotație și translație, există o valoare molară, care este egală cu R / 2, iar pentru fiecare grad de libertate de vibrație, valoarea este egală cu R. Această regulă se mai numește și legea echipartitiei.

În acest caz, o particulă dintr-un gaz monoatomic diferă doar cu trei grade de libertate de translație și, prin urmare, capacitatea sa de căldură ar trebui să fie egală cu 3R/2, ceea ce este în acord excelent cu experimentul. Fiecare moleculă de gaz biatomic are trei grade de translație, două de rotație și unul de vibrație, ceea ce înseamnă că legea echipartiției va fi 7R/2, iar experiența a arătat că capacitatea termică a unui mol de gaz biatomic la temperatura obișnuită este de 5R/ 2. De ce a existat o asemenea discrepanță în teorie? Totul se datorează faptului că la stabilirea capacității termice va fi necesar să se țină cont de diverse efecte cuantice, cu alte cuvinte, să se folosească statistica cuantică. După cum puteți vedea, capacitatea termică este un concept destul de complicat.

Mecanica cuantică spune că orice sistem de particule care oscilează sau se rotește, inclusiv o moleculă de gaz, poate avea anumite valori de energie discrete. Dacă energia mișcării termice din sistemul instalat este insuficientă pentru a excita oscilații cu frecvența necesară, atunci aceste oscilații nu contribuie la capacitatea termică a sistemului.

În solide, mișcarea termică a atomilor este o oscilație slabă în jurul anumitor poziții de echilibru, aceasta se aplică nodurilor rețelei cristaline. Un atom are trei grade de libertate de vibrație și, conform legii, capacitatea de căldură molară a unui corp solid este egală cu 3nR, unde n este numărul de atomi prezenți în moleculă. În practică, această valoare este limita la care tinde capacitatea termică a corpului la temperaturi ridicate. Valoarea este atinsă cu schimbări normale de temperatură în multe elemente, acest lucru se aplică metalelor, precum și compușilor simpli. Se determină și capacitatea termică a plumbului și a altor substanțe.

Ce se poate spune despre temperaturi scăzute?

Știm deja ce este capacitatea termică, dar dacă vorbim de temperaturi scăzute, cum se va calcula atunci valoarea? Dacă vorbim de indicatori de temperatură scăzută, atunci capacitatea de căldură a unui corp solid se dovedește a fi proporțională T 3 sau așa-numita lege a lui Debye a capacității termice. Principalul criteriu pentru a distinge temperaturile ridicate de cele scăzute este compararea obișnuită a acestora cu un parametru caracteristic unei anumite substanțe - aceasta poate fi caracteristica sau temperatura Debye q D . Valoarea prezentată este stabilită de spectrul de vibrații al atomilor din produs și depinde în mod semnificativ de structura cristalină.

În metale, electronii de conducție au o anumită contribuție la capacitatea termică. Această parte a capacității termice este calculată folosind statisticile Fermi-Dirac, care ia în considerare electronii. Capacitatea termică electronică a unui metal, care este proporțională cu capacitatea termică obișnuită, este o valoare relativ mică și contribuie la capacitatea termică a metalului doar la temperaturi apropiate de zero absolut. Apoi capacitatea de căldură a rețelei devine foarte mică și poate fi neglijată.

Capacitate termică de masă

Capacitatea termică specifică de masă este cantitatea de căldură care trebuie adusă la o unitate de masă a unei substanțe pentru a încălzi produsul pe unitate de temperatură. Această valoare este notă cu litera C și se măsoară în jouli împărțit la un kilogram pe kelvin - J / (kg K). Acesta este tot ceea ce privește capacitatea termică a masei.

Ce este capacitatea termică volumetrică?

Capacitatea termică volumetrică este o anumită cantitate de căldură care trebuie adusă la o unitate de volum de producție pentru a o încălzi pe unitate de temperatură. Acest indicator este măsurat în jouli împărțit la un metru cub pe kelvin sau J / (m³ K). În multe cărți de referință pentru clădiri, este luată în considerare capacitatea de căldură specifică masei în muncă.

Aplicarea practică a capacității termice în industria construcțiilor

Multe materiale cu căldură intensivă sunt utilizate în mod activ în construcția pereților rezistenți la căldură. Acest lucru este extrem de important pentru casele care se caracterizează prin încălzire periodică. De exemplu, cuptorul. Produsele cu căldură intensă și pereții construiți din acestea acumulează perfect căldura, o stochează în timpul perioadelor de încălzire și eliberează treptat căldură după ce sistemul este oprit, permițându-vă astfel să mențineți o temperatură acceptabilă pe tot parcursul zilei.

Deci, cu cât se depozitează mai multă căldură în structură, cu atât temperatura din încăperi va fi mai confortabilă și mai stabilă.

Trebuie remarcat faptul că cărămida și betonul obișnuit utilizate în construcția de locuințe au o capacitate termică semnificativ mai mică decât polistirenul expandat. Dacă luăm ecowool, atunci consumă de trei ori mai mult căldură decât betonul. Trebuie remarcat faptul că în formula de calcul a capacității termice, nu în zadar există masă. Datorită masei mari uriașe de beton sau cărămidă, în comparație cu ecowool, permite acumularea de cantități uriașe de căldură în pereții de piatră ai structurilor și netezirea tuturor fluctuațiilor zilnice de temperatură. Doar o masă mică de izolație în toate casele cu cadru, în ciuda capacității bune de căldură, este cea mai slabă zonă pentru toate tehnologiile de cadru. Pentru a rezolva această problemă, în toate casele sunt instalate acumulatoare de căldură impresionante. Ce este? Acestea sunt părți structurale care se caracterizează printr-o masă mare cu un indice de capacitate termică destul de bun.

Exemple de acumulatori de căldură în viață

Ce ar putea fi? De exemplu, niște pereți interiori de cărămidă, o sobă mare sau șemineu, șape de beton.

Mobilierul din orice casă sau apartament este un excelent acumulator de căldură, deoarece placajul, PAL și lemnul pot stoca de fapt căldură doar pe kilogram de greutate de trei ori mai mult decât faimoasa cărămidă.

Există dezavantaje în stocarea termică? Desigur, principalul dezavantaj al acestei abordări este că acumulatorul de căldură trebuie proiectat în etapa creării unui aspect al casei cu cadru. Totul datorită faptului că este foarte greu, iar acest lucru va trebui să fie luat în considerare la crearea fundației și apoi imaginați-vă cum va fi integrat acest obiect în interior. Merită spus că este necesar să se ia în considerare nu numai masa, va fi necesar să se evalueze ambele caracteristici în lucrare: masa și capacitatea termică. De exemplu, dacă folosiți aur cu o greutate incredibilă de douăzeci de tone pe metru cub ca depozit de căldură, atunci produsul va funcționa așa cum ar trebui cu doar douăzeci și trei la sută mai bine decât un cub de beton, care cântărește două tone și jumătate.

Care substanță este cea mai potrivită pentru stocarea căldurii?

Cel mai bun produs pentru un acumulator de căldură nu este deloc betonul și cărămida! Cuprul, bronzul și fierul fac o treabă bună în acest sens, dar sunt foarte grele. Destul de ciudat, dar cel mai bun acumulator de căldură este apa! Lichidul are o capacitate termică impresionantă, cea mai mare dintre substanțele pe care le avem la dispoziție. Doar gazele de heliu (5190 J / (kg K) și hidrogenul (14300 J / (kg K)) au o capacitate termică mai mare, dar sunt problematic de aplicat în practică. Dacă doriți și aveți nevoie, consultați tabelul capacității termice a substanțelor ai nevoie.

Să introducem acum o caracteristică termodinamică foarte importantă numită capacitate termică sisteme(notat în mod tradițional prin litera Cu cu indici diferiti).

Capacitate termică - valoare aditiv, depinde de cantitatea de substanță din sistem. Prin urmare, vă prezentăm și noi căldura specifică

Căldura specifică este capacitatea termică pe unitatea de masă a unei substanțe

și capacitatea de căldură molară

Capacitate de căldură molară este capacitatea termică a unui mol dintr-o substanță

Deoarece cantitatea de căldură nu este o funcție de stare și depinde de proces, capacitatea de căldură va depinde și de modul în care căldura este furnizată sistemului. Pentru a înțelege acest lucru, să ne amintim prima lege a termodinamicii. Împărțirea egalității ( 2.4) pe increment elementar de temperatură absolută dT, obținem raportul

Al doilea termen, după cum am văzut, depinde de tipul de proces. Remarcăm că, în cazul general al unui sistem neideal, interacțiunea ale cărui particule (molecule, atomi, ioni etc.) nu poate fi neglijată (vezi, de exemplu, § 2.5 de mai jos, în care se ia în considerare gazul van der Waals) , energia internă depinde nu numai de temperatură, ci și de volumul sistemului. Acest lucru se explică prin faptul că energia de interacțiune depinde de distanța dintre particulele care interacționează. Când se modifică volumul sistemului, se modifică concentrația particulelor, respectiv se modifică distanța medie dintre ele și, ca urmare, se modifică energia de interacțiune și întreaga energie internă a sistemului. Cu alte cuvinte, în cazul general al unui sistem neideal

Prin urmare, în cazul general, primul termen nu poate fi scris ca o derivată totală, derivata totală trebuie înlocuită cu o derivată parțială cu o indicație suplimentară a valorii constante la care este calculată. De exemplu, pentru un proces izocor:

.

Sau pentru un proces izobaric

Derivata parțială inclusă în această expresie este calculată folosind ecuația de stare a sistemului, scrisă ca . De exemplu, în cazul particular al unui gaz ideal

acest derivat este

.

Vom lua în considerare două cazuri speciale corespunzătoare procesului de alimentare cu căldură:

• volum constant;
• presiune constantă în sistem.

În primul caz, munca dА = 0și obținem capacitatea de căldură CV gaz ideal la volum constant:

Ținând cont de rezerva făcută mai sus, pentru o relație sistem neideală (2.19) trebuie scrisă în următoarea formă generală

Înlocuirea în 2.7 pe , și pe , obținem imediat:

.

Pentru a calcula capacitatea termică a unui gaz ideal Cu p la presiune constantă ( dp=0) ținem cont că din ecuația ( 2.8) urmează expresia pentru lucru elementar cu o modificare infinitezimală a temperaturii

Ajungem până la urmă

Împărțind această ecuație la numărul de moli ai unei substanțe din sistem, obținem o relație similară pentru capacitățile de căldură molare la volum și presiune constante, numită Raportul lui Mayer

Pentru referință, oferim o formulă generală - pentru un sistem arbitrar - care conectează capacitățile termice izocorice și izobare:

Expresiile (2.20) și (2.21) se obțin din această formulă prin substituirea în ea a expresiei pentru energia internă a unui gaz ideal. și folosind ecuația sa de stare (vezi mai sus):

.

Capacitatea termică a unei anumite mase de materie la presiune constantă este mai mare decât capacitatea termică la volum constant, deoarece o parte din energia de intrare este cheltuită pentru a lucra și pentru aceeași încălzire este necesară mai multă căldură. Rețineți că din (2.21) urmează semnificația fizică a constantei de gaz:

Astfel, capacitatea termică se dovedește a depinde nu numai de tipul de substanță, ci și de condițiile în care are loc procesul de schimbare a temperaturii.

După cum se poate observa, capacitățile termice izocorice și izobare ale unui gaz ideal nu depind de temperatura gazului; pentru substanțele reale, aceste capacități termice depind, în general, și de temperatură în sine. T.

Capacitatile termice izocorice si izobare ale unui gaz ideal pot fi obtinute si direct din definitia generala, folosind formulele obtinute mai sus ( 2.7) și (2.10 ) pentru cantitatea de căldură obținută de un gaz ideal în aceste procese.

Pentru un proces izocor, expresia for CV decurge din ( 2.7):

Pentru un proces izobaric, expresia for C p rezultă din (2.10):

Pentru capacitati termice molare deci se obţin următoarele expresii

Raportul capacităților termice este egal cu indicele adiabatic:

La nivel termodinamic, este imposibil de prezis valoarea numerică g; am reușit să facem acest lucru doar luând în considerare proprietățile microscopice ale sistemului (vezi expresia (1.19 ), precum și ( 1.28) pentru un amestec de gaze). Din formulele (1.19) și (2.24), urmează predicții teoretice pentru capacitățile de căldură molare ale gazelor și exponentul adiabatic.

Gaze monoatomice (i = 3):

Gaze diatomice (i = 5):

Gaze poliatomice (i = 6):

Datele experimentale pentru diferite substanțe sunt prezentate în Tabelul 1.

tabelul 1

Substanţă			g

Se poate observa că modelul simplu al gazelor ideale descrie în general destul de bine proprietățile gazelor reale. Rețineți că acordul a fost obținut fără a lua în considerare gradele de libertate vibraționale ale moleculelor de gaz.

Am dat, de asemenea, valorile capacității molare de căldură a unor metale la temperatura camerei. Dacă ne imaginăm rețeaua cristalină a unui metal ca un set ordonat de bile solide legate prin arcuri de bile învecinate, atunci fiecare particulă poate oscila doar în trei direcții ( Numar = 3), iar fiecare astfel de grad de libertate este asociat cu o cinetică k V T/2și aceeași energie potențială. Prin urmare, o particulă de cristal are o energie internă (oscilativă). k V T.Înmulțind cu numărul Avogadro, obținem energia internă a unui mol

de unde provine valoarea capacităţii termice molare

(Datorită coeficientului mic de dilatare termică a solidelor, acestea nu se disting cu pși CV). Relația de mai sus pentru capacitatea de căldură molară a solidelor se numește legea lui Dulong și Petit, iar tabelul arată o potrivire bună a valorii calculate

cu experiment.

Vorbind despre acordul bun dintre rapoartele de mai sus și datele experimentale, trebuie remarcat faptul că se observă doar într-un anumit interval de temperatură. Cu alte cuvinte, capacitatea termică a sistemului depinde de temperatură, iar formulele (2.24) au un domeniu limitat. Luați în considerare mai întâi Fig. 2.10, care arată dependența experimentală a capacității termice cu televizor hidrogen gazos de la temperatura absolută T.

Orez. 2.10. Capacitatea termică molară a hidrogenului gazos Н2 la volum constant în funcție de temperatură (date experimentale)

Mai jos, pentru concizie, vorbim despre absența anumitor grade de libertate în molecule în anumite intervale de temperatură. Încă o dată, ne amintim că vorbim de fapt despre următoarele. Din motive cuantice, contribuția relativă la energia internă a gazului a tipurilor individuale de mișcare depinde într-adevăr de temperatură și în anumite intervale de temperatură poate fi atât de mică încât în ​​experiment - efectuat întotdeauna cu precizie finită - nu este observabilă. Rezultatul experimentului arată ca și cum aceste tipuri de mișcare nu există și nu există grade de libertate corespunzătoare. Numărul și natura gradelor de libertate sunt determinate de structura moleculei și de tridimensionalitatea spațiului nostru - nu pot depinde de temperatură.

Contribuția la energia internă depinde de temperatură și poate fi mică.

La temperaturi sub 100 K capacitate termică

ceea ce indică absența gradelor de libertate atât de rotație cât și de vibrație în moleculă. În plus, odată cu creșterea temperaturii, capacitatea termică crește rapid până la valoarea clasică

caracteristica unei molecule diatomice cu o legătură rigidă, în care nu există grade de libertate vibraționale. La temperaturi peste 2000 K capacitatea termică descoperă un nou salt la valoare

Acest rezultat indică, de asemenea, apariția unor grade de libertate vibraționale. Dar toate acestea par încă inexplicabile. De ce nu se poate roti o moleculă la temperaturi scăzute? Și de ce vibrațiile într-o moleculă apar doar la temperaturi foarte ridicate? În capitolul anterior a fost făcută o scurtă discuție calitativă a motivelor cuantice ale acestui comportament. Și acum nu putem decât să repetăm ​​că totul se reduce la fenomene specific cuantice care nu pot fi explicate din punctul de vedere al fizicii clasice. Aceste fenomene sunt discutate în detaliu în secțiunile ulterioare ale cursului.

Informații suplimentare

http://www.plib.ru/library/book/14222.html - Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Manual de fizică, știință, 1977 - p. 236 - tabel cu temperaturile caracteristice de „pornire” ale gradelor de libertate vibraționale și rotaționale ale moleculelor pentru unele gaze specifice;

Să trecem acum la fig. 2.11, reprezentând dependența capacităților de căldură molare a trei elemente chimice (cristale) de temperatură. La temperaturi ridicate, toate cele trei curbe tind la aceeași valoare

corespunzătoare legii Dulong şi Petit. Plumbul (Pb) și fierul (Fe) au practic această capacitate de căldură limită deja la temperatura camerei.

Orez. 2.11. Dependența capacității de căldură molară pentru trei elemente chimice - cristale de plumb, fier și carbon (diamant) - de temperatură

Pentru diamant (C), această temperatură nu este încă suficient de ridicată. Și la temperaturi scăzute, toate cele trei curbe arată o abatere semnificativă de la legea Dulong și Petit. Aceasta este o altă manifestare a proprietăților cuantice ale materiei. Fizica clasică se dovedește a fi neputincioasă să explice multe regularități observate la temperaturi scăzute.

Informații suplimentare

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm - J. de Boer Introducere în fizica moleculară și termodinamică, Ed. IL, 1962 - p. 106–107, partea I, § 12 - contribuția electronilor la capacitatea termică a metalelor la temperaturi apropiate de zero absolut;

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Stii fizica? Biblioteca „Quantum”, numărul 82, Știință, 1992. Pagină 132, întrebarea 137: care corpuri au cea mai mare capacitate termică (vezi răspunsul de la p. 151);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Stii fizica? Biblioteca „Quantum”, numărul 82, Știință, 1992. Pagină 132, întrebarea 135: despre încălzirea apei în trei stări - solid, lichid și vapori (vezi răspunsul la p. 151);

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1478.html - enciclopedie fizică. Calorimetrie. Sunt descrise metode de măsurare a capacităților termice.

Modificarea energiei interne prin efectuarea muncii este caracterizată de cantitatea de muncă, adică. munca este o măsură a schimbării energiei interne într-un proces dat. Modificarea energiei interne a unui corp în timpul transferului de căldură este caracterizată de o cantitate numită cantitate de căldură.

este modificarea energiei interne a corpului în procesul de transfer de căldură fără a face muncă. Cantitatea de căldură este indicată prin literă Q .

Munca, energia internă și cantitatea de căldură sunt măsurate în aceleași unități - jouli ( J), ca orice altă formă de energie.

În măsurătorile termice, o unitate specială de energie, caloriile ( fecale), egal cu cantitatea de căldură necesară pentru a ridica temperatura a 1 gram de apă cu 1 grad Celsius (mai precis, de la 19,5 la 20,5 ° C). Această unitate, în special, este utilizată în prezent la calcularea consumului de căldură (energie termică) în blocurile de locuințe. Din punct de vedere empiric, a fost stabilit echivalentul mecanic al căldurii - raportul dintre calorii și jouli: 1 cal = 4,2 J.

Când un corp transferă o anumită cantitate de căldură fără a lucra, energia sa internă crește, dacă un corp degajă o anumită cantitate de căldură, atunci energia sa internă scade.

Dacă turnați 100 g de apă în două vase identice și 400 g într-un altul la aceeași temperatură și le puneți pe aceleași arzătoare, atunci apa din primul vas va fierbe mai devreme. Astfel, cu cât masa corpului este mai mare, cu atât este mai mare cantitatea de căldură de care are nevoie pentru a se încălzi. Același lucru este valabil și pentru răcire.

Cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp depinde și de tipul de substanță din care este făcut acest corp. Această dependență a cantității de căldură necesară pentru încălzirea corpului de tipul de substanță este caracterizată de o cantitate fizică numită capacitate termică specifică substante.

- aceasta este o cantitate fizică egală cu cantitatea de căldură care trebuie raportată la 1 kg dintr-o substanță pentru a o încălzi cu 1 ° C (sau 1 K). Aceeași cantitate de căldură este emisă de 1 kg dintr-o substanță atunci când este răcită cu 1 °C.

Capacitatea termică specifică este indicată prin literă cu. Unitatea de măsură a capacității termice specifice este 1 J/kg °C sau 1 J/kg °K.

Valorile capacității termice specifice a substanțelor sunt determinate experimental. Lichidele au o capacitate termică specifică mai mare decât metalele; Apa are cea mai mare capacitate termică specifică, aurul are o capacitate termică specifică foarte mică.

Deoarece cantitatea de căldură este egală cu modificarea energiei interne a corpului, putem spune că capacitatea termică specifică arată cât de mult se modifică energia internă. 1 kg substanță atunci când temperatura ei se schimbă 1 °C. În special, energia internă a 1 kg de plumb, când este încălzit cu 1 °C, crește cu 140 J, iar când este răcit, scade cu 140 J.

Q necesare pentru încălzirea masei corporale m temperatura t 1 °С până la temperatură t 2 °С, este egal cu produsul capacității termice specifice a substanței, masa corporală și diferența dintre temperaturile finale și inițiale, i.e.

Q \u003d c ∙ m (t 2 - t 1)

Conform aceleiași formule, se calculează și cantitatea de căldură pe care corpul o degajă atunci când este răcit. Numai în acest caz temperatura finală trebuie scăzută din temperatura inițială, adică. Scădeți temperatura mai mică din temperatura mai mare.

Acesta este un rezumat al subiectului. „Cantitatea de căldură. Căldura specifică". Alegeți următorii pași:

• Treceți la următorul rezumat:

Apa este una dintre cele mai uimitoare substanțe. În ciuda răspândirii sale largi și a utilizării pe scară largă, este un adevărat mister al naturii. Fiind unul dintre compușii oxigenului, s-ar părea că apa ar trebui să aibă caracteristici foarte scăzute, cum ar fi înghețarea, căldura de vaporizare etc. Dar acest lucru nu se întâmplă. Numai capacitatea de căldură a apei, în ciuda tuturor, este extrem de mare.

Apa este capabilă să absoarbă o cantitate imensă de căldură, în timp ce ea însăși practic nu se încălzește - aceasta este caracteristica sa fizică. apa este de aproximativ cinci ori mai mare decât capacitatea termică a nisipului și de zece ori mai mare decât fierul. Prin urmare, apa este un lichid de răcire natural. Capacitatea sa de a acumula o cantitate mare de energie face posibilă netezirea fluctuațiilor de temperatură de pe suprafața Pământului și reglarea regimului termic pe întreaga planetă, iar acest lucru se întâmplă indiferent de perioada anului.

Această proprietate unică a apei face posibilă utilizarea acesteia ca lichid de răcire în industrie și acasă. În plus, apa este o materie primă disponibilă pe scară largă și relativ ieftină.

Ce se înțelege prin capacitate termică? După cum se știe din cursul termodinamicii, transferul de căldură are loc întotdeauna de la un corp cald la unul rece. În acest caz, vorbim despre trecerea unei anumite cantități de căldură, iar temperatura ambelor corpuri, fiind o caracteristică a stării lor, arată direcția acestui schimb. În procesul unui corp metalic cu apă de masă egală la aceleași temperaturi inițiale, metalul își schimbă temperatura de câteva ori mai mult decât apa.

Dacă luăm ca postulat principala afirmație a termodinamicii - din două corpuri (izolate de altele), în timpul schimbului de căldură, unul degajă, iar celălalt primește o cantitate egală de căldură, atunci devine clar că metalul și apa au căldură complet diferită. capacități.

Astfel, capacitatea de căldură a apei (precum și a oricărei substanțe) este un indicator care caracterizează capacitatea unei anumite substanțe de a da (sau de a primi) ceva în timpul răcirii (încălzirii) per unitate de temperatură.

Capacitatea termică specifică a unei substanțe este cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi o unitate a acestei substanțe (1 kilogram) cu 1 grad.

Cantitatea de căldură eliberată sau absorbită de un corp este egală cu produsul dintre capacitatea termică specifică, masa și diferența de temperatură. Se măsoară în calorii. O calorie este exact cantitatea de căldură care este suficientă pentru a încălzi 1 g de apă cu 1 grad. Pentru comparație: capacitatea termică specifică a aerului este de 0,24 cal/g ∙°C, aluminiul este de 0,22, fierul este de 0,11 și mercurul este de 0,03.

Capacitatea termică a apei nu este o constantă. Cu o creștere a temperaturii de la 0 la 40 de grade, aceasta scade ușor (de la 1,0074 la 0,9980), în timp ce pentru toate celelalte substanțe această caracteristică crește în timpul încălzirii. În plus, poate scădea odată cu creșterea presiunii (la adâncime).

După cum știți, apa are trei stări de agregare - lichidă, solidă (gheață) și gazoasă (abur). În același timp, capacitatea termică specifică a gheții este de aproximativ 2 ori mai mică decât cea a apei. Aceasta este principala diferență între apă și alte substanțe, a căror capacitate termică specifică în stare solidă și topită nu se modifică. Care este secretul aici?

Faptul este că gheața are o structură cristalină, care nu se prăbușește imediat când este încălzită. Apa conține particule mici de gheață, care constau din mai multe molecule și sunt numite asociate. Când apa este încălzită, o parte este cheltuită pentru distrugerea legăturilor de hidrogen din aceste formațiuni. Aceasta explică capacitatea termică neobișnuit de mare a apei. Legăturile dintre moleculele sale sunt complet distruse numai atunci când apa trece în abur.

Capacitatea termică specifică la o temperatură de 100 ° C aproape nu diferă de cea a gheții la 0 ° C. Acest lucru confirmă încă o dată corectitudinea acestei explicații. Capacitatea termică a aburului, ca și capacitatea termică a gheții, este acum mult mai bine înțeleasă decât cea a apei, asupra căreia oamenii de știință nu au ajuns încă la un consens.

Capacitatea termică specifică este o caracteristică a unei substanțe. Adică este diferit pentru diferite substanțe. În plus, aceeași substanță, dar în stări diferite de agregare, are capacități termice specifice diferite. Astfel, este corect să vorbim despre căldura specifică a unei substanțe (căldura specifică a apei, căldura specifică a aurului, căldura specifică a lemnului etc.).

Capacitatea termică specifică a unei anumite substanțe arată câtă căldură (Q) trebuie transferată acesteia pentru a încălzi 1 kilogram din această substanță cu 1 grad Celsius. Capacitatea termică specifică este notă cu litera latină c. Adică c = Q/mt. Având în vedere că t și m sunt egale cu unu (1 kg și 1 °C), atunci capacitatea termică specifică este egală numeric cu cantitatea de căldură.

Cu toate acestea, căldura și căldura specifică au unități diferite. Căldura (Q) în sistemul C este măsurată în Jouli (J). Și capacitatea termică specifică este în Jouli împărțită la un kilogram înmulțit cu un grad Celsius: J / (kg °C).

Dacă capacitatea termică specifică a unei substanțe este, de exemplu, 390 J / (kg ° C), atunci aceasta înseamnă că dacă 1 kg din această substanță este încălzit cu 1 ° C, atunci va absorbi 390 J de căldură. Sau, cu alte cuvinte, pentru a încălzi 1 kg din această substanță cu 1 °C, trebuie să i se transfere 390 J de căldură. Sau, dacă 1 kg din această substanță este răcit cu 1 ° C, atunci va degaja 390 J de căldură.

Dacă, totuși, nu 1, ci 2 kg dintr-o substanță este încălzit cu 1 ° C, atunci trebuie să i se transfere de două ori mai multă căldură. Deci, pentru exemplul de mai sus, va fi deja 780 J. Același lucru se va întâmpla dacă 1 kg dintr-o substanță este încălzit cu 2 ° C.

Capacitatea termică specifică a unei substanțe nu depinde de temperatura sa inițială. Adică, dacă, de exemplu, apa lichidă are o capacitate termică specifică de 4200 J / (kg ° C), atunci încălzirea a cel puțin douăzeci de grade sau nouăzeci de grade a apei cu 1 ° C va necesita în mod egal 4200 J de căldură per 1 kg.

Dar gheața are o capacitate termică specifică diferită de apa lichidă, de aproape două ori mai mică. Totuși, pentru a-l încălzi cu 1 °C, este necesară aceeași cantitate de căldură la 1 kg, indiferent de temperatura sa inițială.

Capacitatea termică specifică nu depinde, de asemenea, de forma corpului, care este făcut dintr-o anumită substanță. O bară de oțel și o tablă de oțel, având aceeași masă, vor necesita aceeași cantitate de căldură pentru a le încălzi cu același număr de grade. Un alt lucru este că în acest caz trebuie neglijat schimbul de căldură cu mediul. Foaia are o suprafață mai mare decât bara, ceea ce înseamnă că foaia degajă mai multă căldură și, prin urmare, se va răci mai repede. Dar în condiții ideale (când pierderea de căldură poate fi neglijată), forma corpului nu joacă un rol. Prin urmare, ei spun că căldura specifică este o caracteristică a unei substanțe, dar nu a unui corp.

Deci, capacitatea termică specifică a diferitelor substanțe este diferită. Aceasta înseamnă că, dacă sunt date diferite substanțe de aceeași masă și cu aceeași temperatură, atunci pentru a le încălzi la o temperatură diferită, trebuie să transfere o cantitate diferită de căldură. De exemplu, un kilogram de cupru va necesita de aproximativ 10 ori mai puțină căldură decât apa. Adică, capacitatea termică specifică a cuprului este de aproximativ 10 ori mai mică decât cea a apei. Putem spune că „în cupru se pune mai puțină căldură”.

Cantitatea de căldură care trebuie transferată corpului pentru a-l încălzi de la o temperatură la alta se află prin următoarea formulă:

Q \u003d cm (t la - t n)

Aici t to și t n sunt temperaturile finale și inițiale, m este masa substanței, c este căldura sa specifică. Capacitatea termică specifică este de obicei luată din tabele. Din această formulă se poate exprima capacitatea termică specifică.