V tomto krátkom materiáli sa stručne zamyslíme nad jednou z najdôležitejších vlastností vody pre našu planétu, jej Tepelná kapacita.

Špecifická tepelná kapacita vody

Urobme si krátky výklad tohto pojmu:

Tepelná kapacita látka je jej schopnosť akumulovať v sebe teplo. Táto hodnota sa meria množstvom tepla, ktoré absorbuje, keď sa zahreje o 1 ° C. Napríklad tepelná kapacita vody je 1 cal / g alebo 4,2 J / g a pôda - pri 14,5 - 15,5 ° C (v závislosti od typu pôdy) sa pohybuje od 0,5 do 0,6 cal (2,1 - 2,5 J ) na jednotku objemu a od 0,2 do 0,5 cal (alebo 0,8-2,1 J) na jednotku hmotnosti (gramov).

Tepelná kapacita vody má významný vplyv na mnohé aspekty nášho života, no v tomto materiáli sa zameriame na jej úlohu pri formovaní teplotného režimu našej planéty, a to ...

Tepelná kapacita vody a zemskej klímy

Tepelná kapacita vody vo svojej absolútnej hodnote je dosť veľká. Z uvedenej definície vidíme, že výrazne prevyšuje tepelnú kapacitu pôdy našej planéty. V dôsledku tohto rozdielu v tepelných kapacitách sa pôda v porovnaní s vodami svetového oceánu ohrieva oveľa rýchlejšie, a teda rýchlejšie ochladzuje. Vďaka inertnejšiemu svetovému oceánu nie sú výkyvy denných a sezónnych teplôt Zeme také veľké, ako by boli pri absencii oceánov a morí. To znamená, že v chladnom období voda ohrieva Zem a v teplom období sa ochladzuje. Prirodzene, tento vplyv je najvýraznejší v pobrežných oblastiach, no v globálnom priemere ovplyvňuje celú planétu.

Na kolísanie denných a sezónnych teplôt prirodzene vplýva veľa faktorov, no voda je jedným z najdôležitejších.

Zvýšenie amplitúdy výkyvov denných a sezónnych teplôt by radikálne zmenilo svet okolo nás.

Známy je napríklad fakt, že kameň pri prudkých teplotných výkyvoch stráca pevnosť a krehne. Je zrejmé, že my sami by sme boli „trochu“ iní. Minimálne fyzické parametre nášho tela by boli úplne iné.

Anomálne vlastnosti tepelnej kapacity vody

Tepelná kapacita vody má anomálne vlastnosti. Ukazuje sa, že so zvyšovaním teploty vody sa jej tepelná kapacita znižuje, táto dynamika pretrváva až do 37°C, s ďalším zvyšovaním teploty sa tepelná kapacita začína zvyšovať.

Tento fakt obsahuje jedno zaujímavé tvrdenie. Relatívne povedané, samotná príroda, ktorú reprezentuje Voda, určila 37°C ako najpohodlnejšiu teplotu pre ľudský organizmus, samozrejme za predpokladu dodržania všetkých ostatných faktorov. Pri akejkoľvek dynamike zmeny teploty okolia má teplota vody tendenciu k 37°C.

Voda je jednou z najúžasnejších látok. Napriek širokému rozšíreniu a širokému použitiu je skutočnou záhadou prírody. Ako jedna z kyslíkových zlúčenín by sa zdalo, že voda by mala mať veľmi nízke vlastnosti, ako je mrznutie, výparné teplo atď. Ale to sa nestáva. Tepelná kapacita samotnej vody je napriek všetkému extrémne vysoká.

Voda je schopná absorbovať obrovské množstvo tepla, pričom sa sama prakticky nezohrieva - to je jej fyzikálna vlastnosť. voda je asi päťkrát vyššia ako tepelná kapacita piesku a desaťkrát vyššia ako tepelná kapacita železa. Voda je preto prirodzeným chladivom. Jeho schopnosť akumulovať veľké množstvo energie umožňuje vyrovnávať teplotné výkyvy na povrchu Zeme a regulovať tepelný režim na celej planéte, a to bez ohľadu na ročné obdobie.

Táto jedinečná vlastnosť vody umožňuje jej použitie ako chladiacej kvapaliny v priemysle aj v domácnostiach. Voda je navyše široko dostupná a relatívne lacná surovina.

Čo znamená tepelná kapacita? Ako je známe z priebehu termodynamiky, k prenosu tepla dochádza vždy z horúceho telesa do studeného. V tomto prípade hovoríme o prechode určitého množstva tepla a teplota oboch telies, ktorá je charakteristická pre ich stav, ukazuje smer tejto výmeny. V procese kovového telesa s vodou rovnakej hmotnosti pri rovnakých počiatočných teplotách mení kov svoju teplotu niekoľkonásobne viac ako voda.

Ak vezmeme ako postulát hlavné tvrdenie termodynamiky - z dvoch telies (izolovaných od ostatných), počas výmeny tepla, jedno vydáva a druhé prijíma rovnaké množstvo tepla, potom je jasné, že kov a voda majú úplne odlišné teplo. kapacity.

Tepelná kapacita vody (ako aj akejkoľvek látky) je teda ukazovateľom, ktorý charakterizuje schopnosť danej látky vydať (alebo prijať) časť pri ochladzovaní (ohrievaní) na jednotku teploty.

Merná tepelná kapacita látky je množstvo tepla potrebné na zahriatie jednotky tejto látky (1 kilogram) o 1 stupeň.

Množstvo tepla uvoľneného alebo absorbovaného telesom sa rovná súčinu mernej tepelnej kapacity, hmotnosti a teplotného rozdielu. Meria sa v kalóriách. Jedna kalória je presne také množstvo tepla, ktoré stačí na zohriatie 1 g vody o 1 stupeň. Pre porovnanie: merná tepelná kapacita vzduchu je 0,24 cal/g ∙°C, hliníka 0,22, železa 0,11 a ortuti 0,03.

Tepelná kapacita vody nie je konštantná. So zvýšením teploty od 0 do 40 stupňov sa mierne znižuje (z 1,0074 na 0,9980), zatiaľ čo pre všetky ostatné látky sa táto charakteristika počas zahrievania zvyšuje. Navyše môže klesať so zvyšujúcim sa tlakom (v hĺbke).

Ako viete, voda má tri stavy agregácie - kvapalné, pevné (ľad) a plynné (para). Zároveň je merná tepelná kapacita ľadu približne 2-krát nižšia ako u vody. Toto je hlavný rozdiel medzi vodou a inými látkami, ktorých merná tepelná kapacita sa v pevnom a roztavenom stave nemení. Aké je tu tajomstvo?

Faktom je, že ľad má kryštalickú štruktúru, ktorá sa pri zahriatí okamžite nezrúti. Voda obsahuje malé čiastočky ľadu, ktoré pozostávajú z niekoľkých molekúl a nazývajú sa asociáty. Pri zahrievaní vody sa časť vynakladá na zničenie vodíkových väzieb v týchto formáciách. To vysvetľuje nezvyčajne vysokú tepelnú kapacitu vody. Väzby medzi jeho molekulami sú úplne zničené až vtedy, keď voda prechádza do pary.

Špecifická tepelná kapacita pri teplote 100 ° C sa takmer nelíši od ľadu pri 0 ° C. To opäť potvrdzuje správnosť tohto vysvetlenia. Tepelná kapacita pary, podobne ako tepelná kapacita ľadu, je dnes oveľa lepšie pochopená ako kapacita vody, na ktorej vedci ešte nedospeli k zhode.

Entalpia je vlastnosť hmoty, ktorá udáva množstvo energie, ktorú možno premeniť na teplo.

Entalpia je termodynamická vlastnosť látky, ktorá naznačuje energetická úroveň uložené v jeho molekulárnej štruktúre. To znamená, že hoci hmota môže mať energiu na báze , nie všetku ju možno premeniť na teplo. Časť vnútornej energie vždy zostáva v hmote a zachováva svoju molekulárnu štruktúru. Časť látky je neprístupná, keď sa jej teplota blíži teplote okolia. v dôsledku toho entalpia je množstvo energie, ktorá je k dispozícii na premenu na teplo pri danej teplote a tlaku. Jednotky entalpie- Britská tepelná jednotka alebo joule pre energiu a Btu/lbm alebo J/kg pre špecifickú energiu.

Množstvo entalpie

množstvo entalpie hmoty na základe jeho danej teploty. Daná teplota je hodnota zvolená vedcami a inžiniermi ako základ pre výpočty. Ide o teplotu, pri ktorej je entalpia látky nulová J. Inými slovami, látka nemá žiadnu dostupnú energiu, ktorú by bolo možné premeniť na teplo. Táto teplota je pre rôzne látky rôzna. Napríklad táto teplota vody je trojitý bod (0°C), dusík je -150°C a chladivá na báze metánu a etánu sú -40°C.

Ak je teplota látky nad jej danou teplotou alebo sa pri danej teplote zmení na plynné skupenstvo, entalpia sa vyjadrí ako kladné číslo. Naopak, pri teplote nižšej ako daná entalpia látky je vyjadrená ako záporné číslo. Entalpia sa používa vo výpočtoch na určenie rozdielu energetických hladín medzi dvoma stavmi. To je potrebné na nastavenie zariadenia a určenie priaznivého účinku procesu.

entalpiačasto definované ako celková energia hmoty, keďže sa rovná súčtu jeho vnútornej energie (u) v danom stave spolu s jeho schopnosťou konať prácu (pv). Ale v skutočnosti entalpia neudáva celkovú energiu látky pri danej teplote nad absolútnou nulou (-273°C). Preto namiesto definovania entalpia ako celkové teplo látky, presnejšie to definujte ako celkové množstvo dostupnej energie látky, ktorú možno premeniť na teplo.
H=U+pV

V tabuľke sú uvedené termofyzikálne vlastnosti vodnej pary na čiare nasýtenia v závislosti od teploty. Vlastnosti pary sú uvedené v tabuľke v teplotnom rozsahu od 0,01 do 370°C.

Každá teplota zodpovedá tlaku, pri ktorom je vodná para v stave nasýtenia. Napríklad pri teplote vodnej pary 200 °C bude jej tlak 1,555 MPa alebo asi 15,3 atm.

Merná tepelná kapacita pary, tepelná vodivosť a jej zvyšovanie so zvyšujúcou sa teplotou. Zvyšuje sa aj hustota vodnej pary. Vodná para sa stáva horúcou, ťažkou a viskóznou, s vysokou mernou tepelnou kapacitou, čo má pozitívny vplyv na výber pary ako nosiča tepla v niektorých typoch výmenníkov tepla.

Napríklad podľa tabuľky merné teplo vodnej pary Cp pri teplote 20°C sa rovná 1877 J/(kg°) a pri zahriatí na 370°C tepelná kapacita pary vzrastie na hodnotu 56520 J/(kg°).

V tabuľke sú uvedené nasledujúce termofyzikálne vlastnosti vodnej pary na čiare nasýtenia:

• tlak pár pri určitej teplote p 10-5, Pa;
• hustota pár ρ″ , kg/m3;
• špecifická (hmotnostná) entalpia h″ kJ/kg;
• r kJ/kg;
• merná tepelná kapacita pary Cp kJ/(kg deg);
• súčiniteľ tepelnej vodivosti λ 10 2 W/(m°);
• tepelná difúznosť 106, m2/s;
• dynamická viskozita μ 10 6, Pa s;
• Kinematická viskozita v 10 6, m2/s;
• Prandtlovo číslo Pr.

Merné skupenské teplo vyparovania, entalpia, tepelná difúznosť a kinematická viskozita vodnej pary so stúpajúcou teplotou klesá. V tomto prípade sa zvyšuje dynamická viskozita a Prandtlovo číslo pary.

Buď opatrný! Tepelná vodivosť v tabuľke je daná mocninou 10 2 . Nezabudnite deliť 100! Napríklad tepelná vodivosť pary pri teplote 100 °C je 0,02372 W/(m deg).

Tepelná vodivosť vodnej pary pri rôznych teplotách a tlakoch

V tabuľke sú uvedené hodnoty tepelnej vodivosti vody a pary pri teplotách od 0 do 700°C a tlaku od 0,1 do 500 atm. Jednotkou tepelnej vodivosti je W/(m deg).

Čiara pod hodnotami v tabuľke znamená fázový prechod vody na paru, to znamená, že čísla pod čiarou sa vzťahujú na paru a nad ňou na vodu. Podľa tabuľky je vidieť, že hodnota súčiniteľa a vodnej pary rastie so zvyšujúcim sa tlakom.

Poznámka: tepelná vodivosť v tabuľke je daná mocninou 10 3 . Nezabudnite deliť 1000!

Tepelná vodivosť vodnej pary pri vysokých teplotách

V tabuľke sú uvedené hodnoty tepelnej vodivosti disociovanej vodnej pary vo W/(m deg) pri teplotách od 1400 do 6000 K a tlakoch od 0,1 do 100 atm.

Podľa tabuľky sa tepelná vodivosť vodnej pary pri vysokých teplotách výrazne zvyšuje v rozmedzí 3000 ... 5000 K. Pri vysokých tlakoch sa maximálny koeficient tepelnej vodivosti dosahuje pri vyšších teplotách.

Buď opatrný! Tepelná vodivosť v tabuľke je daná mocninou 10 3 . Nezabudnite deliť 1000!

Dnes si povieme, čo je tepelná kapacita (vrátane vody), o aké druhy ide a kde sa používa tento fyzikálny termín. Ukážeme si aj to, aká užitočná je táto hodnota pre vodu a paru, prečo ju potrebujete poznať a ako ovplyvňuje náš každodenný život.

Koncept tepelnej kapacity

Táto fyzikálna veličina sa v okolitom svete a vede tak často používa, že v prvom rade je potrebné o nej hovoriť. Úplne prvá definícia bude od čitateľa vyžadovať určitú pripravenosť, aspoň v rozdieloch. Tepelná kapacita telesa je teda vo fyzike definovaná ako pomer prírastkov nekonečne malého množstva tepla k zodpovedajúcemu nekonečne malému množstvu teploty.

Množstvo tepla

Tak či onak, takmer každý chápe, čo je teplota. Pripomeňme, že „množstvo tepla“ nie je len fráza, ale pojem označujúci energiu, ktorú telo stráca alebo získava výmenou s okolím. Táto hodnota sa meria v kalóriách. Túto jednotku poznajú všetky ženy, ktoré držia diéty. Milé dámy, teraz už viete, čo pálite na bežiacom páse a čomu sa rovná každý zjedený (alebo ponechaný kúsok na tanieri) kúsok jedla. Každé teleso, ktorého teplota sa mení, teda zaznamená zvýšenie alebo zníženie množstva tepla. Pomerom týchto veličín je tepelná kapacita.

Aplikácia tepelnej kapacity

Avšak dôsledná definícia fyzického konceptu, o ktorom uvažujeme, sa zriedka používa sama o sebe. Vyššie sme povedali, že sa veľmi často používa v každodennom živote. Tí, ktorí v škole nemali radi fyziku, sú teraz zrejme zmätení. A odhrnieme rúško tajomstva a povieme vám, že horúca (a dokonca studená) voda v kohútiku a vo vykurovacích potrubiach sa objavuje len vďaka výpočtom tepelnej kapacity.

Túto hodnotu zohľadňujú aj poveternostné podmienky, ktoré určujú, či je možné už otvoriť kúpaciu sezónu, alebo či sa zatiaľ oplatí zostať na brehu. Tieto výpočty ovplyvňujú akýkoľvek spotrebič spojený s vykurovaním alebo chladením (chladič oleja, chladnička), všetky náklady na energiu na prípravu jedla (napríklad v kaviarni) alebo pouličnú nealkoholickú zmrzlinu. Ako viete, hovoríme o takom množstve, ako je tepelná kapacita vody. Bolo by hlúpe predpokladať, že to robia predajcovia a bežní spotrebitelia, no inžinieri, dizajnéri, výrobcovia všetko zohľadnili a do domácich spotrebičov investovali patričné ​​parametre. Výpočty tepelnej kapacity sa však používajú oveľa širšie: v hydraulických turbínach a výrobe cementu, pri testovaní zliatin pre lietadlá alebo železničné vlaky, v stavebníctve, tavení a chladení. Dokonca aj prieskum vesmíru je založený na vzorcoch obsahujúcich túto hodnotu.

Druhy tepelnej kapacity

Takže vo všetkých praktických aplikáciách sa používa relatívna alebo špecifická tepelná kapacita. Je definovaný ako množstvo tepla (žiadne nekonečne malé, uvedomte si), ktoré je potrebné na zvýšenie jednotkového množstva hmoty o jeden stupeň. Stupne na Kelvinovej a Celziovej stupnici sa zhodujú, ale vo fyzike je zvykom nazývať túto hodnotu v prvých jednotkách. V závislosti od toho, ako je vyjadrená jednotka množstva látky, existujú hmotnostné, objemové a molárne špecifické tepelné kapacity. Pripomeňme, že jeden mol je také množstvo látky, ktoré obsahuje približne šesťkrát desať až dvadsiaty tretí stupeň molekúl. V závislosti od úlohy sa používa zodpovedajúca tepelná kapacita, ich označenie vo fyzike je rôzne. Hmotnostná tepelná kapacita je označená ako C a je vyjadrená v J / kg * K, objem - C` (J / m 3 * K), molárny - C μ (J / mol * K).

Ideálny plyn

Ak sa rieši problém ideálneho plynu, výraz preň je iný. Pripomeňme, že v tejto látke, ktorá v skutočnosti neexistuje, atómy (alebo molekuly) navzájom neinteragujú. Táto kvalita radikálne mení akékoľvek vlastnosti ideálneho plynu. Tradičné prístupy k výpočtom preto neprinesú požadovaný výsledok. Ideálny plyn je potrebný ako model napríklad na opis elektrónov v kove. Jeho tepelná kapacita je definovaná ako počet stupňov voľnosti častíc, z ktorých sa skladá.

Stav agregácie

Zdá sa, že pre látku sú všetky fyzikálne vlastnosti rovnaké za všetkých podmienok. Ale nie je. Pri prechode do iného stavu agregácie (pri topení a mrazení ľadu, pri vyparovaní alebo tuhnutí roztaveného hliníka) sa táto hodnota prudko mení. Tepelná kapacita vody a vodnej pary je teda rozdielna. Ako uvidíme nižšie, výrazne. Tento rozdiel výrazne ovplyvňuje využitie kvapalných aj plynných zložiek tejto látky.

Vykurovanie a tepelná kapacita

Ako si už čitateľ všimol, najčastejšie sa v reálnom svete objavuje tepelná kapacita vody. Je zdrojom života, bez neho je naša existencia nemožná. Potrebuje človeka. Preto od staroveku až po súčasnosť bola úloha dodávať vodu do domácností a priemyselných odvetví alebo polí vždy výzvou. Dobré pre tie krajiny, ktoré majú po celý rok pozitívnu teplotu. Starí Rimania stavali akvadukty, aby zásobovali svoje mestá týmto cenným zdrojom. Ale tam, kde je zima, by táto metóda nefungovala. Ľad, ako viete, má väčší špecifický objem ako voda. To znamená, že zamrznutie v potrubiach ich zničí v dôsledku expanzie. Výzvou pre technikov ústredného kúrenia a dodávky teplej a studenej vody do domácností je teda to, ako sa tomu vyhnúť.

Tepelná kapacita vody, berúc do úvahy dĺžku potrubia, poskytne požadovanú teplotu, na ktorú sa kotly musia zohriať. Naše zimy sú však veľmi chladné. A pri sto stupňoch Celzia už dochádza k varu. V tejto situácii prichádza na pomoc špecifická tepelná kapacita vodnej pary. Ako je uvedené vyššie, stav agregácie mení túto hodnotu. No v kotloch, ktoré nám prinášajú teplo do našich domovov, je silne prehriata para. Vzhľadom na to, že má vysokú teplotu, vytvára neskutočný tlak, takže kotly a potrubia, ktoré k nim vedú, musia byť veľmi pevné. V tomto prípade môže dokonca aj malý otvor, veľmi malý únik viesť k výbuchu. Tepelná kapacita vody závisí od teploty a to nelineárne. To znamená, že na jej zahriatie z dvadsiatich na tridsať stupňov bude potrebné iné množstvo energie, ako povedzme zo stopäťdesiatich na stošesťdesiatich.

Pri akomkoľvek úkone, ktorý ovplyvňuje ohrev vody, treba s tým počítať, najmä ak ide o veľké objemy. Tepelná kapacita pary, podobne ako mnohé jej vlastnosti, závisí od tlaku. Plynné skupenstvo má pri rovnakej teplote ako kvapalné skupenstvo takmer štvornásobne menšiu tepelnú kapacitu.

Vyššie sme uviedli veľa príkladov, prečo je potrebné ohrievať vodu a ako je potrebné zohľadniť hodnotu tepelnej kapacity. Ešte sme však nepovedali, že spomedzi všetkých dostupných zdrojov planéty má táto kvapalina pomerne vysokú spotrebu energie na vykurovanie. Táto vlastnosť sa často využíva na chladenie.

Keďže tepelná kapacita vody je vysoká, efektívne a rýchlo odoberie prebytočnú energiu. Používa sa v priemysle, v high-tech zariadeniach (napríklad v laseroch). A doma asi vieme, že najefektívnejšie schladiť vajíčka natvrdo alebo rozpálenú panvicu je opláchnuť pod studenou vodou z vodovodu.

A princíp fungovania atómových jadrových reaktorov je vo všeobecnosti založený na vysokej tepelnej kapacite vody. Horúca zóna, ako už názov napovedá, má neuveriteľne vysokú teplotu. Voda samotným ohrevom ochladzuje systém, čím zabraňuje tomu, aby sa reakcia vymkla kontrole. Dostávame tak potrebnú elektrinu (ohriata para roztáča turbíny) a žiadna katastrofa sa nekoná.