Топлинният капацитет е способността да се абсорбират определени количества топлина по време на нагряване или да се отделят при охлаждане. Топлинният капацитет на тялото е отношението на безкрайно малко количество топлина, което тялото получава, към съответното увеличение на неговите температурни показатели. Стойността се измерва в J/K. На практика се използва малко по-различна стойност - специфична топлина.
Определение
Какво означава специфична топлина? Това е количество, свързано с едно количество вещество. Съответно количеството на веществото може да се измери в кубични метри, килограми или дори в молове. От какво зависи? Във физиката топлинният капацитет зависи пряко от това за коя количествена единица се отнася, което означава, че те правят разлика между моларен, масов и обемен топлинен капацитет. В строителната индустрия няма да виждате моларни измервания, но ще виждате други през цялото време.
Какво влияе на специфичния топлинен капацитет?
Какво е топлинен капацитет, знаете, но какви стойности влияят на индикатора все още не е ясно. Стойността на специфичния топлинен капацитет се влияе пряко от няколко компонента:температура на веществото, налягане и други термодинамични характеристики.
С повишаване на температурата на даден продукт, неговият специфичен топлинен капацитет се увеличава, но някои вещества показват напълно нелинейна крива в тази връзка. Например, с повишаване на температурните показатели от нула до тридесет и седем градуса, специфичният топлинен капацитет на водата започва да намалява и ако границата е между тридесет и седем и сто градуса, тогава индикаторът, напротив, ще увеличение.
Заслужава да се отбележи, че параметърът зависи и от това как е позволено да се променят термодинамичните характеристики на продукта (налягане, обем и т.н.). Например, специфичната топлина при стабилно налягане и при стабилен обем ще бъде различна.
Как да изчислим параметъра?
Интересувате ли се какъв е топлинният капацитет? Формулата за изчисление е, както следва: C \u003d Q / (m ΔT). Какви са тези стойности? Q е количеството топлина, което продуктът получава при нагряване (или отделяно от продукта по време на охлаждане). m е масата на продукта, а ΔT е разликата между крайната и началната температура на продукта. По-долу е дадена таблица с топлинния капацитет на някои материали.
Какво ще кажете за изчисляването на топлинния капацитет?
Изчисляването на топлинния капацитет не е лесна задача, особено ако се използват само термодинамични методи, е невъзможно да се направи по-точно. Затова физиците използват методите на статистическата физика или познаването на микроструктурата на продуктите. Как да изчислим за газ? Топлинен капацитет на газасе изчислява от изчисляването на средната енергия на топлинно движение на отделните молекули в веществото. Движенията на молекулите могат да бъдат от транслационен и ротационен тип, а вътре в молекула може да има цял атом или вибрация на атоми. Класическата статистика казва, че за всяка степен на свобода на ротационни и транслационни движения има стойност на моларния топлинен капацитет на газа, който е равен на R / 2, а за всяка вибрационна степен на свобода стойността е равна на R Това правило се нарича още закон за равноподеляне.
В същото време една частица от едноатомен газ се различава само с три транслационни степени на свобода и следователно нейният топлинен капацитет трябва да бъде равен на 3R/2, което е в отлично съгласие с експеримента. Всяка молекула на двуатомен газ има три транслационни, две ротационни и една вибрационна степени на свобода, което означава, че законът за равноразпределение ще бъде 7R/2, а опитът показва, че топлинният капацитет на мол от двуатомен газ при обикновена температура е 5R/ 2. Защо имаше такова несъответствие в теорията? Всичко се дължи на факта, че при установяване на топлинния капацитет ще е необходимо да се вземат предвид различни квантови ефекти, с други думи, да се използва квантова статистика. Както можете да видите, топлинният капацитет е доста сложно понятие.
Квантовата механика казва, че всяка система от частици, които осцилират или се въртят, включително газова молекула, може да има определени дискретни енергийни стойности. Ако енергията на топлинното движение в инсталираната система е недостатъчна за възбуждане на трептения с необходимата честота, тогава тези трептения не допринасят затоплинен капацитет на системата.
В твърди тела термичното движение на атомите е слабо трептене близо до определени равновесни позиции, това се отнася за възлите на кристалната решетка. Атомът има три вибрационни степени на свобода и според закона моларният топлинен капацитет на твърдо вещество е равен на 3nR, , където n е броят на съществуващите атоми в молекулата. На практика тази стойност е границата, към която се стреми топлинният капацитет на тялото при високи температури. Стойността се постига при нормални температурни промени в много елементи, това се отнася за метали, както и за прости съединения. Топлинният капацитет на оловото и други вещества също се определя.
Какво ще кажете за ниските температури?
Вече знаем какво е топлинен капацитет, но ако говорим за ниски температури, как тогава ще се изчисли стойността? Ако говорим за индикатори за ниска температура, тогава топлинният капацитет на твърдо тяло тогава се оказва пропорционален на T 3 или на така наречения закон за топлинния капацитет на Дебай. Основният критерий за разграничаване на високите температури от ниските е обичайното им сравнение с характерен параметър за определено вещество - това може да бъде характеристиката или температурата на Дебай qD. Представената стойност се определя от вибрационния спектър на атомите в продукта и зависи значително от кристалната структура.
В металите електроните на проводимост имат определен принос за топлинния капацитет. Тази част от топлинния капацитет се изчислява с помощта наСтатистика на Ферми-Дирак, която взема предвид електроните. Електронният топлинен капацитет на метала, който е пропорционален на обичайния топлинен капацитет, е относително малка стойност и допринася за топлинния капацитет на метала само при температури, близки до абсолютната нула. Тогава топлинният капацитет на решетката става много малък и може да бъде пренебрегнат.
Масов топлинен капацитет
Масова специфична топлина е количеството топлина, което трябва да се доведе до единица маса на веществото, за да се загрее продуктът на единица температура. Тази стойност се обозначава с буквата C и се измерва в джаули, разделени на килограм на келвин - J / (kg K). Това е всичко за масовия топлинен капацитет.
Какво е обемният топлинен капацитет?
Обемният топлинен капацитет е определено количество топлина, което трябва да се добави към единица обем на продукт, за да се загрее на единица температура. Този индикатор се измерва в джаули, разделени на кубичен метър на келвин или J / (m³ K). В много строителни справочници се взема предвид масовият специфичен топлинен капацитет при работа.
Практическо приложение на топлинния капацитет в строителната индустрия
Много топлоинтензивни материали се използват активно при изграждането на топлоустойчиви стени. Това е изключително важно за къщи, които се характеризират с периодично отопление. Например фурна. Топлоинтензивните продукти и изградените от тях стени перфектно акумулират топлина, съхраняват я по време на нагряване и постепенно отделят топлина след изключванесистема, което позволява да се поддържа приемлива температура през целия ден.
И така, колкото повече топлина се съхранява в конструкцията, толкова по-удобна и стабилна ще бъде температурата в стаите.
Заслужава да се отбележи, че обикновените тухли и бетон, използвани в жилищното строителство, имат много по-нисък топлинен капацитет от експандирания полистирол. Ако вземем ековата, тогава тя е три пъти по-топлоемка от бетона. Трябва да се отбележи, че във формулата за изчисляване на топлинния капацитет не напразно има маса. Поради голямата огромна маса на бетон или тухла, в сравнение с ековата, позволява натрупване на огромни количества топлина в каменните стени на конструкциите и изглаждане на всички дневни температурни колебания. Само малка маса изолация във всички рамкови къщи, въпреки добрия топлинен капацитет, е най-слабата зона за всички рамкови технологии. За да се реши този проблем, във всички къщи са инсталирани впечатляващи акумулатори на топлина. Какво е? Това са структурни части, които се характеризират с голяма маса с доста добър индекс на топлинен капацитет.
Примери за акумулатори на топлина в живота
Какво може да бъде? Например, някакъв вид вътрешни тухлени стени, голяма печка или камина, бетонни замазки.
Мебелите във всяка къща или апартамент са отличен акумулатор на топлина, защото шперплат, ПДЧ и дърво всъщност могат да съхраняват топлина само на килограм тегло три пъти повече от прословутата тухла.
Има ли недостатъци в топлинните акумулатори? Разбира се, основният недостатък на този подход ефактът, че акумулаторът на топлина трябва да бъде проектиран на етапа на създаване на оформление на рамкова къща. Всичко поради факта, че е много тежък и това ще трябва да се вземе предвид при създаването на основата и след това си представете как този обект ще бъде интегриран в интериора. Струва си да се каже, че е необходимо да се вземе предвид не само масата, ще е необходимо да се оценят и двете характеристики в работата: маса и топлинен капацитет. Например, ако използвате злато с невероятно тегло от двадесет тона на кубичен метър като акумулатор на топлина, тогава продуктът ще функционира както трябва само с двадесет и три процента по-добре от бетонен куб, който тежи два и половина тона.
Кое вещество е най-подходящо за съхранение на топлина?
Най-добрият продукт за акумулатор на топлина изобщо не е бетон и тухла! Медта, бронзът и желязото се справят добре с това, но са много тежки. Колкото и да е странно, но най-добрият акумулатор на топлина е водата! Течността има впечатляващ топлинен капацитет, най-големият сред наличните за нас вещества. По-голям топлинен капацитет имат само хелиевите газове (5190 J / (kg K) и водорода (14300 J / (kg K)), но те са проблематични за прилагане на практика. При желание и необходимост вижте таблицата с топлинния капацитет на веществата, които нужда.
