Ενθαλπίαείναι μια θερμοδυναμική ιδιότητα μιας ουσίας που υποδεικνύει επίπεδο ενέργειας, που διατηρείται στη μοριακή του δομή. Αυτό σημαίνει ότι αν και μια ουσία μπορεί να έχει ενέργεια με βάση το , δεν μπορεί να μετατραπεί όλη σε θερμότητα. Μέρος εσωτερική ενέργεια παραμένει πάντα στην ουσίακαι τον στηρίζει μοριακή δομή. Μέρος της ουσίας είναι απρόσιτη όταν η θερμοκρασία της πλησιάζει τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ως εκ τούτου, ενθαλπίαείναι η ποσότητα ενέργειας που είναι διαθέσιμη για να μετατραπεί σε θερμότητα σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση. Μονάδες ενθαλπίας- Βρετανική θερμική μονάδα ή joule για ενέργεια και Btu/lbm ή J/kg για συγκεκριμένη ενέργεια.
Ποσότητα ενθαλπίας
Ποσότητα ενθαλπία της ύληςμε βάση τη δεδομένη θερμοκρασία του. Αυτή η θερμοκρασία- αυτή είναι η τιμή που επιλέγουν οι επιστήμονες και οι μηχανικοί ως βάση για τους υπολογισμούς. Είναι η θερμοκρασία στην οποία η ενθαλπία μιας ουσίας είναι μηδέν J. Με άλλα λόγια, η ουσία δεν έχει διαθέσιμη ενέργεια που μπορεί να μετατραπεί σε θερμότητα. Αυτή η θερμοκρασία είναι διάφορες ουσίεςδιαφορετικός. Για παράδειγμα, δεδομένη θερμοκρασίαΤο νερό είναι το τριπλό σημείο (0 °C), το άζωτο είναι -150 °C και τα ψυκτικά με βάση το μεθάνιο και το αιθάνιο είναι -40 °C.Εάν η θερμοκρασία μιας ουσίας είναι υψηλότερη από τη δεδομένη θερμοκρασία της ή αλλάξει κατάσταση σε αέρια κατάσταση σε μια δεδομένη θερμοκρασία, η ενθαλπία εκφράζεται ως θετικός αριθμός. Αντίστροφα, σε θερμοκρασία κάτω από μια δεδομένη ενθαλπία μιας ουσίας εκφράζεται αρνητικός αριθμός. Η ενθαλπία χρησιμοποιείται σε υπολογισμούς για τον προσδιορισμό της διαφοράς στα ενεργειακά επίπεδα μεταξύ δύο καταστάσεων. Αυτό είναι απαραίτητο για τη ρύθμιση του εξοπλισμού και τον προσδιορισμό της ευεργετικής επίδρασης της διαδικασίας.
Ενθαλπίασυχνά ορίζεται ως συνολική ενέργεια της ύλης, αφού είναι ίσο με το άθροισμα της εσωτερικής του ενέργειας (u) σε αυτό το κράτοςμαζί με την ικανότητά του να κάνει τη δουλειά (pv). Αλλά στην πραγματικότητα, η ενθαλπία δεν δείχνει τη συνολική ενέργεια μιας ουσίας σε μια δεδομένη θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν (-273°C). Επομένως, αντί να ορίσουμε ενθαλπίαως η συνολική θερμότητα μιας ουσίας, ορίζεται με μεγαλύτερη ακρίβεια ως σύνολοη διαθέσιμη ενέργεια μιας ουσίας που μπορεί να μετατραπεί σε θερμότητα.
H = U + pV
Σε αυτό το σύντομο άρθρο θα εξετάσουμε εν συντομία μια από τις πιο σημαντικές ιδιότητες του νερού για τον πλανήτη μας, του Θερμοχωρητικότητα.
Ειδική θερμοχωρητικότητα νερού
Ας κάνουμε μια σύντομη ερμηνεία αυτού του όρου:
Θερμοχωρητικότηταμια ουσία είναι η ικανότητά της να συσσωρεύει θερμότητα. Αυτή η τιμή μετριέται με την ποσότητα θερμότητας που απορροφάται από αυτό όταν θερμαίνεται κατά 1°C. Για παράδειγμα, η θερμοχωρητικότητα του νερού είναι 1 cal/g, ή 4,2 J/g, και η θερμοχωρητικότητα του εδάφους στους 14,5-15,5°C (ανάλογα με τον τύπο του εδάφους) κυμαίνεται από 0,5 έως 0,6 θερμίδες (2 ,1-2,5 J) ανά μονάδα όγκου και από 0,2 έως 0,5 θερμίδες (ή 0,8-2,1 J) ανά μονάδα μάζας (γραμμάρια).
Η θερμοχωρητικότητα του νερού έχει σημαντική επιρροήσε πολλές πτυχές της ζωής μας, αλλά σε αυτό το υλικό θα επικεντρωθούμε στον ρόλο του στη διαμόρφωση καθεστώς θερμοκρασίαςτου πλανήτη μας, δηλαδή...
Θερμοχωρητικότητα του νερού και το κλίμα της Γης
Θερμοχωρητικότητατο νερό στην απόλυτη τιμή του είναι αρκετά μεγάλο. Από τον παραπάνω ορισμό βλέπουμε ότι υπερβαίνει σημαντικά τη θερμοχωρητικότητα του εδάφους του πλανήτη μας. Λόγω αυτής της διαφοράς στη θερμοχωρητικότητα, το έδαφος, σε σύγκριση με τα νερά των ωκεανών του κόσμου, θερμαίνεται πολύ πιο γρήγορα και, κατά συνέπεια, ψύχεται πιο γρήγορα. Χάρη στους πιο αδρανείς ωκεανούς, οι διακυμάνσεις στις ημερήσιες και εποχιακές θερμοκρασίες της Γης δεν είναι τόσο μεγάλες όσο θα ήταν απουσία ωκεανών και θαλασσών. Δηλαδή, την κρύα εποχή, το νερό θερμαίνει τη Γη, και τη ζεστή εποχή ψύχει. Φυσικά, αυτή η επιρροή είναι πιο αισθητή στις παράκτιες περιοχές, αλλά με παγκόσμιο μέσο όρο επηρεάζει ολόκληρο τον πλανήτη.
Φυσικά, οι διακυμάνσεις στις ημερήσιες και εποχιακές θερμοκρασίες επηρεάζονται από πολλούς παράγοντες, αλλά το νερό είναι ένας από τους πιο σημαντικούς.
Μια αύξηση του εύρους των διακυμάνσεων στις ημερήσιες και εποχιακές θερμοκρασίες θα άλλαζε ριζικά τον κόσμο γύρω μας.
Για παράδειγμα, όλοι είναι καλά γνωστό γεγονός— η πέτρα χάνει τη δύναμή της και γίνεται εύθραυστη κατά τις απότομες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Προφανώς, εμείς οι ίδιοι θα ήμασταν «κάπως» διαφορετικοί. Τουλάχιστον, οι φυσικές παράμετροι του σώματός μας θα ήταν διαφορετικές.
Ανώμαλες ιδιότητες της θερμοχωρητικότητας του νερού
Η θερμοχωρητικότητα του νερού έχει ανώμαλες ιδιότητες. Αποδεικνύεται ότι καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του νερού, η θερμοχωρητικότητα του μειώνεται· αυτή η δυναμική παραμένει μέχρι τους 37°C· με περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας, η θερμοχωρητικότητα αρχίζει να αυξάνεται.
Αυτό το γεγονός περιέχει μια ενδιαφέρουσα δήλωση. Σχετικά μιλώντας, η ίδια η φύση, στο πρόσωπο του Νερού, έχει καθορίσει τους 37°C ως την πιο άνετη θερμοκρασία για το ανθρώπινο σώμα, με την προϋπόθεση βέβαια ότι τηρούνται όλοι οι άλλοι παράγοντες. Με οποιαδήποτε δυναμική μεταβολής της θερμοκρασίας περιβάλλοντος, η θερμοκρασία του νερού τείνει στους 37°C.
Σήμερα θα μιλήσουμε για το τι είναι η θερμοχωρητικότητα (συμπεριλαμβανομένου του νερού), σε ποιους τύπους διατίθεται και πού χρησιμοποιείται αυτός ο φυσικός όρος. Θα δείξουμε επίσης πόσο χρήσιμη είναι η αξία αυτής της τιμής για το νερό και τον ατμό, γιατί πρέπει να το γνωρίζετε και πώς επηρεάζει την καθημερινότητά μας.
Η έννοια της θερμοχωρητικότητας
Αυτό φυσική ποσότηταχρησιμοποιείται τόσο συχνά στον έξω κόσμο και την επιστήμη που πρώτα απ 'όλα πρέπει να μιλήσουμε γι 'αυτό. Ο πρώτος ορισμός θα απαιτήσει από τον αναγνώστη να έχει κάποια ετοιμότητα, τουλάχιστον στις διαφορές. Έτσι, η θερμοχωρητικότητα ενός σώματος ορίζεται στη φυσική ως ο λόγος των αυξήσεων μιας απειροελάχιστης ποσότητας θερμότητας προς την αντίστοιχη απειροελάχιστη ποσότητα θερμοκρασίας.
Ποσότητα θερμότητας
Σχεδόν όλοι καταλαβαίνουν τι είναι η θερμοκρασία, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο. Ας θυμηθούμε ότι η «ποσότητα θερμότητας» δεν είναι απλώς μια φράση, αλλά ένας όρος που δηλώνει την ενέργεια που χάνει ή κερδίζει ένα σώμα όταν ανταλλάσσεται με περιβάλλον. Αυτή η τιμή μετριέται σε θερμίδες. Αυτή η μονάδα είναι γνωστή σε όλες τις γυναίκες που κάνουν δίαιτες. Αγαπητές κυρίες, τώρα ξέρετε τι καίτε στον διάδρομο και τι αξίζει κάθε κομμάτι φαγητού που τρώτε (ή αφήνετε στο πιάτο σας). Έτσι, κάθε σώμα του οποίου η θερμοκρασία αλλάζει παρουσιάζει αύξηση ή μείωση της ποσότητας της θερμότητας. Η αναλογία αυτών των ποσοτήτων είναι η θερμοχωρητικότητα.
Εφαρμογή θερμοχωρητικότητας
Ωστόσο, αυστηρός ορισμός αυτού που εξετάζουμε φυσική έννοιαπολύ σπάνια χρησιμοποιείται μόνο του. Είπαμε παραπάνω ότι χρησιμοποιείται πολύ συχνά σε Καθημερινή ζωή. Όσοι δεν τους άρεσε η φυσική στο σχολείο είναι μάλλον μπερδεμένοι τώρα. Και θα σηκώσουμε το πέπλο της μυστικότητας και θα σας πούμε ότι το ζεστό (και ακόμη και κρύο) νερό στη βρύση και στους σωλήνες θέρμανσης εμφανίζεται μόνο χάρη στους υπολογισμούς θερμικής ικανότητας.
Οι καιρικές συνθήκες, που καθορίζουν εάν η κολυμβητική περίοδος μπορεί ήδη να ανοίξει ή αν αξίζει να μείνετε στην ακτή προς το παρόν, λαμβάνουν επίσης υπόψη αυτήν την τιμή. Οποιαδήποτε συσκευή που σχετίζεται με τη θέρμανση ή την ψύξη (καλοριφέρ λαδιού, ψυγείο), όλα τα ενεργειακά κόστη κατά την προετοιμασία του φαγητού (για παράδειγμα, σε μια καφετέρια) ή το παγωτό soft-service του δρόμου επηρεάζονται από αυτούς τους υπολογισμούς. Πώς μπορεί κανείς να καταλάβει μιλάμε γιαπερίπου μια τέτοια ποσότητα όπως η θερμοχωρητικότητα του νερού. Θα ήταν ανόητο να υποθέσουμε ότι αυτό γίνεται από πωλητές και απλούς καταναλωτές, αλλά οι μηχανικοί, οι σχεδιαστές και οι κατασκευαστές έλαβαν τα πάντα υπόψη τους και έβαλαν τις κατάλληλες παραμέτρους οικιακές συσκευές. Ωστόσο, οι υπολογισμοί θερμικής ικανότητας χρησιμοποιούνται πολύ ευρύτερα: σε υδραυλικούς στρόβιλους και παραγωγή τσιμέντου, σε δοκιμές κραμάτων για αεροσκάφη ή σιδηροδρόμους, στην κατασκευή, τη τήξη και την ψύξη. Ακόμη και η εξερεύνηση του διαστήματος βασίζεται σε τύπους που περιέχουν αυτήν την τιμή.
Τύποι θερμοχωρητικότητας
Έτσι, σε όλα πρακτικές εφαρμογέςχρησιμοποιήστε σχετική ή ειδική θερμοχωρητικότητα. Ορίζεται ως η ποσότητα θερμότητας (σημείωση, όχι απειροελάχιστες ποσότητες) που απαιτείται για να θερμανθεί μια μονάδα ποσότητας μιας ουσίας κατά ένα βαθμό. Οι μοίρες στις κλίμακες Kelvin και Κελσίου είναι οι ίδιοι, αλλά στη φυσική συνηθίζεται να ονομάζουμε αυτή την τιμή στις πρώτες μονάδες. Ανάλογα με το πώς εκφράζεται η μονάδα ποσότητας μιας ουσίας, διακρίνονται οι μάζα, ο όγκος και οι μοριακές ειδικές θερμοχωρητικότητες. Θυμηθείτε ότι ένα mole είναι μια ποσότητα ουσίας που περιέχει περίπου έξι έως δέκα έως την εικοστή τρίτη δύναμη μόρια. Ανάλογα με την εργασία, χρησιμοποιείται η αντίστοιχη θερμοχωρητικότητα· ο χαρακτηρισμός τους στη φυσική είναι διαφορετικός. Η θερμοχωρητικότητα μάζας ορίζεται ως C και εκφράζεται σε J/kg*K, η ογκομετρική θερμοχωρητικότητα είναι C` (J/m 3 *K), η μοριακή θερμοχωρητικότητα είναι C μ (J/mol*K).
Ιδανικό αέριο
Εάν το πρόβλημα ενός ιδανικού αερίου λύνεται, τότε η έκφραση για αυτό είναι διαφορετική. Να σας υπενθυμίσουμε ότι σε αυτήν την ουσία, που δεν υπάρχει στην πραγματικότητα, τα άτομα (ή τα μόρια) δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτή η ποιότητααλλάζει ριζικά τις όποιες ιδιότητες ενός ιδανικού αερίου. Ως εκ τούτου, οι παραδοσιακές προσεγγίσεις στους υπολογισμούς δεν θα δώσουν επιθυμητό αποτέλεσμα. Ένα ιδανικό αέριο χρειάζεται ως μοντέλο για την περιγραφή των ηλεκτρονίων σε ένα μέταλλο, για παράδειγμα. Η θερμοχωρητικότητα του ορίζεται ως ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας των σωματιδίων από τα οποία αποτελείται.
Κατάσταση συγκέντρωσης
Φαίνεται ότι για μια ουσία όλα τα φυσικά χαρακτηριστικά είναι ίδια κάτω από όλες τις συνθήκες. Αλλά αυτό δεν είναι αλήθεια. Κατά τη μετάβαση σε άλλη κατάσταση συσσωμάτωσης (κατά τη διάρκεια της τήξης και κατάψυξης του πάγου, της εξάτμισης ή της στερεοποίησης του τηγμένου αλουμινίου), αυτή η τιμή αλλάζει απότομα. Έτσι, η θερμική ικανότητα του νερού και των υδρατμών είναι διαφορετική. Όπως θα δούμε παρακάτω, σημαντικά. Αυτή η διαφορά επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τη χρήση τόσο των υγρών όσο και των αερίων συστατικών αυτής της ουσίας.
Θέρμανση και θερμοχωρητικότητα
Όπως έχει ήδη παρατηρήσει ο αναγνώστης, τις περισσότερες φορές στο πραγματικό κόσμοεμφανίζεται η θερμοχωρητικότητα του νερού. Είναι η πηγή της ζωής, χωρίς αυτήν η ύπαρξή μας είναι αδύνατη. Ένα άτομο το χρειάζεται. Ως εκ τούτου, από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα, το έργο της παράδοσης νερού σε σπίτια και βιομηχανίες ή χωράφια ήταν πάντα μια πρόκληση. Καλό για τις χώρες που έχουν όλο το χρόνοθετική θερμοκρασία. Οι αρχαίοι Ρωμαίοι έχτισαν υδραγωγεία για να εφοδιάσουν τις πόλεις τους με αυτόν τον πολύτιμο πόρο. Αλλά όπου υπάρχει χειμώνας, αυτή η μέθοδος δεν θα ήταν κατάλληλη. Ο πάγος, όπως είναι γνωστό, έχει μεγαλύτερο ειδικό όγκο από το νερό. Αυτό σημαίνει ότι όταν παγώνει σε σωλήνες, τους καταστρέφει λόγω διαστολής. Έτσι, ενώπιον των μηχανικών κεντρική θέρμανσηκαι παράδοση ζεστό και κρύο νερόΗ πρόκληση στο σπίτι είναι πώς να το αποφύγετε αυτό.
Η θερμοχωρητικότητα του νερού, λαμβάνοντας υπόψη το μήκος των σωλήνων, θα δώσει την απαιτούμενη θερμοκρασία στην οποία πρέπει να θερμανθούν οι λέβητες. Ωστόσο, οι χειμώνες μας μπορεί να είναι πολύ κρύοι. Και στους εκατό βαθμούς Κελσίου, εμφανίζεται ήδη βρασμός. Σε αυτή την περίπτωση, η ειδική θερμοχωρητικότητα των υδρατμών έρχεται στη διάσωση. Όπως σημειώθηκε παραπάνω, η κατάσταση συνάθροισης αλλάζει αυτήν την τιμή. Λοιπόν, οι λέβητες που φέρνουν θερμότητα στα σπίτια μας περιέχουν πολύ υπερθερμασμένο ατμό. Επειδή έχει υψηλή θερμοκρασία, δημιουργεί απίστευτη πίεση, επομένως οι λέβητες και οι σωλήνες που οδηγούν σε αυτούς πρέπει να είναι πολύ ανθεκτικοί. ΣΕ σε αυτήν την περίπτωσηακόμα και μια μικρή τρύπα, μια πολύ μικρή διαρροή μπορεί να οδηγήσει σε έκρηξη. Η θερμοχωρητικότητα του νερού εξαρτάται από τη θερμοκρασία και μη γραμμικά. Δηλαδή, η θέρμανση του από είκοσι έως τριάντα βαθμούς θα απαιτήσει διαφορετική ποσότητα ενέργειας από ό,τι, ας πούμε, από εκατόν πενήντα έως εκατόν εξήντα.
Για κάθε ενέργεια που περιλαμβάνει θέρμανση νερού, αυτό θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη, ειδικά αν μιλάμε για μεγάλους όγκους. Η θερμοχωρητικότητα του ατμού, όπως και πολλές από τις ιδιότητές του, εξαρτάται από την πίεση. Στην ίδια θερμοκρασία με υγρή κατάσταση, το αέριο έχει σχεδόν τέσσερις φορές μικρότερη θερμοχωρητικότητα.
Παραπάνω δώσαμε πολλά παραδείγματα για το γιατί είναι απαραίτητο να ζεσταθεί το νερό και πώς είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη το μέγεθος της θερμικής ικανότητας. Ωστόσο, δεν σας έχουμε πει ακόμη ότι ανάμεσα σε όλους τους διαθέσιμους πόρους του πλανήτη, αυτό το υγρό έχει αρκετό Υψηλού βαθμούκόστος ενέργειας για θέρμανση. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται συχνά για ψύξη.
Δεδομένου ότι η θερμική ικανότητα του νερού είναι υψηλή, θα απορροφήσει αποτελεσματικά και γρήγορα την περίσσεια ενέργειας. Αυτό χρησιμοποιείται στην παραγωγή, σε εξοπλισμό υψηλής τεχνολογίας (για παράδειγμα, σε λέιζερ). Και στο σπίτι ίσως το γνωρίζουμε περισσότερο αποτελεσματική μέθοδοςδροσερά βραστά αυγά ή ένα ζεστό τηγάνι - ξεπλύνετε κάτω από κρύα βρύση.
Και η αρχή λειτουργίας των ατομικών πυρηνικών αντιδραστήρων βασίζεται γενικά στην υψηλή θερμική ικανότητα του νερού. Η καυτή ζώνη, όπως υποδηλώνει το όνομα, έχει απίστευτα υψηλή θερμοκρασία. Με τη θέρμανση μόνο του, το νερό ψύχει το σύστημα, εμποδίζοντας την αντίδραση να βγει εκτός ελέγχου. Έτσι, λαμβάνουμε την απαραίτητη ηλεκτρική ενέργεια (θερμασμένος ατμός περιστρέφει τις τουρμπίνες) και δεν συμβαίνει καμία καταστροφή.
Το νερό είναι ένα από τα πιο καταπληκτικές ουσίες. Παρά την ευρεία και διαδεδομένη χρήση του, είναι ένα πραγματικό μυστήριο της φύσης. Όντας μία από τις ενώσεις οξυγόνου, το νερό, όπως φαίνεται, θα πρέπει να έχει πολύ χαμηλά χαρακτηριστικά όπως πάγωμα, θερμότητα εξάτμισης κ.λπ. Αλλά αυτό δεν συμβαίνει. Η θερμοχωρητικότητα του νερού από μόνη της είναι, παρά τα πάντα, εξαιρετικά υψηλή.
Το νερό μπορεί να απορροφήσει μεγάλο ποσόθερμότητα, ενώ πρακτικά δεν θερμαίνεται - αυτό είναι δικό του φυσικό χαρακτηριστικό. Το νερό είναι περίπου πέντε φορές υψηλότερο από τη θερμοχωρητικότητα της άμμου και δέκα φορές υψηλότερο από αυτό του σιδήρου. Επομένως, το νερό είναι ένα φυσικό ψυκτικό υγρό. Η ικανότητά του να συσσωρεύεται ένας μεγάλος αριθμός απόΗ ενέργεια καθιστά δυνατή την εξομάλυνση των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας στην επιφάνεια της Γης και τη ρύθμιση του θερμικού καθεστώτος σε ολόκληρο τον πλανήτη, και αυτό συμβαίνει ανεξάρτητα από την εποχή του χρόνου.
Αυτό μοναδική ιδιοκτησίαΤο νερό του επιτρέπει να χρησιμοποιείται ως ψυκτικό στη βιομηχανία και στο σπίτι. Επιπλέον, το νερό είναι μια ευρέως διαθέσιμη και σχετικά φθηνή πρώτη ύλη.
Τι σημαίνει θερμοχωρητικότητα; Όπως είναι γνωστό από την πορεία της θερμοδυναμικής, η μεταφορά θερμότητας γίνεται πάντα από ένα θερμό σε ένα ψυχρό σώμα. Σε αυτή την περίπτωση, μιλάμε για μεταφορά μιας ορισμένης ποσότητας θερμότητας και η θερμοκρασία και των δύο σωμάτων, ως χαρακτηριστικό της κατάστασής τους, δείχνει την κατεύθυνση αυτής της ανταλλαγής. Στη διαδικασία ενός μεταλλικού σώματος με νερό ίσης μάζας στις ίδιες αρχικές θερμοκρασίες, το μέταλλο αλλάζει τη θερμοκρασία του πολλές φορές περισσότερο από το νερό.
Αν πάρουμε ως αξίωμα τη βασική δήλωση της θερμοδυναμικής - δύο σωμάτων (απομονωμένων από τα άλλα), κατά την ανταλλαγή θερμότητας το ένα εκπέμπει και το άλλο δέχεται ίση ποσότητα θερμότητας, τότε γίνεται σαφές ότι το μέταλλο και το νερό έχουν εντελώς διαφορετική θερμότητα. ικανότητες.
Έτσι, η θερμοχωρητικότητα του νερού (καθώς και οποιασδήποτε ουσίας) είναι ένας δείκτης που χαρακτηρίζει την ικανότητα μιας δεδομένης ουσίας να δίνει (ή να λαμβάνει) κάτι κατά την ψύξη (θέρμανση) ανά μονάδα θερμοκρασίας.
Η ειδική θερμοχωρητικότητα μιας ουσίας είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση μιας μονάδας αυτής της ουσίας (1 κιλό) κατά 1 βαθμό.
Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται ή απορροφάται από ένα σώμα είναι ίση με το γινόμενο της ειδικής θερμοχωρητικότητας, της διαφοράς μάζας και θερμοκρασίας. Μετριέται σε θερμίδες. Μία θερμίδα είναι ακριβώς η ποσότητα θερμότητας που είναι αρκετή για να θερμάνει 1 g νερού κατά 1 βαθμό. Για σύγκριση: η ειδική θερμοχωρητικότητα του αέρα είναι 0,24 cal/g ∙°C, αλουμίνιο - 0,22, σίδηρος - 0,11, υδράργυρος - 0,03.
Η θερμοχωρητικότητα του νερού δεν είναι σταθερή. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται από 0 στους 40 βαθμούς, μειώνεται ελαφρά (από 1,0074 σε 0,9980), ενώ για όλες τις άλλες ουσίες αυτό το χαρακτηριστικό αυξάνεται κατά τη θέρμανση. Επιπλέον, μπορεί να μειωθεί με την αύξηση της πίεσης (στο βάθος).
Όπως γνωρίζετε, το νερό έχει τρία κατάσταση συνάθροισης- υγρό, στερεό (πάγος) και αέριο (ατμός). Ταυτόχρονα, η ειδική θερμοχωρητικότητα του πάγου είναι περίπου 2 φορές μικρότερη από αυτή του νερού. Αυτή είναι η κύρια διαφορά μεταξύ του νερού και άλλων ουσιών, των οποίων η ειδική θερμοχωρητικότητα δεν αλλάζει στη στερεή και τηγμένη κατάσταση. Ποιο είναι το μυστικό;
Το γεγονός είναι ότι ο πάγος έχει μια κρυσταλλική δομή, η οποία δεν καταρρέει αμέσως όταν θερμαίνεται. Το νερό περιέχει μικρά σωματίδια πάγου που αποτελούνται από πολλά μόρια που ονομάζονται συνεργάτες. Όταν το νερό θερμαίνεται, μέρος του δαπανάται για την καταστροφή δεσμών υδρογόνου σε αυτούς τους σχηματισμούς. Αυτό εξηγεί την ασυνήθιστα υψηλή θερμοχωρητικότητα του νερού. Οι δεσμοί μεταξύ των μορίων του καταστρέφονται εντελώς μόνο όταν το νερό μετατρέπεται σε ατμό.
Η ειδική θερμοχωρητικότητα σε θερμοκρασία 100° C δεν διαφέρει σχεδόν καθόλου από αυτή του πάγου στους 0° C. Αυτό επιβεβαιώνει για άλλη μια φορά την ορθότητα αυτής της εξήγησης. Η θερμοχωρητικότητα του ατμού, όπως και η θερμοχωρητικότητα του πάγου, είναι επί του παρόντος πολύ καλύτερα μελετημένη από το νερό, για το οποίο οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη καταλήξει σε συναίνεση.
Ο πίνακας δείχνει τις θερμοφυσικές ιδιότητες των υδρατμών στη γραμμή κορεσμού ανάλογα με τη θερμοκρασία. Οι ιδιότητες του ατμού δίνονται στον πίνακα στο εύρος θερμοκρασίας από 0,01 έως 370°C.
Κάθε θερμοκρασία αντιστοιχεί στην πίεση στην οποία οι υδρατμοί βρίσκονται σε κατάσταση κορεσμού. Για παράδειγμα, σε θερμοκρασία υδρατμών 200°C, η πίεσή του θα είναι 1,555 MPa ή περίπου 15,3 atm.
Η ειδική θερμοχωρητικότητα του ατμού, η θερμική αγωγιμότητα και ο ατμός αυξάνονται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Η πυκνότητα των υδρατμών αυξάνεται επίσης. Οι υδρατμοί γίνονται ζεστοί, βαρείς και παχύρρευστοι, με υψηλή ειδική θερμοχωρητικότητα, γεγονός που έχει θετική επίδραση στην επιλογή του ατμού ως ψυκτικού σε ορισμένους τύπους εναλλάκτη θερμότητας.
Για παράδειγμα, σύμφωνα με τον πίνακα, η ειδική θερμοχωρητικότητα των υδρατμών Γ σελσε θερμοκρασία 20°C είναι 1877 J/(kg deg), και όταν θερμαίνεται στους 370°C, η θερμική ικανότητα του ατμού αυξάνεται σε μια τιμή 56520 J/(kg deg).
Ο πίνακας δείχνει τις ακόλουθες θερμοφυσικές ιδιότητες των υδρατμών στη γραμμή κορεσμού:
- πίεση ατμών σε καθορισμένη θερμοκρασία σ·10 -5, Pa;
- πυκνότητα ατμών ρ″ , kg/m 3 ;
- ειδική (μαζική) ενθαλπία h″, kJ/kg;
- r, kJ/kg;
- ειδική θερμοχωρητικότητα του ατμού Γ σελ, kJ/(kg deg);
- συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας λ·10 2, W/(m deg);
- συντελεστής θερμικής διάχυσης α·10 6 m 2/s;
- δυναμικό ιξώδες μ·10 6, Pa·s;
- κινηματικό ιξώδες ν·10 6 m 2/s;
- Αριθμός Prandtl Πρ.
Η ειδική θερμότητα της εξάτμισης, η ενθαλπία, η θερμική διάχυση και το κινηματικό ιξώδες των υδρατμών μειώνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Το δυναμικό ιξώδες και ο αριθμός Prandtl του ατμού αυξάνονται.
Πρόσεχε! Η θερμική αγωγιμότητα στον πίνακα υποδεικνύεται στην ισχύ 10 2. Μην ξεχάσετε να διαιρέσετε με το 100! Για παράδειγμα, η θερμική αγωγιμότητα του ατμού σε θερμοκρασία 100°C είναι 0,02372 W/(m deg).
Θερμική αγωγιμότητα υδρατμών σε διάφορες θερμοκρασίες και πιέσεις
Ο πίνακας δείχνει τις τιμές θερμικής αγωγιμότητας του νερού και των υδρατμών σε θερμοκρασίες από 0 έως 700°C και πίεση από 0,1 έως 500 atm. Διάσταση θερμικής αγωγιμότητας W/(m deg).
Η γραμμή κάτω από τις τιμές στον πίνακα σημαίνει τη μετάβαση φάσης του νερού σε ατμό, δηλαδή οι αριθμοί κάτω από τη γραμμή αναφέρονται στον ατμό και αυτοί που βρίσκονται πάνω από αυτήν αναφέρονται στο νερό. Σύμφωνα με τον πίνακα, φαίνεται ότι η τιμή του συντελεστή και των υδρατμών αυξάνεται καθώς αυξάνεται η πίεση.
Σημείωση: η θερμική αγωγιμότητα στον πίνακα υποδεικνύεται σε ισχύ 10 3. Μην ξεχάσετε να διαιρέσετε με το 1000!
Θερμική αγωγιμότητα υδρατμών σε υψηλές θερμοκρασίες
Ο πίνακας δείχνει τις τιμές θερμικής αγωγιμότητας των διασπασμένων υδρατμών στη διάσταση W/(m deg) σε θερμοκρασίες από 1400 έως 6000 K και πίεση από 0,1 έως 100 atm.
Σύμφωνα με τον πίνακα, η θερμική αγωγιμότητα των υδρατμών στο υψηλές θερμοκρασίεςαυξάνεται αισθητά στην περιοχή των 3000...5000 Κ. Ατ υψηλές αξίεςπίεση, ο μέγιστος συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας επιτυγχάνεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
Πρόσεχε! Η θερμική αγωγιμότητα στον πίνακα υποδεικνύεται στην ισχύ 10 3. Μην ξεχάσετε να διαιρέσετε με το 1000!