Värmekapacitet är förmågan att absorbera vissa mängder värme under uppvärmning eller avge när den kyls. En kropps värmekapacitet är förhållandet mellan en oändligt liten mängd värme som en kropp tar emot och motsvarande ökning av dess temperaturindikatorer. Värdet mäts i J/K. I praktiken används ett något annat värde - specifik värme.
Definition
Vad betyder specifik värme? Detta är en kvantitet relaterad till en enstaka mängd av ett ämne. Följaktligen kan mängden av ett ämne mätas i kubikmeter, kilogram eller till och med i mol. Vad beror det på? Inom fysiken beror värmekapaciteten direkt på vilken kvantitativ enhet den avser, vilket gör att de skiljer på molär, massa och volymetrisk värmekapacitet. I byggbranschen kommer du inte se molarmått, men du kommer att se andra hela tiden.
Vad påverkar den specifika värmekapaciteten?
Vad är värmekapacitet, du vet, men vilka värden som påverkar indikatorn är ännu inte klart. Värdet på specifik värmekapacitet påverkas direkt av flera komponenter:ämnestemperatur, tryck och andra termodynamiska egenskaper.
När temperaturen på en produkt ökar, ökar dess specifika värmekapacitet, men vissa ämnen uppvisar en helt icke-linjär kurva i detta förhållande. Till exempel, med en ökning av temperaturindikatorer från noll till trettiosju grader, börjar den specifika värmekapaciteten för vatten att minska, och om gränsen är mellan trettiosju och hundra grader, kommer indikatorn tvärtom att öka.
Det är värt att notera att parametern också beror på hur produktens termodynamiska egenskaper (tryck, volym och så vidare) tillåts ändras. Till exempel kommer den specifika värmen vid stabilt tryck och vid stabil volym att vara annorlunda.
Hur beräknar man parametern?
Är du intresserad av vad värmekapaciteten är? Beräkningsformeln är följande: C \u003d Q / (m ΔT). Vilka är dessa värden? Q är mängden värme som produkten får när den värms upp (eller frigörs av produkten under kylning). m är produktens massa och ΔT är skillnaden mellan produktens slutliga och initiala temperatur. Nedan finns en tabell över värmekapaciteten för vissa material.
Hur är det med värmekapacitetsberäkningen?
Att beräkna värmekapaciteten är ingen lätt uppgift, speciellt om man bara använder termodynamiska metoder är det omöjligt att göra det mer exakt. Därför använder fysiker metoderna för statistisk fysik eller kunskap om produkters mikrostruktur. Hur beräknar man för gas? Gasens värmekapacitetberäknas från beräkningen av medelenergin för termisk rörelse hos enskilda molekyler i ett ämne. Molekylernas rörelser kan vara av translations- och rotationstyp, och inuti en molekyl kan det finnas en hel atom eller vibration av atomer. Klassisk statistik säger att för varje frihetsgrad av rotations- och translationsrörelser finns det ett värde i gasens molära värmekapacitet, som är lika med R / 2, och för varje vibrationsfrihetsgrad är värdet lika med R. Denna regel kallas också för jämställdhetslagen.
Samtidigt skiljer sig en partikel av en monoatomisk gas endast med tre translationsgrader av frihet, och därför bör dess värmekapacitet vara lika med 3R/2, vilket stämmer utmärkt överens med experimentet. Varje diatomisk gasmolekyl har tre translations-, två rotations- och en vibrationsfrihetsgrader, vilket innebär att ekvipartitionslagen blir 7R/2, och erfarenheten har visat att värmekapaciteten för en mol av en diatomisk gas vid normal temperatur är 5R/ 2. Varför var det en sådan diskrepans i teorin? Allt beror på det faktum att när man fastställer värmekapaciteten kommer det att vara nödvändigt att ta hänsyn till olika kvanteffekter, med andra ord att använda kvantstatistik. Som du kan se är värmekapacitet ett ganska komplicerat koncept.
Kvantmekaniken säger att alla system av partiklar som oscillerar eller roterar, inklusive en gasmolekyl, kan ha vissa diskreta energivärden. Om energin från termisk rörelse i det installerade systemet är otillräcklig för att excitera svängningar med den erforderliga frekvensen, bidrar dessa svängningar inte tillsystemets värmekapacitet.
I fasta ämnen är atomernas termiska rörelse en svag oscillation nära vissa jämviktspositioner, detta gäller noderna i kristallgittret. En atom har tre vibrationsgrader av frihet och enligt lagen är den molära värmekapaciteten för ett fast ämne lika med 3nR, där n är antalet befintliga atomer i molekylen. I praktiken är detta värde gränsen till vilken kroppens värmekapacitet tenderar vid höga temperaturer. Värdet uppnås med normala temperaturförändringar i många grundämnen, detta gäller metaller, såväl som enkla föreningar. Värmekapaciteten hos bly och andra ämnen bestäms också.
Vad sägs om låga temperaturer?
Vi vet redan vad värmekapacitet är, men om vi pratar om låga temperaturer, hur ska värdet beräknas då? Om vi talar om lågtemperaturindikatorer, så visar sig värmekapaciteten hos en fast kropp då vara proportionell mot T 3 eller den så kallade Debye värmekapacitetslagen. Huvudkriteriet för att skilja höga temperaturer från låga är den vanliga jämförelsen av dem med en karakteristisk parameter för ett visst ämne - detta kan vara den karakteristiska eller Debye-temperaturen qD. Det presenterade värdet bestäms av vibrationsspektrumet för atomer i produkten och beror väsentligt på kristallstrukturen.
I metaller ger ledningselektroner ett visst bidrag till värmekapaciteten. Denna del av värmekapaciteten beräknas med hjälp avFermi-Dirac statistik, som tar hänsyn till elektroner. Den elektroniska värmekapaciteten hos en metall, som är proportionell mot den vanliga värmekapaciteten, är ett relativt litet värde, och den bidrar till metallens värmekapacitet endast vid temperaturer nära absolut noll. Då blir gittervärmekapaciteten mycket liten och kan försummas.
Massvärmekapacitet
Massspecifik värme är mängden värme som måste bringas till en massaenhet av ett ämne för att värma produkten per enhetstemperatur. Detta värde betecknas med bokstaven C och det mäts i joule dividerat med ett kilogram per kelvin - J / (kg K). Det här handlar om massvärmekapaciteten.
Vad är volymetrisk värmekapacitet?
Volym värmekapacitet är en viss mängd värme som måste läggas till en volymenhet av en produkt för att värma den per enhetstemperatur. Denna indikator mäts i joule dividerat med en kubikmeter per kelvin eller J / (m³ K). I många byggnadsreferensböcker är det den massaspecifika värmekapaciteten i arbetet som beaktas.
Praktisk tillämpning av värmekapacitet i byggbranschen
Många värmeintensiva material används aktivt vid konstruktion av värmebeständiga väggar. Detta är oerhört viktigt för hus som kännetecknas av periodisk uppvärmning. Till exempel ugn. Värmeintensiva produkter och väggar byggda av dem samlar perfekt värme, lagrar den under uppvärmningsperioder och avger gradvis värme efter avstängningsystem, vilket gör det möjligt att hålla en acceptabel temperatur under hela dagen.
Så, ju mer värme som lagras i strukturen, desto bekvämare och stabilare blir temperaturen i rummen.
Det är värt att notera att vanligt tegel och betong som används i bostadsbyggande har mycket lägre värmekapacitet än expanderad polystyren. Om vi tar ecowool är den tre gånger mer värmekrävande än betong. Det bör noteras att i formeln för beräkning av värmekapaciteten är det inte förgäves att det finns massa. På grund av den stora massan av betong eller tegel, i jämförelse med ecowool, tillåter den att ackumulera enorma mängder värme i stenväggarna i strukturer och jämna ut alla dagliga temperaturfluktuationer. Endast en liten massa isolering i alla stomhus är, trots den goda värmekapaciteten, det svagaste området för alla stomteknologier. För att lösa detta problem installeras imponerande värmeackumulatorer i alla hus. Vad det är? Dessa är strukturella delar som kännetecknas av en stor massa med ett ganska bra värmekapacitetsindex.
Exempel på värmeackumulatorer i livet
Vad kan det vara? Till exempel någon form av invändiga tegelväggar, en stor kamin eller öppen spis, betongunderlag.
Möbler i vilket hus eller lägenhet som helst är en utmärkt värmeackumulator, eftersom plywood, spånskivor och trä faktiskt bara kan lagra värme per kilogram vikt tre gånger mer än den ökända tegelstenen.
Finns det några nackdelar med värmeackumulatorer? Naturligtvis är den största nackdelen med detta tillvägagångssättdet faktum att värmeackumulatorn måste utformas vid skapandet av en ramhuslayout. Allt på grund av det faktum att det är väldigt tungt, och detta måste beaktas när du skapar grunden, och föreställ dig sedan hur detta objekt kommer att integreras i interiören. Det är värt att säga att det är nödvändigt att ta hänsyn till inte bara massan, det kommer att vara nödvändigt att utvärdera båda egenskaperna i arbetet: massa och värmekapacitet. Om du till exempel använder guld med en otrolig vikt på tjugo ton per kubikmeter som värmelager, så kommer produkten att fungera som den bara borde tjugotre procent bättre än en betongkub, som väger två och ett halvt ton.
Vilket ämne är bäst lämpat för värmelagring?
Den bästa produkten för en värmeackumulator är inte betong och tegel alls! Koppar, brons och järn gör ett bra jobb med detta, men de är väldigt tunga. Konstigt nog, men den bästa värmeackumulatorn är vatten! Vätskan har en imponerande värmekapacitet, den största bland de ämnen som finns tillgängliga för oss. Endast heliumgaser (5190 J / (kg K) och väte (14300 J / (kg K)) har mer värmekapacitet, men de är problematiska att tillämpa i praktiken. Om så önskas och behövs, se värmekapacitetstabellen över de ämnen du behöver.
