Specifični toplotni kapacitet hladne vode. Podsjećamo fiziku - koliki je toplinski kapacitet vode

U ovom kratkom materijalu ukratko ćemo razmotriti jedno od najvažnijih svojstava vode za našu planetu, njeno Toplotni kapacitet.

Specifični toplotni kapacitet vode

Hajde da ukratko protumačimo ovaj termin:

Toplotni kapacitet supstanca je njena sposobnost da akumulira toplotu u sebi. Ova vrijednost se mjeri količinom topline koju apsorbira kada se zagrije za 1 °C. Na primjer, toplinski kapacitet vode je 1 cal/g, odnosno 4,2 J/g, a tla - na 14,5-15,5 ° C (ovisno o vrsti tla) kreće se od 0,5 do 0,6 cal (2,1-2,5 J). ) po jedinici zapremine i od 0,2 do 0,5 cal (ili 0,8-2,1 J) po jedinici mase (grama).

Toplotni kapacitet vode ima značajan uticaj na mnoge aspekte našeg života, ali u ovom materijalu ćemo se fokusirati na njenu ulogu u oblikovanju temperaturnog režima naše planete, odnosno...

Toplotni kapacitet vode i Zemljina klima

Toplotni kapacitet voda u svojoj apsolutnoj vrijednosti je prilično velika. Iz gornje definicije vidimo da značajno premašuje toplinski kapacitet tla naše planete. Zbog ove razlike u toplotnim kapacitetima, tlo se, u poređenju sa vodama svetskog okeana, mnogo brže zagreva i, shodno tome, brže hladi. Zahvaljujući inertnijem svjetskom okeanu, fluktuacije u dnevnim i sezonskim temperaturama Zemlje nisu tako velike kao što bi bile u odsustvu okeana i mora. Odnosno, u hladnoj sezoni voda zagrijava Zemlju, a u toploj sezoni hladi. Naravno, ovaj uticaj je najizraženiji u obalnim područjima, ali u globalnom proseku utiče na celu planetu.

Naravno, na oscilacije dnevnih i sezonskih temperatura utiču mnogi faktori, ali voda je jedan od najvažnijih.

Povećanje amplitude kolebanja dnevnih i sezonskih temperatura radikalno bi promijenilo svijet oko nas.

Na primjer, dobro poznata činjenica je da kamen gubi snagu i postaje lomljiv prilikom oštrih temperaturnih fluktuacija. Očigledno, i sami bismo bili “nešto” drugačiji. Barem bi fizički parametri našeg tijela bili potpuno drugačiji.

Anomalna svojstva toplotnog kapaciteta vode

Toplotni kapacitet vode ima anomalna svojstva. Ispada da s povećanjem temperature vode, njen toplinski kapacitet se smanjuje, ova dinamika traje do 37 ° C, s daljnjim povećanjem temperature toplinski kapacitet počinje rasti.

Ova činjenica sadrži jednu zanimljivu izjavu. Relativno govoreći, sama priroda, predstavljena Vodom, odredila je 37°C kao najugodniju temperaturu za ljudsko tijelo, naravno pod uslovom da se poštuju svi ostali faktori. Sa bilo kojom dinamikom promjene temperature okoline, temperatura vode teži 37°C.

Entalpija je svojstvo materije koje ukazuje na količinu energije koja se može pretvoriti u toplinu.

Entalpija je termodinamičko svojstvo tvari koje ukazuje nivo energije pohranjene u svojoj molekularnoj strukturi. To znači da iako materija može imati energiju zasnovanu na , ne može se sva pretvoriti u toplinu. Dio unutrašnje energije uvek ostaje u materiji i održava svoju molekularnu strukturu. Dio tvari je nedostupan kada se njegova temperatura približi temperaturi okoline. dakle, entalpija je količina energije koja je dostupna za pretvorbu u toplinu pri datoj temperaturi i pritisku. Entalpijske jedinice- Britanska termalna jedinica ili džul za energiju i Btu/lbm ili J/kg za specifičnu energiju.

Količina entalpije

Količina entalpije materije na osnovu zadate temperature. Zadata temperatura je vrijednost koju su naučnici i inženjeri odabrali kao osnovu za proračune. Ovo je temperatura na kojoj je entalpija supstance nula J. Drugim riječima, supstanca nema raspoloživu energiju koja se može pretvoriti u toplinu. Ova temperatura je različita za različite supstance. Na primjer, ova temperatura vode je trostruka tačka (0°C), dušika je -150°C, a rashladnih sredstava na bazi metana i etana su -40°C.

Ako je temperatura tvari iznad zadane temperature ili promijeni stanje u plinovito na datoj temperaturi, entalpija se izražava kao pozitivan broj. Suprotno tome, na temperaturi ispod date entalpije tvari izražava se kao negativan broj. Entalpija se koristi u proračunima za određivanje razlike u nivoima energije između dva stanja. Ovo je neophodno za postavljanje opreme i utvrđivanje blagotvornog efekta procesa.

entalpijačesto definisan kao ukupna energija materije, budući da je jednak zbiru njegove unutrašnje energije (u) u datom stanju, zajedno sa njegovom sposobnošću da obavlja rad (pv). Ali u stvarnosti, entalpija ne označava ukupnu energiju supstance na datoj temperaturi iznad apsolutne nule (-273°C). Stoga, umjesto definisanja entalpija kao ukupnu toplotu neke supstance, preciznije definisati kao ukupnu količinu raspoložive energije supstance koja se može pretvoriti u toplotu.
H=U+pV

Danas ćemo govoriti o tome šta je toplinski kapacitet (uključujući vodu), koje su to vrste i gdje se koristi ovaj fizički izraz. Također ćemo pokazati koliko je ova vrijednost korisna za vodu i paru, zašto je trebate znati i kako utiče na naš svakodnevni život.

Koncept toplotnog kapaciteta

Ova fizička veličina se toliko često koristi u okolnom svijetu i nauci da je prije svega potrebno govoriti o njoj. Prva definicija će zahtijevati od čitaoca da ima određenu spremnost, barem u razlikama. Dakle, toplinski kapacitet tijela je u fizici definiran kao omjer prirasta beskonačno male količine topline i odgovarajuće beskonačno male količine temperature.

Količina toplote

Na ovaj ili onaj način, gotovo svi razumiju šta je temperatura. Podsjetimo da "količina topline" nije samo fraza, već termin koji označava energiju koju tijelo gubi ili dobiva u zamjeni sa okolinom. Ova vrijednost se mjeri u kalorijama. Ova jedinica je poznata svim ženama koje su na dijetama. Drage dame, sada znate šta gori na traci za trčanje i čemu je jednak svaki pojedeni komad hrane (ili ostavljen na tanjiru). Dakle, svako tijelo čija se temperatura mijenja doživljava povećanje ili smanjenje količine topline. Odnos ovih količina je toplotni kapacitet.

Primena toplotnog kapaciteta

Međutim, rigorozna definicija fizičkog koncepta koji razmatramo rijetko se koristi sama po sebi. Gore smo rekli da se vrlo često koristi u svakodnevnom životu. Oni koji nisu voljeli fiziku u školi sada su vjerovatno zbunjeni. A mi ćemo podići veo tajne i reći vam da se topla (pa čak i hladna) voda u slavini i u cijevima za grijanje pojavljuje samo zahvaljujući proračunima toplotnog kapaciteta.

Ovu vrijednost uzimaju u obzir i vremenski uvjeti, koji određuju da li je već moguće otvoriti kupališnu sezonu ili se za sada isplati ostati na obali. Ovi proračuni utiču na svaki uređaj povezan sa grijanjem ili hlađenjem (hladnjak ulja, frižider), svi troškovi energije za pripremu hrane (na primjer, u kafiću) ili ulični meki sladoled. Kao što možete razumjeti, govorimo o takvoj količini kao što je toplinski kapacitet vode. Bilo bi glupo pretpostaviti da to rade prodavači i obični potrošači, ali inženjeri, dizajneri, proizvođači su sve uzeli u obzir i uložili odgovarajuće parametre u kućanske aparate. Međutim, proračuni toplotnog kapaciteta se koriste mnogo šire: u hidrauličkim turbinama i proizvodnji cementa, u ispitivanju legura za avione ili železničke vozove, u građevinarstvu, topljenju i hlađenju. Čak se i istraživanje svemira zasniva na formulama koje sadrže ovu vrijednost.

Vrste toplotnog kapaciteta

Dakle, u svim praktičnim primjenama koristi se relativni ili specifični toplinski kapacitet. Definiše se kao količina toplote (bez beskonačno malih, imajte na umu) potrebna da se jedinična količina materije podigne za jedan stepen. Stupnjevi na ljestvici Kelvina i Celzijusa se poklapaju, ali u fizici je uobičajeno zvati ovu vrijednost u prvim jedinicama. U zavisnosti od toga kako se izražava jedinica količine neke supstance, razlikuju se maseni, zapreminski i molarni specifični toplotni kapaciteti. Podsjetimo da je jedan mol tolika količina tvari koja sadrži otprilike šest puta deset do dvadeset i treći stepen molekula. Ovisno o zadatku, koristi se odgovarajući toplinski kapacitet, njihova oznaka u fizici je različita. Maseni toplotni kapacitet se označava kao C i izražava se u J/kg*K, zapremina - C` (J/m3*K), molarna - C μ (J/mol*K).

Idealan gas

Ako se rješava problem idealnog plina, onda je izraz za njega drugačiji. Podsjetimo da u ovoj supstanci koja u stvarnosti ne postoji, atomi (ili molekuli) ne stupaju u interakciju jedni s drugima. Ova kvaliteta radikalno mijenja sva svojstva idealnog plina. Stoga tradicionalni pristupi proračunima neće dati željeni rezultat. Idealan plin je potreban kao model za opisivanje elektrona u metalu, na primjer. Njegov toplinski kapacitet se definira kao broj stupnjeva slobode čestica od kojih se sastoji.

Stanje agregacije

Čini se da su za supstancu sve fizičke karakteristike iste u svim uslovima. Ali nije. Pri prelasku u drugo agregatno stanje (tokom topljenja i smrzavanja leda, prilikom isparavanja ili skrućivanja rastopljenog aluminijuma) ova vrijednost se naglo mijenja. Dakle, toplotni kapacitet vode i vodene pare su različiti. Kao što ćemo vidjeti u nastavku, značajno. Ova razlika uvelike utiče na upotrebu i tečnih i gasovitih sastojaka ove supstance.

Grijanje i toplinski kapacitet

Kao što je čitatelj već primijetio, najčešće se u stvarnom svijetu pojavljuje toplinski kapacitet vode. To je izvor života, bez nje naše postojanje je nemoguće. Treba joj osoba. Stoga je, od davnina do danas, zadatak isporuke vode u domove i industrije ili polja uvijek bio izazov. Dobro za one zemlje koje imaju pozitivnu temperaturu tokom cijele godine. Stari Rimljani su gradili akvadukte kako bi opskrbili svoje gradove ovim vrijednim resursom. Ali tamo gdje je zima, ova metoda ne bi uspjela. Led, kao što znate, ima veću specifičnu zapreminu od vode. To znači da, smrzavajući se u cijevima, uništava ih zbog ekspanzije. Stoga je izazov za inženjere centralnog grijanja i dostavu tople i hladne vode u domove kako to izbjeći.

Toplinski kapacitet vode, uzimajući u obzir dužinu cijevi, dat će potrebnu temperaturu na koju se kotlovi moraju zagrijati. Međutim, naše zime su veoma hladne. A na sto stepeni Celzijusa već dolazi do ključanja. U ovoj situaciji u pomoć dolazi specifični toplinski kapacitet vodene pare. Kao što je gore navedeno, stanje agregacije mijenja ovu vrijednost. Pa, u kotlovima koji dovode toplotu u naše domove postoji jako pregrijana para. Zbog visoke temperature stvara nevjerovatan pritisak, pa kotlovi i cijevi koje vode do njih moraju biti vrlo čvrste. U ovom slučaju, čak i mala rupa, vrlo malo curenje može dovesti do eksplozije. Toplotni kapacitet vode zavisi od temperature, i to nelinearno. Odnosno, da bi se zagrijao od dvadeset do trideset stepeni, bit će potrebna druga količina energije od, recimo, od sto pedeset do sto šezdeset.

Kod svake radnje koja utiče na zagrijavanje vode, to treba uzeti u obzir, posebno kada su u pitanju velike količine. Toplotni kapacitet pare, kao i mnoga njena svojstva, zavisi od pritiska. Na istoj temperaturi kao i tečno stanje, gasovito stanje ima skoro četiri puta manji toplotni kapacitet.

Iznad smo naveli mnogo primjera zašto je potrebno grijati vodu i kako je potrebno voditi računa o vrijednosti toplinskog kapaciteta. Međutim, još nismo rekli da, među svim raspoloživim resursima planete, ova tekućina ima prilično visoku stopu potrošnje energije za grijanje. Ovo svojstvo se često koristi za hlađenje.

Budući da je toplotni kapacitet vode visok, ona će efikasno i brzo odnijeti višak energije. Ovo se koristi u industriji, u visokotehnološkoj opremi (na primjer, u laserima). A kod kuće vjerovatno znamo da je najefikasniji način za hlađenje tvrdo kuhanih jaja ili vrućeg tiganja ispiranje pod hladnom vodom iz slavine.

A princip rada atomskih nuklearnih reaktora općenito se temelji na visokom toplinskom kapacitetu vode. Vruća zona, kao što samo ime govori, ima nevjerovatno visoku temperaturu. Samim zagrevanjem voda hladi sistem, sprečavajući da reakcija izmakne kontroli. Tako dobijamo potrebnu električnu energiju (zagrijana para rotira turbine) i nema katastrofe.

U tabeli su prikazana termofizička svojstva vodene pare na liniji zasićenja u zavisnosti od temperature. Svojstva pare su data u tabeli u temperaturnom opsegu od 0,01 do 370°C.

Svaka temperatura odgovara pritisku pri kojem je vodena para u stanju zasićenja. Na primjer, pri temperaturi vodene pare od 200°C, njen pritisak će biti 1,555 MPa, ili oko 15,3 atm.

Specifični toplotni kapacitet pare, toplotna provodljivost i njeno povećanje sa porastom temperature. Povećava se i gustina vodene pare. Vodena para postaje vruća, teška i viskozna, sa visokim specifičnim toplotnim kapacitetom, što pozitivno utiče na izbor pare kao nosača toplote u nekim tipovima izmenjivača toplote.

Na primjer, prema tabeli, specifična toplina vodene pare Cp na temperaturi od 20°C jednaka je 1877 J/(kg deg), a kada se zagreje na 370°C, toplotni kapacitet pare raste na vrednost od 56520 J/(kg deg).

Tabela daje sljedeća termofizička svojstva vodene pare na liniji zasićenja:

• pritisak pare na određenoj temperaturi str. 10 -5, Pa;
• gustina pare ρ″ , kg/m 3;
• specifična (masena) entalpija h″, kJ/kg;
• r, kJ/kg;
• specifični toplotni kapacitet pare Cp, kJ/(kg deg);
• koeficijent toplotne provodljivosti λ 10 2, W/(m stepeni);
• termička difuzivnost a 10 6, m2/s;
• dinamički viskozitet μ 10 6, Pa s;
• kinematička viskoznost v 10 6, m2/s;
• Prandtl broj Pr.

Specifična toplota isparavanja, entalpija, toplotna difuzivnost i kinematička viskoznost vodene pare opadaju sa povećanjem temperature. Dinamički viskozitet i Prandtlov broj pare se u ovom slučaju povećavaju.

Budi pazljiv! Toplotna provodljivost u tabeli data je na stepen 10 2 . Ne zaboravite podijeliti sa 100! Na primjer, toplotna provodljivost pare na temperaturi od 100°C je 0,02372 W/(m deg).

Toplotna provodljivost vodene pare pri različitim temperaturama i pritiscima

U tabeli su prikazane vrijednosti toplinske provodljivosti vode i pare pri temperaturama od 0 do 700°C i tlaku od 0,1 do 500 atm. Jedinica toplotne provodljivosti je W/(m deg).

Crta ispod vrijednosti u tabeli označava fazni prijelaz vode u paru, odnosno brojevi ispod crte odnose se na paru, a iznad nje na vodu. Prema tabeli, može se vidjeti da vrijednost koeficijenta i vodene pare raste sa povećanjem pritiska.

Napomena: toplotna provodljivost u tabeli data je na stepen 10 3 . Ne zaboravite podijeliti sa 1000!

Toplotna provodljivost vodene pare na visokim temperaturama

U tabeli su prikazane vrijednosti toplinske provodljivosti disocirane vodene pare u W/(m deg) na temperaturama od 1400 do 6000 K i pritiscima od 0,1 do 100 atm.

Prema tabeli, toplotna provodljivost vodene pare na visokim temperaturama primetno raste u rasponu od 3000 ... 5000 K. Pri visokim pritiscima, maksimalni koeficijent toplotne provodljivosti postiže se na višim temperaturama.

Budi pazljiv! Toplotna provodljivost u tabeli data je na stepen 10 3 . Ne zaboravite podijeliti sa 1000!

Voda je jedna od najneverovatnijih supstanci. Unatoč širokoj rasprostranjenosti i širokoj upotrebi, prava je misterija prirode. Budući da je jedna od jedinjenja kiseonika, čini se da voda treba da ima veoma niske karakteristike kao što su smrzavanje, toplota isparavanja, itd. Ali to se ne dešava. Toplotni kapacitet same vode, uprkos svemu, izuzetno je visok.

Voda je u stanju apsorbirati ogromnu količinu topline, a sama se praktički ne zagrijava - to je njena fizička karakteristika. voda je oko pet puta veća od toplotnog kapaciteta peska i deset puta veća od gvožđa. Stoga je voda prirodno rashladno sredstvo. Njegova sposobnost da akumulira veliku količinu energije omogućava izglađivanje temperaturnih fluktuacija na površini Zemlje i reguliranje toplinskog režima na cijeloj planeti, a to se dešava bez obzira na doba godine.

Ovo jedinstveno svojstvo vode omogućava da se koristi kao rashladno sredstvo u industriji i kod kuće. Osim toga, voda je široko dostupna i relativno jeftina sirovina.

Šta se podrazumeva pod toplotnim kapacitetom? Kao što je poznato iz kursa termodinamike, prenos toplote se uvek dešava sa toplog na hladno telo. U ovom slučaju govorimo o prijelazu određene količine topline, a temperatura oba tijela, kao karakteristika njihovog stanja, pokazuje smjer te izmjene. U procesu metalnog tijela s vodom jednake mase na istim početnim temperaturama, metal mijenja svoju temperaturu nekoliko puta više od vode.

Ako kao postulat uzmemo glavnu tvrdnju termodinamike - iz dva tijela (izolovana od drugih), prilikom razmjene topline, jedno odaje, a drugo prima jednaku količinu topline, onda postaje jasno da metal i voda imaju potpuno različitu toplinu kapaciteti.

Dakle, toplotni kapacitet vode (kao i bilo koje supstance) je pokazatelj koji karakteriše sposobnost date supstance da da (ili primi) nešto tokom hlađenja (zagrevanja) po jedinici temperature.

Specifični toplinski kapacitet tvari je količina topline potrebna za zagrijavanje jedinice ove tvari (1 kilogram) za 1 stepen.

Količina topline koju tijelo oslobađa ili apsorbira jednaka je proizvodu specifičnog toplinskog kapaciteta, mase i temperaturne razlike. Mjeri se u kalorijama. Jedna kalorija je tačno ona količina toplote koja je dovoljna da se 1 g vode zagreje za 1 stepen. Poređenja radi: specifični toplotni kapacitet vazduha je 0,24 cal/g ∙°C, aluminijuma 0,22, gvožđa 0,11, a žive 0,03.

Toplotni kapacitet vode nije konstantan. Sa povećanjem temperature od 0 do 40 stepeni, ona se blago smanjuje (sa 1,0074 na 0,9980), dok se za sve ostale supstance ova karakteristika povećava tokom zagrijavanja. Osim toga, može se smanjiti s povećanjem pritiska (na dubini).

Kao što znate, voda ima tri agregatna stanja - tečno, čvrsto (led) i gasovito (para). U isto vrijeme, specifični toplinski kapacitet leda je otprilike 2 puta manji od kapaciteta vode. To je glavna razlika između vode i drugih tvari čiji se specifični toplinski kapacitet u čvrstom i rastopljenom stanju ne mijenja. Šta je tu tajna?

Činjenica je da led ima kristalnu strukturu, koja se ne ruši odmah kada se zagrije. Voda sadrži male čestice leda, koje se sastoje od nekoliko molekula i nazivaju se saradnicima. Kada se voda zagrije, dio se troši na uništavanje vodikovih veza u tim formacijama. To objašnjava neobično visok toplinski kapacitet vode. Veze između njegovih molekula potpuno su uništene tek kada voda pređe u paru.

Specifični toplotni kapacitet na temperaturi od 100°C gotovo da se ne razlikuje od onog kod leda na 0°C, što još jednom potvrđuje ispravnost ovog objašnjenja. Toplotni kapacitet pare, poput toplotnog kapaciteta leda, sada je mnogo bolje shvaćen od toplotnog kapaciteta vode, o čemu naučnici još nisu došli do konsenzusa.