Pojemność cieplna wody i pary. Definicja i zastosowanie

Dzisiaj porozmawiamy o tym, czym jest pojemność cieplna (w tym woda), jakie to jest i gdzie to pojęcie fizyczne jest używane. Pokażemy także, jak użyteczna jest ta wartość dla wody i pary, dlaczego powinniśmy ją znać i jak wpływa ona na nasze codzienne życie.

Pojęcie pojemności cieplnej

Ta ilość fizyczna jest tak często używana w świecie zewnętrznym i nauce, że najpierw trzeba o tym mówić. Pierwsza definicja wymaga pewnej gotowości od czytelnika, przynajmniej w zakresie różnic. Tak więc pojemność cieplna ciała jest zdefiniowana w fizyce jako stosunek przyrostów nieskończenie małej ilości ciepła do odpowiadającej mu, nieskończenie małej ilości temperatury.

Ilość ciepła

Jaka jest temperatura, rozumiem prawie wszystko. Przypomnij sobie, że "ilość ciepła" nie jest tylko frazą, ale terminem oznaczającym energię, którą ciało traci lub zyskuje, gdy jest wymieniana z otoczeniem. Ta ilość jest mierzona w kaloriach. Ta jednostka jest znana wszystkim kobietom, które są na diecie. Drogie panie, teraz wiesz, że palisz na bieżni i to, co zjedzony kawałek jedzenia (lub pozostawiany na talerzu) jest równy. Tak więc każdy organizm, którego zmiany temperatury doświadcza wzrostu lub spadku ilości ciepła. Stosunek tych ilości to pojemność cieplna.

Zastosowanie pojemności cieplnej

Jednak surowa definicja rozważanej koncepcji fizycznej rzadko jest używana sama przez się. Powyżej powiedzieliśmy, że jest bardzo często używany w życiu codziennym. Ci, którzy nie lubili fizyki w szkole, są teraz prawdopodobnie zakłopotani. Podniesiemy zasłonę tajemnicy i powiemy, że gorąca (i nawet zimna) woda w kranach i rurach grzewczych pojawia się tylko poprzez obliczenia pojemności cieplnej.

Warunki pogodowe, które decydują o tym, czy możliwe jest już otwarcie sezonu pływackiego lub gdy warto pozostać na wybrzeżu, również biorą tę wartość pod uwagę. Każde urządzenie związane z ogrzewaniem lub chłodzeniem (chłodnica oleju, lodówka), wszystkie koszty energii do gotowania (na przykład w kawiarni) lub uliczne miękkie lody mają wpływ na te obliczenia. Jak można zrozumieć, mówimy o takiej wartości, jak pojemność cieplna wody. Byłoby głupotą zakładać, że robią to sprzedawcy i zwykli konsumenci, ale inżynierowie, projektanci, producenci wzięli pod uwagę i zainwestowali odpowiednie parametry w sprzęty gospodarstwa domowego. Jednak obliczenia pojemności cieplnej są stosowane znacznie szerzej: w turbinach wodnych i produkcji cementu, w testowaniu stopów do samolotów lub pociągów, w budownictwie, wytopie, chłodzeniu. Nawet badania przestrzeni kosmicznej opierają się na formułach zawierających tę wartość.

Rodzaje pojemności cieplnej

Tak więc we wszystkich praktycznych zastosowaniach używają względnego lub ciepło właściwe. Jest zdefiniowany jako ilość ciepła (zauważ, nieskończenie małe ilości) wymagane do podgrzania jednostkowej ilości substancji o jeden stopień. Stopnie na skalach Kelvina i Celsjusza są takie same, ale w fizyce zwyczajowo nazywa się tę ilość w pierwszych jednostkach. W zależności od tego, w jaki sposób jest wyrażana jednostka ilości substancji, rozróżnia się masową, objętościową i molową pojemność cieplną właściwą. Przypomnij sobie, że jeden mol to ilość substancji, która zawiera około sześciu do dziesięciu do dwudziestego trzeciego stopnia cząsteczek. W zależności od zadania stosuje się odpowiednią pojemność cieplną, ich oznaczenie w fizyce jest inne. Masowa pojemność cieplna jest oznaczana jako C i jest wyrażona w J / kg * K, objętościowa - C "(J / m ³ * K), molowa - C ((J / mol * K).

Idealny gaz

Jeśli problem zostanie rozwiązany doskonały gaz wtedy dla niego wyrażenie jest inne. Przypomnijmy, że w substancji, która nie istnieje w rzeczywistości, atomy (lub cząsteczki) nie wchodzą ze sobą w interakcje. Ta jakość drastycznie zmienia wszelkie właściwości gazu doskonałego. Dlatego tradycyjne podejścia do obliczeń nie dadzą pożądanego rezultatu. Idealny gaz jest potrzebny jako model do opisywania elektronów w metalu, na przykład. Jego pojemność cieplna jest definiowana jako liczba stopni swobody cząstek, z których składa się.

Stan agregacji

Wydaje się, że dla każdej substancji wszystkie cechy fizyczne są takie same we wszystkich warunkach. Ale tak nie jest. Podczas przechodzenia do innego stanu skupienia (podczas topienia i zamrażania lodu, podczas odparowywania lub krzepnięcia stopionego aluminium) wartość ta zmienia się wraz z szarpnięciem. Zatem pojemność cieplna wody i pary wodnej jest różna. Jak zobaczymy poniżej, znacząco. Ta różnica silnie wpływa na użycie zarówno składników ciekłych, jak i gazowych tej substancji.

Ogrzewanie i pojemność cieplna

Jak już zauważył czytelnik, pojemność cieplna wody najczęściej pojawia się w realnym świecie. Jest źródłem życia, bez niego nasze istnienie jest niemożliwe. Ona potrzebuje mężczyzny. Dlatego też, od czasów starożytnych do czasów współczesnych, zawsze istniało zadanie dostarczania wody do domów i roślin lub pól. Dobre dla tych krajów, które mają dodatnią temperaturę przez cały rok. Starożytni Rzymianie budowali akwedukty, aby zaopatrywać swoje miasta w ten cenny zasób. Ale tam, gdzie jest zima, ta metoda nie pasuje. Wiadomo, że lód ma większą objętość właściwą niż woda. Oznacza to, że zamrażając rury, niszczy je w wyniku ekspansji. Tak więc inżynierowie centralnego ogrzewania i dostarczanie ciepłej i zimnej wody do ich domów stają przed zadaniem, jak tego uniknąć.

Pojemność cieplna wody, biorąc pod uwagę długość rur, zapewni wymaganą temperaturę, w której konieczne będzie ogrzanie kotłów. Jednak nasze zimy są bardzo zimne. A na sto stopni Celsjusza już gotuje się. W tej sytuacji na ratunek przychodzi specjalna pojemność cieplna. para wodna. Jak zauważono powyżej, stan skupienia zmienia tę wartość. Cóż, w kotłach, które ogrzewają nasze domy, jest bardzo przegrzana para. Ze względu na wysoką temperaturę, wytwarza niewiarygodne ciśnienie, dlatego kotły i prowadzące do nich rury muszą być bardzo trwałe. W takim przypadku nawet niewielki otwór, bardzo mały przeciek może doprowadzić do wybuchu. Pojemność cieplna wody zależy od temperatury i jest nieliniowa. Oznacza to, że podgrzewanie go z dwudziestu do trzydziestu stopni wymaga innej ilości energii niż, powiedzmy, od stu pięćdziesięciu do stu sześćdziesięciu.

W przypadku wszelkich działań, które mają wpływ na ogrzewanie wody, należy to wziąć pod uwagę, zwłaszcza w przypadku dużych ilości. Wydajność cieplna pary, podobnie jak wiele jej właściwości, zależy od ciśnienia. W tej samej temperaturze co stan ciekły, gaz ma prawie czterokrotnie mniejszą pojemność cieplną.

Chłodzenie wodą

Powyżej podajemy wiele przykładów, dlaczego konieczne jest podgrzanie wody i jak należy wziąć pod uwagę ilość ciepła. Jednak nie powiedzieliśmy jeszcze, że wśród wszystkich dostępnych zasobów planety ta ciecz ma dość wysoki wskaźnik zużycia energii do ogrzewania. Ta właściwość jest często używana do chłodzenia.

Ponieważ pojemność cieplna wody jest wysoka, skutecznie i szybko usunie nadmiar energii. Jest to wykorzystywane w produkcji, w urządzeniach high-tech (na przykład w laserach). Tak, w domu prawdopodobnie wiemy, że najskuteczniejszym sposobem schładzania gotowanych jaj lub gorącej patelni jest płukanie pod zimnym odczepieniem z kranu.

I zasada działania atomowego reaktory jądrowe generalnie zbudowany na wysokiej pojemności cieplnej wody. Gorąca strefa, jak sama nazwa wskazuje, ma niesamowicie wysoką temperaturę. Ogrzewając się, woda ochładza system, zapobiegając przestawaniu reakcji. Dostajemy więc niezbędną energię elektryczną (podgrzana para obraca turbiny) i nie ma katastrofy.