Toplotna kapaciteta vodne pare pri različnih temperaturah. Specifična toplotna kapaciteta vode ali zakaj smo takšni kot smo

Danes se bomo pogovarjali o tem, kaj je toplotna kapaciteta (vključno z vodo), katere vrste prihaja in kje se uporablja ta fizični izraz. Pokazali bomo tudi, kako uporabna je vrednost te vrednosti za vodo in paro, zakaj jo morate poznati in kako vpliva na naše vsakdanje življenje.

Koncept toplotne kapacitete

Ta fizikalna količina se tako pogosto uporablja v zunanjem svetu in znanosti, da moramo najprej govoriti o njej. Že prva definicija bo od bralca zahtevala nekaj pripravljenosti, vsaj v razlikah. Tako je toplotna kapaciteta telesa v fiziki definirana kot razmerje med prirastki neskončno majhne količine toplote in ustrezne neskončno majhne količine temperature.

Količina toplote

Skoraj vsi razumejo, kaj je temperatura, tako ali drugače. Naj spomnimo, »količina toplote« ni le fraza, temveč izraz, ki označuje energijo, ki jo telo izgubi ali pridobi v izmenjavi z okoljem. Ta vrednost se meri v kalorijah. Ta enota je znana vsem ženskam, ki so na dieti. Drage dame, zdaj veste, kaj zakurite na tekalni stezi in koliko je vreden vsak kos hrane, ki ga pojeste (ali pustite na krožniku). Tako vsako telo, katerega temperatura se spreminja, doživi povečanje ali zmanjšanje količine toplote. Razmerje teh količin je toplotna kapaciteta.

Uporaba toplotne kapacitete

Vendar se stroga definicija fizikalnega pojma, ki ga obravnavamo, sama po sebi redko uporablja. Zgoraj smo rekli, da se zelo pogosto uporablja v vsakdanjem življenju. Tisti, ki v šoli niso marali fizike, so zdaj verjetno zmedeni. Odgrnili bomo tančico skrivnosti in vam povedali, da se vroča (in celo hladna) voda v pipah in v ogrevalnih ceveh pojavi samo zaradi izračunov toplotne moči.

To vrednost upoštevajo tudi vremenske razmere, ki določajo, ali je kopalno sezono že mogoče odpreti ali se za zdaj splača ostati na obali. Ti izračuni vplivajo na vse naprave, povezane z ogrevanjem ali hlajenjem (oljni radiator, hladilnik), vse stroške energije pri pripravi hrane (na primer v kavarni) ali uličnega mehkega sladoleda. Kot lahko razumete, govorimo o takšni količini, kot je toplotna kapaciteta vode. Neumno bi bilo domnevati, da to počnejo prodajalci in navadni potrošniki, vendar so inženirji, oblikovalci in proizvajalci upoštevali vse in v gospodinjske aparate vnesli ustrezne parametre. Vendar se izračuni toplotne kapacitete uporabljajo veliko širše: v hidravličnih turbinah in proizvodnji cementa, pri testiranju zlitin za letala ali železnice, v gradbeništvu, taljenju in hlajenju. Tudi raziskovanje vesolja se opira na formule, ki vsebujejo to vrednost.

Vrste toplotne kapacitete

Torej se v vseh praktičnih aplikacijah uporablja relativna ali specifična toplotna kapaciteta. Opredeljena je kot količina toplote (upoštevajte, da ni neskončno majhnih količin), ki je potrebna za segrevanje enote količine snovi za eno stopinjo. Stopinje Kelvinove in Celzijeve lestvice so enake, vendar je v fiziki običajno, da to vrednost imenujemo v prvih enotah. Glede na to, kako je izražena količinska enota snovi, ločimo maso, prostornino in molsko specifično toplotno kapaciteto. Spomnimo se, da je en mol količina snovi, ki vsebuje približno šest do deset do triindvajsete moči molekul. Glede na nalogo se uporablja ustrezna toplotna kapaciteta, njihova oznaka v fiziki je različna. Masno toplotno kapaciteto označujemo s C in izražamo v J/kg*K, volumetrično toplotno kapaciteto C` (J/m 3 *K), molsko toplotno kapaciteto C μ (J/mol*K).

Idealen plin

Če se rešuje problem idealnega plina, potem je izraz zanj drugačen. Naj vas spomnimo, da v tej snovi, ki v resnici ne obstaja, atomi (ali molekule) medsebojno ne delujejo. Ta kakovost radikalno spremeni vse lastnosti idealnega plina. Zato tradicionalni pristopi k izračunom ne bodo dali želenega rezultata. Kot model za opisovanje elektronov v kovini je na primer potreben idealen plin. Njegova toplotna kapaciteta je definirana kot število prostostnih stopenj delcev, iz katerih je sestavljen.

Agregatno stanje

Zdi se, da so za snov vse fizikalne lastnosti enake v vseh pogojih. Ampak to ni res. Pri prehodu v drugo agregatno stanje (med taljenjem in zamrzovanjem ledu, izhlapevanjem ali strjevanjem staljenega aluminija) se ta vrednost nenadoma spremeni. Tako sta toplotni kapaciteti vode in vodne pare različni. Kot bomo videli v nadaljevanju, bistveno. Ta razlika močno vpliva na uporabo tekočih in plinastih sestavin te snovi.

Ogrevanje in toplotna zmogljivost

Kot je bralec že opazil, se toplotna kapaciteta vode največkrat pojavlja v resničnem svetu. Ona je vir življenja, brez nje je naš obstoj nemogoč. Oseba jo potrebuje. Zato je bila od antičnih časov do danes naloga oskrbe z vodo v domove in industrije ali na polja vedno izziv. To je dobro za tiste države, ki imajo pozitivne temperature vse leto. Stari Rimljani so gradili akvadukte za oskrbo svojih mest s tem dragocenim virom. Toda tam, kjer je zima, ta metoda ne bi bila primerna. Led ima, kot je znano, večjo specifično prostornino kot voda. To pomeni, da ko zmrzne v ceveh, jih zaradi širjenja uniči. Izziv, s katerim se soočajo inženirji centralnega ogrevanja ter oskrbe s toplo in hladno vodo, je torej, kako se temu izogniti.

Toplotna kapaciteta vode, ob upoštevanju dolžine cevi, bo dala zahtevano temperaturo, do katere je treba segreti kotle. Vendar so lahko naše zime zelo mrzle. In pri sto stopinjah Celzija že pride do vrenja. V tej situaciji pride na pomoč specifična toplotna kapaciteta vodne pare. Kot je navedeno zgoraj, agregatno stanje spremeni to vrednost. No, kotli, ki dovajajo toploto v naše domove, vsebujejo močno pregreto paro. Ker ima visoko temperaturo, ustvarja neverjeten pritisk, zato morajo biti kotli in do njih speljane cevi zelo vzdržljivi. V tem primeru lahko celo majhna luknja ali zelo majhno puščanje povzroči eksplozijo. Toplotna kapaciteta vode je odvisna od temperature in nelinearno. To pomeni, da bo segrevanje od dvajset do trideset stopinj zahtevalo drugačno količino energije kot na primer od sto petdeset do sto šestdeset.

Pri kakršnih koli dejanjih, ki vključujejo ogrevanje vode, je to treba upoštevati, še posebej, če govorimo o velikih količinah. Toplotna kapaciteta pare je, tako kot mnoge njene lastnosti, odvisna od tlaka. Pri enaki temperaturi kot tekoče stanje ima plinasto stanje skoraj štirikrat manjšo toplotno kapaciteto.

Zgoraj smo navedli veliko primerov, zakaj je potrebno ogrevati vodo in kako je treba upoštevati velikost toplotne kapacitete. Vendar vam še nismo povedali, da ima ta tekočina med vsemi razpoložljivimi viri na planetu precej visoko stopnjo porabe energije za ogrevanje. Ta lastnost se pogosto uporablja za hlajenje.

Ker je toplotna kapaciteta vode visoka, bo učinkovito in hitro absorbirala odvečno energijo. To se uporablja v proizvodnji, v visokotehnološki opremi (na primer v laserjih). In doma verjetno vemo, da trdo kuhana jajca ali vročo ponev najučinkoviteje ohladimo s splaknitvijo pod hladnim curkom iz pipe.

Načelo delovanja atomskih jedrskih reaktorjev na splošno temelji na visoki toplotni kapaciteti vode. Vroče območje, kot že ime pove, ima neverjetno visoko temperaturo. S samim segrevanjem voda hladi sistem in preprečuje, da bi reakcija ušla izpod nadzora. Tako dobimo potrebno elektriko (ogreta para vrti turbine) in ne pride do katastrofe.

V tem kratkem članku bomo na kratko obravnavali eno najpomembnejših lastnosti vode za naš planet, njeno Toplotna zmogljivost.

Specifična toplotna kapaciteta vode

Naredimo kratko razlago tega izraza:

Toplotna zmogljivost snov je njena sposobnost akumulacije toplote. Ta vrednost se meri s količino toplote, ki jo absorbira, ko se segreje za 1 °C. Toplotna kapaciteta vode je na primer 1 cal/g ali 4,2 J/g, toplotna kapaciteta tal pri 14,5-15,5 °C (odvisno od vrste tal) pa se giblje od 0,5 do 0,6 cal (2 ,1-2,5 J) na enoto prostornine in od 0,2 do 0,5 cal (ali 0,8-2,1 J) na enoto mase (gramov).

Toplotna kapaciteta vode pomembno vpliva na številne vidike našega življenja, vendar se bomo v tem gradivu osredotočili na njeno vlogo pri oblikovanju temperaturnega režima našega planeta, in sicer ...

Toplotna kapaciteta vode in podnebje Zemlje

Toplotna zmogljivost voda v svoji absolutni vrednosti je precej velika. Iz zgornje definicije vidimo, da znatno presega toplotno kapaciteto tal našega planeta. Zaradi te razlike v toplotni kapaciteti se tla v primerjavi z vodami svetovnih oceanov veliko hitreje segrevajo in s tem hitreje ohlajajo. Zaradi bolj inertnih oceanov nihanja dnevnih in sezonskih temperatur na Zemlji niso tako velika, kot bi bila, če oceanov in morij ne bi bilo. To pomeni, da v hladni sezoni voda ogreje Zemljo, v topli sezoni pa se ohladi. Seveda je ta vpliv najbolj opazen na obalnih območjih, v svetovnem povprečju pa vpliva na ves planet.

Seveda na nihanje dnevnih in sezonskih temperatur vpliva veliko dejavnikov, a voda je eden najpomembnejših.

Povečanje amplitude nihanja dnevnih in sezonskih temperatur bi korenito spremenilo svet okoli nas.

Splošno znano dejstvo je na primer, da kamen med ostrimi temperaturnimi nihanji izgubi svojo trdnost in postane krhek. Očitno bi bili sami »nekoliko« drugačni. Vsaj fizični parametri našega telesa bi bili drugačni.

Nenormalne lastnosti toplotne kapacitete vode

Toplotna kapaciteta vode ima nenormalne lastnosti. Izkazalo se je, da se s povišanjem temperature vode njena toplotna zmogljivost zmanjšuje; ta dinamika se ohrani do 37 ° C; z nadaljnjim povišanjem temperature začne toplotna zmogljivost naraščati.

To dejstvo vsebuje eno zanimivo izjavo. Relativno gledano je narava sama v osebi Vode določila 37°C kot najugodnejšo temperaturo za človeško telo, seveda ob upoštevanju vseh drugih dejavnikov. Pri kakršni koli dinamiki spremembe temperature okolja se temperatura vode nagiba k 37 °C.

Voda je ena najbolj neverjetnih snovi. Kljub vsesplošni in široki uporabi je prava skrivnost narave. Kot ena od kisikovih spojin bi morala voda, kot kaže, imeti zelo nizke lastnosti, kot so zmrzovanje, toplota uparjanja itd. Vendar se to ne zgodi. Sama toplotna kapaciteta vode je kljub vsemu izjemno visoka.

Voda je sposobna absorbirati ogromno toplote, pri tem pa se praktično ne segreje - to je njena fizična lastnost. voda je približno petkrat večja od toplotne kapacitete peska in desetkrat večja od železa. Zato je voda naravno hladilno sredstvo. Njegova sposobnost akumulacije velikih količin energije mu omogoča, da zgladi temperaturna nihanja na zemeljski površini in uravnava toplotni režim na celotnem planetu, in to ne glede na letni čas.

Ta edinstvena lastnost vode omogoča, da se uporablja kot hladilno sredstvo v industriji in vsakdanjem življenju. Poleg tega je voda široko dostopna in razmeroma poceni surovina.

Kaj pomeni toplotna kapaciteta? Kot je znano iz tečaja termodinamike, se prenos toplote vedno pojavi od vročega do hladnega telesa. V tem primeru govorimo o prenosu določene količine toplote, temperatura obeh teles pa kot značilnost njunega stanja kaže smer te izmenjave. Pri procesu kovinskega telesa z vodo enake mase pri enakih začetnih temperaturah kovina nekajkrat bolj spremeni svojo temperaturo kot voda.

Če vzamemo kot postulat osnovno trditev termodinamike - dveh teles (izoliranih od drugih), pri izmenjavi toplote eno oddaja in drugo prejema enako količino toplote, potem postane jasno, da imata kovina in voda popolnoma različno toploto. zmogljivosti.

Tako je toplotna kapaciteta vode (pa tudi katere koli snovi) kazalnik, ki označuje sposobnost določene snovi, da nekaj da (ali sprejme) pri hlajenju (segrevanju) na enoto temperature.

Specifična toplotna kapaciteta snovi je količina toplote, ki je potrebna za segrevanje enote te snovi (1 kilogram) za 1 stopinjo.

Količina toplote, ki jo telo sprosti ali sprejme, je enaka produktu specifične toplotne kapacitete, mase in temperaturne razlike. Meri se v kalorijah. Ena kalorija je natanko toliko toplote, da se 1 g vode segreje za 1 stopinjo. Za primerjavo: specifična toplotna kapaciteta zraka je 0,24 cal/g ∙°C, aluminija - 0,22, železa - 0,11, živega srebra - 0,03.

Toplotna kapaciteta vode ni konstantna. Z zvišanjem temperature od 0 do 40 stopinj se ta rahlo zniža (od 1,0074 do 0,9980), pri vseh ostalih snoveh pa se ta značilnost med segrevanjem poveča. Poleg tega se lahko zmanjša z naraščajočim pritiskom (v globini).

Kot veste, ima voda tri agregatna stanja - tekoče, trdno (led) in plinasto (para). Hkrati je specifična toplotna kapaciteta ledu približno 2-krat nižja od vode. To je glavna razlika med vodo in drugimi snovmi, katerih specifična toplotna kapaciteta se v trdnem in staljenem stanju ne spreminja. Kaj je skrivnost?

Dejstvo je, da ima led kristalno strukturo, ki se pri segrevanju ne zruši takoj. Voda vsebuje majhne delce ledu, sestavljene iz več molekul, imenovanih asociati. Ko se voda segreje, se del porabi za uničenje vodikovih vezi v teh formacijah. To pojasnjuje nenavadno visoko toplotno kapaciteto vode. Vezi med njenimi molekulami se popolnoma uničijo šele, ko se voda pretvori v paro.

Specifična toplotna kapaciteta pri temperaturi 100° C se skoraj ne razlikuje od tiste pri ledu pri 0° C. To še enkrat potrjuje pravilnost te razlage. Toplotna kapaciteta pare je tako kot toplotna kapaciteta ledu trenutno veliko bolje raziskana kot voda, glede katere znanstveniki še niso dosegli enotnega mnenja.

Entalpija je termodinamična lastnost snovi, ki kaže raven energije, ohranjen v svoji molekularni strukturi. To pomeni, da čeprav snov lahko temelji na energiji, je ni mogoče vse pretvoriti v toploto. Del notranje energije vedno ostane v snovi in ohranja svojo molekularno strukturo. Nekatera snov je nedostopna, ko se njena temperatura približa temperaturi okolja. torej entalpija je količina energije, ki je na voljo za pretvorbo v toploto pri določeni temperaturi in tlaku. Enote entalpije- Britanska toplotna enota ali joule za energijo in Btu/lbm ali J/kg za specifično energijo.

Količina entalpije

Če je temperatura snovi višja od dane temperature ali spremeni stanje v plinasto stanje pri dani temperaturi, je entalpija izražena kot pozitivno število. Nasprotno pa je pri temperaturi pod to entalpijo snovi izraženo kot negativno število. Entalpija se uporablja v izračunih za določitev razlike v ravneh energije med dvema stanjema. To je potrebno za nastavitev opreme in določitev koristnega učinka postopka.

Entalpija pogosto opredeljena kot skupna energija snovi, saj je enak vsoti njegove notranje energije (u) v danem stanju skupaj z njegovo zmožnostjo za opravljanje dela (pv). Toda v resnici entalpija ne označuje celotne energije snovi pri dani temperaturi nad absolutno ničlo (-273 °C). Zato namesto definiranja entalpija kot skupna toplota snovi, je bolj natančno opredeljena kot skupna količina razpoložljive energije snovi, ki jo je mogoče pretvoriti v toploto.
H = U + pV

Tabela prikazuje termofizikalne lastnosti vodne pare na nasičeni črti v odvisnosti od temperature. Lastnosti pare so podane v tabeli v temperaturnem območju od 0,01 do 370°C.

Vsaka temperatura ustreza tlaku, pri katerem je vodna para v stanju nasičenosti. Na primer, pri temperaturi vodne pare 200 °C bo njen tlak 1,555 MPa ali približno 15,3 atm.

Specifična toplotna kapaciteta pare, toplotna prevodnost in para naraščajo z naraščanjem temperature. Poveča se tudi gostota vodne pare. Vodna para postane vroča, težka in viskozna, z visoko specifično toplotno kapaciteto, kar pozitivno vpliva na izbiro pare kot hladilne tekočine v nekaterih vrstah toplotnih izmenjevalnikov.

Na primer, glede na tabelo, specifična toplotna kapaciteta vodne pare C str pri temperaturi 20 °C znaša 1877 J/(kg deg), pri segrevanju na 370 °C pa se toplotna kapaciteta pare poveča na vrednost 56520 J/(kg deg).

Tabela prikazuje naslednje termofizikalne lastnosti vodne pare na nasičeni črti:

• parni tlak pri določeni temperaturi p·10 -5, Pa;
• gostota pare ρ″ , kg/m 3 ;
• specifična (masna) entalpija h″, kJ/kg;
• r, kJ/kg;
• specifična toplotna kapaciteta pare C str, kJ/(kg deg);
• koeficient toplotne prevodnosti λ·10 2, W/(m deg);
• koeficient toplotne difuzivnosti a·10 6, m 2 /s;
• dinamična viskoznost μ·10 6, Pas·s;
• kinematična viskoznost ν·10 6, m 2 /s;
• Prandtlova številka Pr.

Specifična toplota uparjanja, entalpija, toplotna difuzivnost in kinematična viskoznost vodne pare se z naraščanjem temperature zmanjšujejo. Dinamična viskoznost in Prandtlovo število pare se povečata.

Bodi previden! Toplotna prevodnost v tabeli je navedena na moč 10 2. Ne pozabite deliti s 100! Na primer, toplotna prevodnost pare pri temperaturi 100 °C je 0,02372 W/(m deg).

Toplotna prevodnost vodne pare pri različnih temperaturah in tlakih

Tabela prikazuje vrednosti toplotne prevodnosti vode in vodne pare pri temperaturah od 0 do 700 °C in tlaku od 0,1 do 500 atm. Dimenzija toplotne prevodnosti W/(m deg).

Črta pod vrednostmi v tabeli pomeni fazni prehod vode v paro, to pomeni, da se številke pod črto nanašajo na paro, nad njo pa na vodo. Glede na tabelo je razvidno, da vrednost koeficienta in vodne pare narašča z naraščanjem tlaka.

Opomba: toplotna prevodnost v tabeli je navedena v potencah 10 3. Ne pozabite deliti s 1000!

Toplotna prevodnost vodne pare pri visokih temperaturah

V tabeli so prikazane vrednosti toplotne prevodnosti disociirane vodne pare v dimenziji W/(m deg) pri temperaturah od 1400 do 6000 K in tlaku od 0,1 do 100 atm.

Glede na tabelo se toplotna prevodnost vodne pare pri visokih temperaturah opazno poveča v območju 3000 ... 5000 K. Pri visokih vrednostih tlaka je največji koeficient toplotne prevodnosti dosežen pri višjih temperaturah.

Bodi previden! Toplotna prevodnost v tabeli je navedena na moč 10 3. Ne pozabite deliti s 1000!