Toplinski kapacitet je sposobnost apsorpcije određene količine topline tijekom zagrijavanja ili otpuštanja kada se ohladi. Toplinski kapacitet tijela je omjer beskonačno male količine topline koju tijelo primi i odgovarajućeg povećanja njegovih temperaturnih pokazatelja. Vrijednost se mjeri u J/K. U praksi se koristi nešto drugačija vrijednost - specifična toplina.
Definicija
Što znači specifična toplina? Ovo je količina koja se odnosi na jednu količinu tvari. U skladu s tim, količina tvari može se mjeriti u kubičnim metrima, kilogramima ili čak u molovima. O čemu ovisi? U fizici toplinski kapacitet izravno ovisi o tome na koju se kvantitativnu jedinicu odnosi, što znači da razlikuju molarni, maseni i volumetrijski toplinski kapacitet. U građevinskoj industriji nećete vidjeti molarne mjere, ali ćete stalno vidjeti druge.
Što utječe na specifični toplinski kapacitet?
Što je toplinski kapacitet, znate, ali koje vrijednosti utječu na indikator još nije jasno. Na vrijednost specifičnog toplinskog kapaciteta izravno utječe nekoliko komponenti:temperatura tvari, tlak i druge termodinamičke karakteristike.
Kako temperatura proizvoda raste, njegov specifični toplinski kapacitet raste, ali određene tvari pokazuju potpuno nelinearnu krivulju u tom odnosu. Na primjer, s povećanjem pokazatelja temperature od nula do trideset sedam stupnjeva, specifični toplinski kapacitet vode počinje se smanjivati, a ako je granica između trideset sedam i sto stupnjeva, indikator će, naprotiv, povećanje.
Vrijedi napomenuti da parametar također ovisi o tome kako se termodinamičke karakteristike proizvoda (tlak, volumen i tako dalje) smiju mijenjati. Na primjer, specifična toplina pri stabilnom tlaku i pri stabilnom volumenu bit će različita.
Kako izračunati parametar?
Zanima li vas koliki je toplinski kapacitet? Formula izračuna je sljedeća: C \u003d Q / (m ΔT). Koje su to vrijednosti? Q je količina topline koju proizvod primi kada se zagrije (ili oslobodi proizvod tijekom hlađenja). m je masa proizvoda, a ΔT je razlika između konačne i početne temperature proizvoda. Ispod je tablica toplinskog kapaciteta nekih materijala.
Što je s izračunom toplinskog kapaciteta?
Izračunavanje toplinskog kapaciteta nije lak zadatak, pogotovo ako se koriste samo termodinamičke metode, nemoguće ga je preciznije napraviti. Stoga se fizičari koriste metodama statističke fizike ili poznavanjem mikrostrukture proizvoda. Kako izračunati za plin? Toplinski kapacitet plinaizračunava se iz proračuna prosječne energije toplinskog gibanja pojedinih molekula u tvari. Kretanja molekula mogu biti translacijskog i rotacijskog tipa, a unutar molekule može postojati cijeli atom ili vibracija atoma. Klasična statistika kaže da za svaki stupanj slobode rotacijskih i translacijskih gibanja postoji vrijednost molarnog toplinskog kapaciteta plina, koja je jednaka R / 2, a za svaki vibracijski stupanj slobode vrijednost je jednaka R. Ovo pravilo se također naziva zakon jednakosti.
U isto vrijeme, čestica jednoatomnog plina razlikuje se za samo tri translacijska stupnja slobode, te bi stoga njezin toplinski kapacitet trebao biti jednak 3R/2, što se izvrsno slaže s eksperimentom. Svaka molekula dvoatomskog plina ima tri translacijska, dva rotirajuća i jedan vibracijski stupnja slobode, što znači da će zakon ekvipartacije biti 7R/2, a iskustvo je pokazalo da je toplinski kapacitet mola dvoatomskog plina pri običnoj temperaturi 5R/ 2. Zašto je došlo do takvog odstupanja u teoriji? Sve je zbog činjenice da će pri utvrđivanju toplinskog kapaciteta biti potrebno uzeti u obzir različite kvantne efekte, drugim riječima, koristiti kvantnu statistiku. Kao što vidite, toplinski kapacitet je prilično kompliciran koncept.
Kvantna mehanika kaže da svaki sustav čestica koje osciliraju ili rotiraju, uključujući molekulu plina, može imati određene diskretne vrijednosti energije. Ako je energija toplinskog gibanja u instaliranom sustavu nedovoljna da pobudi oscilacije potrebne frekvencije, tada te oscilacije ne doprinosetoplinski kapacitet sustava.
U čvrstim tijelima, toplinsko gibanje atoma je slaba oscilacija u blizini određenih ravnotežnih položaja, to se odnosi na čvorove kristalne rešetke. Atom ima tri vibracijska stupnja slobode i, prema zakonu, molarni toplinski kapacitet čvrste tvari jednak je 3nR, gdje je n broj postojećih atoma u molekuli. U praksi je ta vrijednost granica kojoj teži toplinski kapacitet tijela pri visokim temperaturama. Vrijednost se postiže normalnim promjenama temperature u mnogim elementima, to se odnosi na metale, kao i jednostavne spojeve. Također se utvrđuje toplinski kapacitet olova i drugih tvari.
Što je s niskim temperaturama?
Već znamo što je toplinski kapacitet, ali ako govorimo o niskim temperaturama, kako će se tada izračunati vrijednost? Ako govorimo o pokazateljima niske temperature, tada se toplinski kapacitet čvrstog tijela tada ispostavlja proporcionalnim T 3 ili takozvanom Debyeovom zakonu toplinskog kapaciteta. Glavni kriterij za razlikovanje visokih temperatura od niskih je njihova uobičajena usporedba s karakterističnim parametrom za određenu tvar - to može biti karakteristična ili Debyeova temperatura qD. Prikazana vrijednost određena je spektrom vibracija atoma u proizvodu i značajno ovisi o kristalnoj strukturi.
U metalima, vodljivi elektroni daju određeni doprinos toplinskom kapacitetu. Ovaj dio toplinskog kapaciteta izračunava se pomoćuFermi-Diracova statistika, koja uzima u obzir elektrone. Elektronski toplinski kapacitet metala, koji je proporcionalan uobičajenom toplinskom kapacitetu, relativno je mala vrijednost i doprinosi toplinskom kapacitetu metala samo pri temperaturama blizu apsolutne nule. Tada toplinski kapacitet rešetke postaje vrlo mali i može se zanemariti.
Maseni toplinski kapacitet
Masena specifična toplina je količina topline koju treba dovesti do jedinice mase tvari da bi se proizvod zagrijao po jediničnoj temperaturi. Ova vrijednost je označena slovom C i mjeri se u džulima podijeljena s kilogramom po kelvinu - J / (kg K). Ovo je sve o masenom toplinskom kapacitetu.
Što je volumetrijski toplinski kapacitet?
Volumenski toplinski kapacitet je određena količina topline koju je potrebno dodati jedinici volumena proizvoda kako bi se zagrijao po jediničnoj temperaturi. Ovaj se pokazatelj mjeri u džulima podijeljen s kubičnim metru po kelvinu ili J / (m³ K). U mnogim građevinskim referentnim knjigama uzima se u obzir maseni specifični toplinski kapacitet pri radu.
Praktična primjena toplinskog kapaciteta u građevinskoj industriji
Mnogi toplinski intenzivni materijali aktivno se koriste u izgradnji zidova otpornih na toplinu. To je iznimno važno za kuće koje karakterizira periodično grijanje. Na primjer, pećnica. Toplinski intenzivni proizvodi i zidovi izgrađeni od njih savršeno akumuliraju toplinu, pohranjuju je tijekom razdoblja grijanja i postupno otpuštaju toplinu nakon isključivanjasustav, čime se omogućuje održavanje prihvatljive temperature tijekom dana.
Dakle, što je više topline pohranjeno u konstrukciji, to će temperatura u sobama biti ugodnija i stabilnija.
Vrijedi napomenuti da obična cigla i beton koji se koriste u stambenoj izgradnji imaju mnogo manji toplinski kapacitet od ekspandiranog polistirena. Ako uzmemo ecowool, onda je trostruko topliji od betona. Valja napomenuti da u formuli za izračun toplinskog kapaciteta nije uzalud masa. Zbog velike ogromne mase betona ili opeke, u usporedbi s ecowoonom, omogućuje akumulaciju velikih količina topline u kamenim zidovima građevina i izglađivanje svih dnevnih temperaturnih kolebanja. Samo mala masa izolacije u svim okvirnim kućama, unatoč dobrom toplinskom kapacitetu, najslabije je područje za sve tehnologije okvira. Kako bi se riješio ovaj problem, u sve kuće ugrađeni su impresivni akumulatori topline. Što je? To su strukturni dijelovi koje karakterizira velika masa s prilično dobrim indeksom toplinskog kapaciteta.
Primjeri akumulatora topline u životu
Što bi to moglo biti? Na primjer, neka vrsta unutarnjih zidova od opeke, velika peć ili kamin, betonske estrihe.
Namještaj u svakoj kući ili stanu izvrstan je akumulator topline, jer šperploča, iverica i drvo zapravo mogu pohraniti toplinu samo po kilogramu težine tri puta više od zloglasne cigle.
Postoje li neki nedostaci kod akumulatora topline? Naravno, glavni nedostatak ovog pristupa ječinjenica da je akumulator topline potrebno projektirati u fazi izrade okvirnog izgleda kuće. Sve zbog činjenice da je vrlo težak, a to će se morati uzeti u obzir pri stvaranju temelja, a zatim zamislite kako će se ovaj objekt integrirati u interijer. Vrijedno je reći da je potrebno uzeti u obzir ne samo masu, već će biti potrebno procijeniti obje karakteristike u radu: masu i toplinski kapacitet. Na primjer, koristite li zlato nevjerojatne težine od dvadeset tona po kubičnom metru kao skladište topline, tada će proizvod funkcionirati onako kako bi trebao samo dvadeset i tri posto bolje od betonske kocke koja teži dvije i pol tone.
Koja je tvar najprikladnija za skladištenje topline?
Najbolji proizvod za akumulator topline uopće nije beton i cigla! Bakar, bronca i željezo to dobro rade, ali su vrlo teški. Čudno, ali najbolji akumulator topline je voda! Tekućina ima impresivan toplinski kapacitet, najveći među nama dostupnim tvarima. Veći toplinski kapacitet imaju samo plinovi helij (5190 J / (kg K) i vodik (14300 J / (kg K)), ali ih je problematično primijeniti u praksi. Po želji i potrebi pogledajte tablicu toplinskog kapaciteta tvari koje potrebno.
