Теплоемкость воды и пара. Определение и применение. Теплофизические свойства водяного пара: плотность, теплоемкость, теплопроводность

Вода является одним из самых удивительных веществ. Несмотря на широкое распространение и повсеместное использование, она - настоящая загадка природы. Являясь одним из соединений кислорода, вода, казалось бы, должна иметь совсем низкими такие характеристики, как и замерзания, теплота парообразования и т. п. Но этого не происходит. Одна лишь теплоемкость воды, вопреки всему, чрезвычайно высока.

Вода способна поглощать огромное количество тепла, сама при этом практически не нагреваясь - в этом ее физическая особенность. воды выше теплоемкости песка примерно в пять раз, и в десять раз - железа. Поэтому вода является природным охладителем. Ее свойство накапливать большое количество энергии позволяет сглаживать колебания температуры на поверхности Земли и регулировать тепловой режим в рамках всей планеты, причем происходит это независимо от времени года.

Это уникальное свойство воды позволяет использовать ее в качестве охлаждающего вещества в промышленности и в быту. К тому же вода является общедоступным и сравнительно дешевым сырьем.

Что же понимается под теплоемкостью? Как известно из курса термодинамики, передача тепла происходит всегда от горячего к холодному телу. При этом речь идет о переходе определенного количества тепла, а температура обоих тел, являясь характеристикой их состояния, показывает направление этого обмена. В процессе металлического тела с водой равной массы при одинаковых исходных температурах металл меняет свою температуру в несколько раз больше воды.

Если принять за постулат основное утверждение термодинамики - из двух тел (изолированных от прочих), при теплообмене одно отдает, а другое получает равное количество тепла, то становится ясно, что у металла и воды совершенно разная теплоемкость.

Таким образом, теплоемкость воды (как и любого вещества) - это показатель, характеризующий способность данного вещества отдавать (или получать) какое-то при остывании (нагреве) на единицу температуры.

Удельной теплоемкостью вещества считается количество тепла, требуемое для того, чтобы нагреть единицу этого вещества (1 килограмм) на 1 градус.

Количество тепла, выделяемое или поглощаемое телом, равно произведению величин удельной теплоемкости, массы и разности температур. Измеряется оно в калориях. Одна калория - именно то количество тепла, которого достаточно, чтобы нагреть 1 г воды на 1 градус. Для сравнения: удельная теплоемкость воздуха - 0.24 кал/г ∙°С, алюминия - 0.22, железа - 0.11, ртути - 0.03.

Теплоемкость воды не является константой. С ростом температуры от 0 до 40 градусов она незначительно снижается (от 1,0074 до 0,9980), тогда как у всех остальных веществ в процессе нагревания эта характеристика растет. Кроме того, она может понижаться с ростом давления (на глубине).

Как известно, вода имеет три агрегатных состояния - жидкое, твердое (лед) и газообразное (пар). При этом удельная теплоемкость льда примерно в 2 раза ниже, чем у воды. В этом - основное отличие воды от других веществ, величины удельной теплоемкости которых в твердом и расплавленном состоянии не меняются. В чем же тут секрет?

Дело в том, что лед имеет кристаллическую структуру, которая при нагревании разрушается не сразу. Вода содержит небольшие частицы льда, состоящие из нескольких молекул и именуемые ассоциатами. При нагревании воды часть расходуется на разрушение водородных связей в этих образованиях. Этим и объясняется необычайно высокая теплоемкость воды. Полностью связи между ее молекулами разрушаются только при переходе воды в пар.

Удельная теплоемкость при температуре 100° С почти не отличается от таковой у льда при 0° С. Это еще раз подтверждает правильность данного объяснения. Теплоемкость пара, как и теплоемкость льда, в настоящее время изучены гораздо лучше, чем воды, в отношении которой ученые до сих пор не пришли к единому мнению.

Энтальпия - это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту.

Энтальпия - это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии , сохраненной в его молекулярной структуре. Это значит, что, хотя вещество может обладать энергией на основании , не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды. Следовательно, энтальпия - это количество энергии, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении. Единицы энтальпии - британская тепловая единица или джоуль для энергии и Btu/lbm или Дж/кг для удельной энергии.

Количество энтальпии

Количество энтальпии вещества основано на его данной температуре. Данная температура - это значение, которая выбрано учеными и инженерами, как основание для вычислений. Это температура, при которой энтальпия вещества равна нулю Дж. Другими словами, у вещества нет доступной энергии, которую можно преобразовать в теплоту. Данная температура у различных веществ разная. Например, данная температура воды - это тройная точка (О °С), азота −150°С, а хладагентов на основе метана и этана −40°С.

Если температура вещества выше его данной температуры или изменяет состояние на газообразное при данной температуре, энтальпия выражается положительным числом. И наоборот при температуре ниже данной энтальпия вещества выражается отрицательным числом. Энтальпия используется в вычислениях для определения разницы уровней энергии между двумя состояниями. Это необходимо для настройки оборудования и определения полезного действия процесса.

Энтальпию часто определяют как полную энергию вещества , так как она равна сумме его внутренней энергии (и) в данном состоянии наряду с его способностью проделать работу (pv). Но в действительности энтальпия не указывает полную энергию вещества при данной температуре выше абсолютного нуля (-273°С). Следовательно, вместо того, чтобы определять энтальпию как полную теплоту вещества, более точно определять ее как общее количество доступной энергии вещества, которое можно преобразовать в теплоту.
H = U + pV

В этом небольшом материале мы кратко рассмотрим одно из важнейших для нашей планеты свойств воды, ее Теплоемкость .

Удельная теплоемкость воды

Сделаем краткую интерпретацию этого термина:

Теплоемкость вещества это его способность аккумулировать в себе тепло. Измеряется эта величина количеством поглощаемого им тепла, при нагреве на 1°С. Например, теплоемкость воды — 1 кал/г, или 4,2 Дж/г, а почвы — при 14,5-15,5°С (в зависимости от типа почвы) колеблется от 0,5 до 0,6 кал (2,1-2,5 Дж) на единицу объема и от 0,2 до 0,5 кал (или 0,8-2,1 Дж) на единицу массы (граммы).

Теплоемкость воды оказывает существенное влияние на многие аспекты нашей жизни, но в этом материале мы сделаем акцент на ее роль в формировании температурного режима нашей планеты, а именно …

Теплоемкость воды и климат Земли

Теплоемкость воды по своему абсолютному значению достаточно велика. Из приведенного выше определения мы видим, что она существенно превышает теплоемкость почвы нашей планеты. Из-за такой разности теплоемкостей почва, по сравнению с водами мирового океана, значительно быстрее нагревается и соответственно быстрее остывает. Благодаря более инертному мировому океану колебания суточных и сезонных температур Земли не так велики, как были бы в случае отсутствия океанов и морей. Т. е. в холодное время года вода греет Землю, а в теплое охлаждает. Естественно это влияние наиболее ощутимо в прибрежных районах, но в глобальном усредненном измерении влияет на всю планету.

Естественно, что на колебания суточных и сезонных температур влияет множество факторов, но вода является одним из важнейших.

Увеличение амплитуды колебаний суточных и сезонных температур радикально изменило бы окружающий нас мир.

Например, всем хорошо известный факт — камень при резких температурных колебаниях теряет свою прочность и становится хрупким. Очевидно, что «несколько» другими были бы и мы сами. Точно другими были бы, как минимум, физические параметры нашего тела.

Аномальные свойства теплоемкости воды

Теплоемкость воды обладает аномальными свойствами. Оказывается, при повышении температуры воды ее теплоемкость уменьшается, эта динамика сохраняется до 37°C, при дальнейшем увеличении температуры теплоемкость начинает возрастать.

В этом факте заключено одно интересное утверждение. Условно говоря, сама природа в лице Воды определила 37°C как наиболее комфортную температуру для организма человека, при условии, конечно соблюдения всех остальных факторов. При любой динамике изменения температуры окружающей среды температура воды тяготеет к 37°C.

Удельная теплоемкость воды позволяет аккумулировать и сохранять значительное количество тепла.

Удельная теплоемкость воды , это количество теплоты способное аккумулировать вода на единицу веса.
Без знания теплоемкости воды и строительных материалов не возможно построить теплый дом.
Теплоемкость воды и строительных конструкций оказывает решающее значение при солнечном отоплении и аккумулировании запаса солнечного тепла, в грунтовом и водяном аккумуляторе.
Удельная теплоемкость различных твердых веществ необходимо учитывать при строительстве теплого дома.
Стандартные значения удельной теплоёмкости применяемых в строительстве дома.
Как определить теплоемкость воды, без знания теплоемкости воды, не возможно, рассчитать системы солнечного отопления дома, теплоемкость воды играет важную роль в решении аккумулирования тепла солнечной энергии.
Без знания теплоемкости воды не возможно рассчитать системы отопления дома, ведь именно большая теплоемкость воды нам позволяет ее использовать в системах отопления и охлаждения.

Система отопления дома, в квартире может быть электрическое, газовое, твердотопливное, закрытая система отопление водой и паром, у пара удельная теплота выше, чем у воды.

Большинство систем отопления частного дома, жилых зданий, паровое или водяное отопление, где теплоемкость воды позволяет снизить затраты на теплоноситель.

Горячая вода и пар теплоноситель для отопления, парообразование воды происходит интенсивно после начала кипения, чем выше давление пара, тем выше температура и теплоемкость.

Удельная теплоемкость воды при 4 °С, 4200 кДж/кг °С.
Газовое водяное паровое отопление частного дома, водяной пол, какое количество теплоты выделится при остывании если теплоноситель горячая вода.
Для этого нам неоходимо знать, коэффициент теплопередачи, коэффициент температуро проводности воды при работе коэффициент теплопередачи в системах отопления.
Частный дом водяное отопление, удельная теплоемкость воды имеет решающее значение, при расчете систем, водяного и парового отопления.
Как проводник тепла идеальная вода, высокий коэффициент теплоотдачи - теплопроводность, объем воды не ограничен из за его дешевезны.

Как рассчитать и измерить, теплоемкость воды, как строить дом, сделать отопление не зная, что такое теплоемкость?
При строительстве дома, расчетах систем отопления, основное условие, комфорта жилья, удельная теплоемкость воды и воздуха.
При разной плотности воды кг м3, изменяется теплоемкость, и количество потенциальной энергии теплота.
Тепло в воде передается за счет диффузии, температура воды увеличивается, количество теплоты растет, плотность воды падает, у воды большая удельная теплоемкость, самый распространенный теплоноситель в системах отопления.
Большая теплопроводность, энергетика тепла передается за счет внутреннего трения и сталкивания молекул.
Теплоемкость воздуха на порядок ниже, чем у воды, но воздушные системы отопления не утратили своего значения.
Внутренняя энергия пара, из-за большой теплоемкости, нашла широкое применение, в народном хозяйстве, получении электроэнергии.
Удельная теплоемкость различных твердых веществ, при 20"С.

Название	Cpж кДж/кг °С	Название	Cpж кДж/кг°С
Асбоцементные листы	0,96	Мрамор	0,80
Базальт	0,84	Песчаник глина - известковый	0,96
Бетон	1,00	Песчаник керамический	0,75-0,84
Минеральные волокна	0,84	Песчаник красный	0,71
Гипс	1,09	Стекло	0,75-0,82
Глина	0,88	Торф	1,67...2,09
Гранитные плиты	0,75	Цемент	0,80
Песчаный грунт	1.1...3.2	Чугун	0,55
Древесина дуба	2,40	Шифер	0,75
Древесина пихты	2,70	Щебень	0,75...1,00
ДВП плиты	2,30	Влажная почва

Удельная теплоемкость воды при различных температурах.

где срж = 4,1877 кДж / (кг ⋅К) - изобарная теплоемкость воды.
1 литр воды нагреть на 1 градус" = 1 ккал.
1 КВт/ч = 865 ккал, этой энергии хватит на подогрев 865 литр воды нагреть на 1 градус или 8,65 литр до 100°С. \
Округленное значение 1 кВт-ч = 3600 кДж ~ 860 ккал = 860000 кал.
1 ккал ~ 4187 Дж = 4,187 кДж ~ 0,001163 кВт-ч.
Чтобы нагреть воду на 1°С. 5000 литр *1 Ккал/ 865 Ккал = 0,578 КВт/ч * если на 60 °С = 290 КВт/ч.
Количество тепла измеряется в калориях.
Одна калория это количество теплоты затраченная для того, чтобы нагреть один грамм воды на один °С. при атмосферном давлении (101325 Па). Везде пишут в Кельвинах, и вы можете утверждать так же.
Но скажу лишь то, что изменение на один градус цельсия, приведет разницу в один градус по Кельвину.
Разница между Кельвина и Цельсия лишь в разнице сдвига на 273,15 единиц. То есть, °С = Кельвин-273,15.
1 калория = 4,1868 Дж.
1 Джоуль = 0,2388 калорий.
Как переводить единицы измерения.
1 калория = 4,1868 Дж.
1 Джоуль = 0,2388 калорий.
Как это все перевести в Ватт-час.
1 Калория = 0,001163 Ватт-ч
1 ккал = 1,163 Ватт-ч

По определению, калория - это количество теплоты, которое требуется для нагрева одного кубического сантиметра воды на 1 градус Цельсия. Гкал, применяемая для измерения тепловой энергии в теплоэнергетике и коммунальном хозяйстве, это миллиард калорий. В 1 метре 100 сантиметров, следовательно, в одном кубическом метре - 100 х 100 х 100 = 1000000 СМ3. Таким образом, чтобы нагреть М3 воды на 1 градус, потребуется 1000000 калорий или 0,001 Гкал.
При температуре воды Т1= 5°С - если согреть до Т2 = 50°С. Для того чтобы нагреть М3 (1000кг.) воды, считаем Q энергия = С теплоемкость воды *Т1-Т2 разность температур * 1000кг., имеем 4,183кДж/(кг.К)*45°С *1000кг.=188235кДж. (188,235 МДж.), в кВт.ч = 188235/3600=52,2875 кВт.ч
То - есть, для нагрева 1 м3 воды от 5°С до 50°С нужно около 6 м3 газа.

Количество тепла, необходимое для повышения температуры с Тн до Тk тела массой m можно рассчитать по следующей формуле: Q = C x (Тн - Тk) x m, кДж
где m - масса тела, кг; С - удельная теплоемкость, кДж/(кг*К)

Удельная теплоёмкость некоторых веществ измерения температуры в Кельвинах (К). Таблица I: Стандартные значения удельной теплоёмкости
Здесь указана удельная теплоёмкость с использованием единиц	Агрегатное состояние	Удельная теплоёмкость кДж/(кг·K)
воздух (сухой)	газ	1,005
алюминий	твёрдое тело	0,930
латунь	твёрдое тело	0,377
медь	твёрдое тело	0,385
сталь	твёрдое тело	0,500
железо	твёрдое тело	0,444
чугун	твёрдое тело	0,540
кварцевое стекло	твёрдое тело	0,703
вода 373К (100 °C)	газ	2,020
вода	жидкость	4,183

Удельная теплоемкость воды, Удельная теплоемкость различных твердых веществ, Стандартные значения удельной теплоёмкости