Capacité thermique de l'eau et de la vapeur. Définition et application. Propriétés thermophysiques de la vapeur d'eau : densité, capacité thermique, conductivité thermique

L'eau est l'une des substances les plus étonnantes. Malgré répandu et d'usage répandu, c'est un véritable mystère de la nature. Étant l'un des composés de l'oxygène, l'eau semblerait avoir des caractéristiques très faibles telles que le gel, la chaleur de vaporisation, etc. Mais cela ne se produit pas. La capacité calorifique de l’eau seule est malgré tout extrêmement élevée.

L'eau peut absorber quantité énorme chauffer, tout en ne chauffant pratiquement pas - c'est son caractéristique physique. l’eau est environ cinq fois supérieure à la capacité calorifique du sable et dix fois supérieure à celle du fer. L’eau est donc un liquide de refroidissement naturel. Sa capacité à accumuler grand nombre L’énergie permet d’atténuer les fluctuations de température à la surface de la Terre et de réguler le régime thermique sur l’ensemble de la planète, et ce quelle que soit la période de l’année.

Ce propriété unique l'eau lui permet d'être utilisée comme liquide de refroidissement dans l'industrie et à la maison. De plus, l’eau est une matière première largement disponible et relativement bon marché.

Qu’entend-on par capacité thermique ? Comme le montre le cours de thermodynamique, le transfert de chaleur se produit toujours d'un corps chaud à un corps froid. Dans ce cas, nous parlons du transfert d'une certaine quantité de chaleur, et la température des deux corps, étant une caractéristique de leur état, montre le sens de cet échange. Lors du traitement d'un corps métallique avec de l'eau de masse égale aux mêmes températures initiales, le métal change de température plusieurs fois plus que l'eau.

Si nous prenons comme postulat l'énoncé de base de la thermodynamique - de deux corps (isolés les uns des autres), lors de l'échange thermique, l'un dégage et l'autre reçoit une quantité égale de chaleur, alors il devient clair que le métal et l'eau ont une chaleur complètement différente. capacités.

Ainsi, la capacité thermique de l'eau (comme de toute substance) est un indicateur caractérisant la capacité d'une substance donnée à donner (ou recevoir) quelque chose lors du refroidissement (chauffage) par unité de température.

La capacité thermique spécifique d'une substance est la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer une unité de cette substance (1 kilogramme) de 1 degré.

La quantité de chaleur dégagée ou absorbée par un corps est égale au produit de la capacité thermique spécifique, de la masse et de la différence de température. Elle se mesure en calories. Une calorie correspond exactement à la quantité de chaleur suffisante pour chauffer 1 g d’eau de 1 degré. A titre de comparaison : la capacité thermique spécifique de l'air est de 0,24 cal/g ∙°C, de l'aluminium - 0,22, du fer - 0,11, du mercure - 0,03.

La capacité calorifique de l’eau n’est pas constante. À mesure que la température augmente de 0 à 40 degrés, elle diminue légèrement (de 1,0074 à 0,9980), tandis que pour toutes les autres substances, cette caractéristique augmente lors du chauffage. De plus, elle peut diminuer avec l’augmentation de la pression (en profondeur).

Comme vous le savez, l'eau a trois états d'agrégation : liquide, solide (glace) et gazeux (vapeur). Dans le même temps, la capacité thermique spécifique de la glace est environ 2 fois inférieure à celle de l'eau. C'est la principale différence entre l'eau et d'autres substances dont la capacité thermique spécifique ne change pas à l'état solide et fondu. Quel est le secret ?

Le fait est que la glace a une structure cristalline qui ne s'effondre pas immédiatement lorsqu'elle est chauffée. L'eau contient de petites particules de glace constituées de plusieurs molécules appelées associés. Lorsque l'eau est chauffée, une partie est consacrée à la destruction des liaisons hydrogène dans ces formations. Ceci explique la capacité calorifique inhabituellement élevée de l’eau. Les liaisons entre ses molécules ne sont complètement détruites que lorsque l'eau se transforme en vapeur.

Chaleur spécifiqueà une température de 100°C n'est presque pas différente de celle de la glace à 0°C. Cela confirme une fois de plus l'exactitude de cette explication. La capacité calorifique de la vapeur, comme celle de la glace, est actuellement bien mieux étudiée que celle de l’eau, sur laquelle les scientifiques ne sont pas encore parvenus à un consensus.

Enthalpie est une propriété d'une substance qui indique la quantité d'énergie qui peut être convertie en chaleur.

Enthalpie est une propriété thermodynamique d'une substance qui indique niveau d'énergie, préservé dans sa structure moléculaire. Cela signifie que même si une substance peut avoir de l’énergie basée sur , elle ne peut pas entièrement être convertie en chaleur. Partie énergie interne reste toujours dans la substance et maintient sa structure moléculaire. Une partie d'une substance est inaccessible lorsque sa température s'approche de la température environnement. Ainsi, enthalpie est la quantité d’énergie disponible pour être convertie en chaleur à certaine température et la pression. Unités d'enthalpie- Unité thermique britannique ou joule pour l'énergie et Btu/lbm ou J/kg pour l'énergie spécifique.

Quantité d'enthalpie

Quantité enthalpie de la matière en fonction de sa température donnée. Cette température- c'est la valeur choisie par les scientifiques et les ingénieurs comme base de calcul. C'est la température à laquelle l'enthalpie d'une substance est nulle J. En d'autres termes, la substance n'a pas d'énergie disponible pouvant être convertie en chaleur. Cette température est diverses substances différent. Par exemple, cette température de l'eau est le point triple (0 °C), celle de l'azote est de -150 °C et celle des réfrigérants à base de méthane et d'éthane est de -40 °C.

Si la température d'une substance est supérieure à sa température donnée ou change d'état en gazeux à une température donnée, l'enthalpie est exprimée nombre positif. A l’inverse, à une température inférieure à une enthalpie donnée d’une substance s’exprime nombre négatif. L'enthalpie est utilisée dans les calculs pour déterminer la différence de niveaux d'énergie entre deux états. Ceci est nécessaire pour configurer l'équipement et déterminer l'effet bénéfique du processus.

Enthalpie souvent défini comme énergie totale de la matière, puisqu'elle est égale à la somme de son énergie interne (u) dans un état donné ainsi que de sa capacité à effectuer un travail (pv). Mais en réalité, l'enthalpie n'indique pas l'énergie totale d'une substance à une température donnée supérieure à zéro absolu(-273°C). Ainsi, au lieu de définir enthalpie En tant que chaleur totale d'une substance, elle est définie plus précisément comme la quantité totale d'énergie disponible d'une substance qui peut être convertie en chaleur.
H = U + PV

Dans ce petit matériel nous examinerons brièvement l'une des propriétés les plus importantes de l'eau pour notre planète, sa Capacité thermique.

Capacité thermique spécifique de l'eau

Faisons une brève interprétation de ce terme :

Capacité thermique une substance est sa capacité à accumuler de la chaleur. Cette valeur est mesurée par la quantité de chaleur absorbée par celui-ci lorsqu'il est chauffé à 1°C. Par exemple, la capacité thermique de l'eau est de 1 cal/g, ou 4,2 J/g, et la capacité thermique du sol à 14,5-15,5°C (selon le type de sol) varie de 0,5 à 0,6 cal (2,1-2,5 J) par unité de volume et de 0,2 à 0,5 cal (ou 0,8-2,1 J) par unité de masse (grammes).

La capacité calorifique de l’eau a influence notable sur de nombreux aspects de notre vie, mais dans ce matériel, nous nous concentrerons sur son rôle dans la formation régime de température de notre planète, à savoir...

Capacité thermique de l'eau et climat terrestre

Capacité thermique l'eau en valeur absolue est assez grande. D’après la définition ci-dessus, nous voyons qu’elle dépasse largement la capacité thermique du sol de notre planète. En raison de cette différence de capacité thermique, le sol, par rapport aux eaux des océans du monde, se réchauffe beaucoup plus rapidement et, par conséquent, se refroidit plus rapidement. Grâce à l'océan mondial plus inerte, les fluctuations quotidiennes et températures saisonnières Les terres ne sont pas aussi vastes qu’elles le seraient s’il n’y avait ni océans ni mers. Autrement dit, pendant la saison froide, l'eau réchauffe la Terre et pendant la saison chaude, elle se refroidit. Bien entendu, cette influence est plus visible dans les zones côtières, mais en moyenne globale, elle affecte l’ensemble de la planète.

Naturellement, les fluctuations des températures quotidiennes et saisonnières sont influencées par de nombreux facteurs, mais l'eau est l'un des plus importants.

Une augmentation de l’amplitude des fluctuations des températures journalières et saisonnières changerait radicalement le monde qui nous entoure.

Par exemple, il est bien connu que la pierre perd de sa résistance et devient cassante lors de fortes variations de température. Évidemment, nous serions nous-mêmes « quelque peu » différents. Ils seraient certainement différents, au moins paramètres physiques notre corps.

Propriétés anormales de la capacité thermique de l'eau

La capacité thermique de l'eau a des propriétés anormales. Il s'avère qu'à mesure que la température de l'eau augmente, sa capacité thermique diminue ; cette dynamique persiste jusqu'à 37°C, avec une nouvelle augmentation de la température, la capacité thermique commence à augmenter.

Ce fait contient une déclaration intéressante. Relativement parlant, la nature elle-même, en la personne de l'Eau, a déterminé 37°C comme la température la plus élevée. température confortable pour le corps humain, à condition, bien entendu, que tous les autres facteurs soient respectés. Quelle que soit la dynamique de changement de température ambiante, la température de l'eau tend vers 37°C.

Chaleur spécifique l'eau permet d'accumuler et de retenir une quantité importante de chaleur.

Capacité thermique spécifique de l'eau, c'est la quantité de chaleur que l'eau peut accumuler par unité de poids.
Sans connaissance de la capacité thermique de l'eau et matériaux de construction pas possible de construire maison chaleureuse.
Capacité thermique de l'eau et structures de construction joue un rôle décisif dans le chauffage solaire et l'accumulation de réserves de chaleur solaire dans les accumulateurs de sol et d'eau.
La capacité thermique spécifique de divers solides doit être prise en compte lors de la construction d'une maison chaude.
Valeurs standard de capacité thermique spécifique utilisées dans la construction de maisons.
Comment déterminer la capacité thermique de l'eau, sans connaître la capacité thermique de l'eau, il n'est pas possible de calculer le système chauffage solaireà la maison, la capacité thermique de l'eau joue rôle important dans une solution de stockage solaire thermique.
Sans connaître la capacité calorifique de l’eau, il n’est pas possible de calculer le système de chauffage d’une maison, car c’est la grande capacité calorifique de l'eau nous permet de l'utiliser dans les systèmes de chauffage et de refroidissement.

Le système de chauffage de la maison, de l'appartement peut être électrique, au gaz, à combustible solide, système fermé chauffer à l'eau et à la vapeur, à la vapeur chaleur spécifique supérieure à celle de l'eau.

La plupart des systèmes de chauffage d'une maison privée, d'immeubles résidentiels, à vapeur ou chauffage de l'eau, où la capacité calorifique de l'eau permet de réduire le coût du liquide de refroidissement.

L'eau chaude et la vapeur sont un liquide de refroidissement pour le chauffage ; la formation de vapeur d'eau se produit intensément après le début de l'ébullition ; plus la pression de la vapeur est élevée, plus la température et la capacité thermique sont élevées.

Capacité thermique spécifique de l'eau à 4 °С, 4200 kJ/kg °C.
Chauffage à vapeur d'eau au gaz d'une maison privée, plancher d'eau, quelle quantité de chaleur sera libérée pendant le refroidissement si le liquide de refroidissement est de l'eau chaude.
Pour ce faire, nous devons connaître le coefficient de transfert thermique, le coefficient de conductivité thermique de l'eau en fonctionnement, le coefficient de transfert thermique dans les systèmes de chauffage.
Chauffage de l'eau des maisons privées, la capacité thermique spécifique de l'eau est cruciale lors du calcul des systèmes, de l'eau et chauffage à la vapeur.
L'eau est un conducteur de chaleur idéal ; elle a un coefficient de transfert de chaleur élevé - la conductivité thermique n'est pas limitée en raison de son faible coût ;

Comment calculer et mesurer la capacité calorifique de l'eau, comment construire une maison, faire du chauffage sans savoir ce qu'est la capacité calorifique ?
Lors de la construction d'une maison et du calcul des systèmes de chauffage, la condition principale du confort du logement est la capacité thermique spécifique de l'eau et de l'air.
Avec différentes densités d'eau kg m3, la capacité thermique et la quantité d'énergie potentielle thermique changent.
La chaleur dans l'eau est transférée par diffusion, la température de l'eau augmente, la quantité de chaleur augmente, la densité de l'eau diminue, l'eau a une capacité thermique spécifique élevée, le liquide de refroidissement le plus courant dans les systèmes de chauffage.
Conductivité thermique élevée, l'énergie thermique est transférée en raison du frottement interne et de la collision des molécules.
La capacité thermique de l'air est d'un ordre de grandeur inférieure à celle de l'eau, mais systèmes pneumatiques le chauffage n'a pas perdu de son importance.
L'énergie interne de la vapeur, en raison de sa capacité thermique élevée, a trouvé de nombreuses applications dans économie nationale, recevant de l'électricité.
Capacité thermique spécifique de divers solides, à 20°C.

Nom	Crzh kJ/kg °C	Nom	Crzh kJ/kg°C
Feuilles d'amiante-ciment	0,96	Marbre	0,80
Basalte	0,84	Grès argilo-calcaire	0,96
Béton	1,00	Grès céramique	0,75-0,84
Fibres minérales	0,84	Rouge grès	0,71
Gypse	1,09	Verre	0,75-0,82
Argile	0,88	Tourbe	1,67...2,09
Dalles de granit	0,75	Ciment	0,80
Sol sableux	1.1...3.2	Fonte	0,55
Bois de chêne	2,40	Ardoise	0,75
Bois de sapin	2,70	Pierre concassée	0,75...1,00
Panneaux de fibres de bois	2,30	Sol humide

Capacité thermique spécifique de l'eau à différentes températures.

où срж = 4,1877 kJ / (kg⋅K) est la capacité thermique isobare de l’eau.
Chauffer 1 litre d'eau à 1 degré" = 1 kcal.
1 kW/h = 865 kcal, cette énergie suffit à chauffer 865 litres d'eau de 1 degré soit 8,65 litres à 100°C. \
Valeur arrondie 1 kWh = 3600 kJ ~ 860 kcal = 860000 cal.
1 kcal ~ 4187 J = 4,187 kJ ~ 0,001163 kWh.
Chauffer l'eau de 1°C. 5000 litres *1 Kcal/ 865 Kcal = 0,578 kW/h * si à 60 °C = 290 kW/h.
La quantité de chaleur est mesurée en calories.
Une calorie est la quantité de chaleur dépensée pour chauffer un gramme d’eau d’un °C. à pression atmosphérique(101325Pa). Partout, ils écrivent en Kelvin, et vous pouvez dire la même chose.
Mais je dirai seulement qu’un changement d’un degré Celsius entraînera une différence d’un degré Kelvin.
La différence entre Kelvin et Celsius n'est qu'une différence de décalage de 273,15 unités. Autrement dit, °C = Kelvin-273,15.
1 calorie = 4,1868 J.
1 Joule = 0,2388 calories.
Comment convertir des unités de mesure.
1 calorie = 4,1868 J.
1 Joule = 0,2388 calories.
Comment convertir tout cela en Watt-heure.
1 calorie = 0,001163 Wh
1 kcal = 1,163 Wh

Par définition, une calorie est la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un centimètre cube d’eau de 1 degré Celsius. Gcal, utilisé pour mesurer l'énergie thermique en génie thermique et services publics, cela fait un milliard de calories. Il y a 100 centimètres dans 1 mètre, donc dans un mètre cube- 100 x 100 x 100 = 1 000 000 CM3. Ainsi, pour chauffer M3 d’eau de 1 degré, il faudra 1 000 000 de calories soit 0,001 Gcal.
À la température de l'eau T1 = 5°C - si chauffée à T2 = 50°C. Afin de chauffer M3 (1000 kg) d'eau, on considère Q énergie = C capacité calorifique de l'eau * différence de température T1-T2 * 1000 kg, on a 4,183 kJ/(kg.K) * 45 °C * 1000 kg = 188235 kJ. (188,235 MJ), en kWh = 188235/3600 = 52,2875 kWh
Autrement dit, pour chauffer 1 m3 d’eau de 5°C à 50°C, il faut environ 6 m3 de gaz.

La quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de Tn à Tk d'un corps de masse m peut être calculée à l'aide de la formule suivante : Q = C x (Tn - Tk) x m, kJ
où m est le poids corporel, en kg ; C - capacité thermique spécifique, kJ/(kg*K)

La capacité thermique spécifique de certaines substances mesure la température en Kelvin (K). Tableau I : Valeurs standard de capacité thermique spécifique
La capacité thermique spécifique est donnée ici en utilisant des unités	État physique	Spécifique capacité thermique kJ/(kg·K)
air (sec)	gaz	1,005
aluminium	solide	0,930
laiton	solide	0,377
cuivre	solide	0,385
acier	solide	0,500
fer	solide	0,444
fonte	solide	0,540
verre de quartz	solide	0,703
eau 373K (100 °C)	gaz	2,020
eau	liquide	4,183