Capacitatea termică a apei și aburului. Definiție și aplicare. Proprietăți termofizice ale vaporilor de apă: densitate, capacitate termică, conductivitate termică

Apa este una dintre cele mai uimitoare substanțe. În ciuda răspândităși de utilizare pe scară largă, este un adevărat mister al naturii. Fiind unul dintre compușii oxigenului, apa, s-ar părea, ar trebui să aibă caracteristici foarte scăzute, cum ar fi înghețarea, căldura de vaporizare etc. Dar acest lucru nu se întâmplă. Numai capacitatea de căldură a apei este, în ciuda tuturor, extrem de mare.

Apa poate absorbi cantitate uriașă căldură, deși practic nu se încălzește - acesta este caracteristică fizică. apa este de aproximativ cinci ori mai mare decât capacitatea termică a nisipului și de zece ori mai mare decât cea a fierului. Prin urmare, apa este un lichid de răcire natural. Capacitatea sa de a acumula număr mare energia face posibilă atenuarea fluctuațiilor de temperatură de pe suprafața Pământului și reglarea regimului termic pe întreaga planetă, iar acest lucru se întâmplă indiferent de perioada anului.

Acest proprietate unică apa îi permite să fie folosit ca lichid de răcire în industrie și acasă. În plus, apa este o materie primă disponibilă pe scară largă și relativ ieftină.

Ce se înțelege prin capacitate termică? După cum se știe din cursul termodinamicii, transferul de căldură are loc întotdeauna de la un corp cald la unul rece. În acest caz, vorbim despre transferul unei anumite cantități de căldură, iar temperatura ambelor corpuri, fiind o caracteristică a stării lor, arată direcția acestui schimb. În procesul unui corp metalic cu apă de masă egală la aceleași temperaturi inițiale, metalul își schimbă temperatura de câteva ori mai mult decât apa.

Dacă luăm ca postulat afirmația de bază a termodinamicii - a două corpuri (izolate de celelalte), în timpul schimbului de căldură unul emite și celălalt primește o cantitate egală de căldură, atunci devine clar că metalul și apa au căldură complet diferită. capacități.

Astfel, capacitatea de căldură a apei (precum și a oricărei substanțe) este un indicator care caracterizează capacitatea unei anumite substanțe de a da (sau de a primi) ceva la răcire (încălzire) per unitate de temperatură.

Capacitatea termică specifică a unei substanțe este cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi o unitate a acestei substanțe (1 kilogram) cu 1 grad.

Cantitatea de căldură eliberată sau absorbită de un corp este egală cu produsul dintre capacitatea termică specifică, masa și diferența de temperatură. Se măsoară în calorii. O calorie este exact cantitatea de căldură care este suficientă pentru a încălzi 1 g de apă cu 1 grad. Pentru comparație: capacitatea termică specifică a aerului este de 0,24 cal/g ∙°C, aluminiu - 0,22, fier - 0,11, mercur - 0,03.

Capacitatea termică a apei nu este constantă. Cu o creștere a temperaturii de la 0 la 40 de grade, aceasta scade ușor (de la 1,0074 la 0,9980), în timp ce pentru toate celelalte substanțe această caracteristică crește în timpul procesului de încălzire. În plus, poate scădea odată cu creșterea presiunii (la adâncime).

După cum știți, apa are trei stări de agregare - lichidă, solidă (gheață) și gazoasă (abur). În același timp, capacitatea termică specifică a gheții este de aproximativ 2 ori mai mică decât cea a apei. Aceasta este principala diferență între apă și alte substanțe, a căror capacitate termică specifică nu se modifică în stare solidă și topită. Care este secretul?

Faptul este că gheața are o structură cristalină, care nu se prăbușește imediat când este încălzită. Apa conține particule mici de gheață formate din mai multe molecule numite asociați. Când apa este încălzită, o parte din ea este cheltuită pentru distrugerea legăturilor de hidrogen din aceste formațiuni. Aceasta explică capacitatea termică neobișnuit de mare a apei. Legăturile dintre moleculele sale sunt complet distruse doar atunci când apa se transformă în abur.

Căldura specifică la o temperatură de 100°C nu este aproape deloc diferită de cea a gheții la 0°C Acest lucru confirmă încă o dată corectitudinea acestei explicații. Capacitatea termică a aburului, ca și capacitatea termică a gheții, este în prezent studiată mult mai bine decât apa, în privința căreia oamenii de știință nu au ajuns încă la un consens.

Entalpie este o proprietate a unei substanțe care indică cantitatea de energie care poate fi transformată în căldură.

Entalpie este o proprietate termodinamică a unei substanțe care indică nivelul energetic, păstrat în structura sa moleculară. Aceasta înseamnă că, deși o substanță poate avea energie bazată pe , nu toată ea poate fi transformată în căldură. Parte energie internă rămâne mereu în substanțăși își menține structura moleculară. O parte a unei substanțe este inaccesibilă atunci când temperatura ei se apropie de temperatură mediu. Prin urmare, entalpie este cantitatea de energie care este disponibilă pentru a fi convertită în căldură la o anumită temperatură si presiune. Unități de entalpie- Unitate termică britanică sau joule pentru energie și Btu/lbm sau J/kg pentru energie specifică.

Cantitatea de entalpie

Cantitate entalpia materiei pe baza temperaturii date. Această temperatură- aceasta este valoarea care este aleasă de oamenii de știință și ingineri ca bază pentru calcule. Este temperatura la care entalpia unei substanțe este zero J. Cu alte cuvinte, substanța nu are energie disponibilă care să poată fi transformată în căldură. Această temperatură este diverse substanțe diferit. De exemplu, această temperatură a apei este punctul triplu (0 °C), azotul este -150 °C, iar agenții frigorifici pe bază de metan și etan sunt -40 °C.

Dacă temperatura unei substanțe este mai mare decât temperatura dată sau se schimbă în stare gazoasă la o anumită temperatură, entalpia este exprimată număr pozitiv. În schimb, la o temperatură sub o anumită entalpie a unei substanțe este exprimată număr negativ. Entalpia este utilizată în calcule pentru a determina diferența de niveluri de energie între două stări. Acest lucru este necesar pentru a configura echipamentul și pentru a determina efectul benefic al procesului.

Entalpie adesea definit ca energia totală a materiei, deoarece este egală cu suma energiei sale interne (u) într-o stare dată împreună cu capacitatea sa de a lucra (pv). Dar, în realitate, entalpia nu indică energia totală a unei substanțe la o anumită temperatură de mai sus zero absolut(-273°C). Prin urmare, în loc să definească entalpie ca căldură totală a unei substanțe, este definită mai precis ca cantitatea totală de energie disponibilă a unei substanțe care poate fi transformată în căldură.
H = U + pV

In aceasta material mic vom lua în considerare pe scurt una dintre cele mai importante proprietăți ale apei pentru planeta noastră, ea Capacitate termica.

Capacitatea termică specifică a apei

Să facem o scurtă interpretare a acestui termen:

Capacitate termica o substanță este capacitatea sa de a acumula căldură. Această valoare este măsurată prin cantitatea de căldură absorbită de acesta când este încălzit cu 1°C. De exemplu, capacitatea de căldură a apei este de 1 cal/g sau 4,2 J/g, iar capacitatea de căldură a solului la 14,5-15,5°C (în funcție de tipul de sol) variază între 0,5 și 0,6 cal (2,1-2,5). J) pe unitate de volum și de la 0,2 la 0,5 cal (sau 0,8-2,1 J) pe unitate de masă (grame).

Capacitatea termică a apei are influență semnificativă pe multe aspecte ale vieții noastre, dar în acest material ne vom concentra asupra rolului său în formare regim de temperatură a planetei noastre și anume...

Capacitatea termică a apei și clima Pământului

Capacitate termica apa în valoarea sa absolută este destul de mare. Din definiția de mai sus vedem că depășește semnificativ capacitatea de căldură a solului planetei noastre. Datorită acestei diferențe de capacitate termică, solul, în comparație cu apele oceanelor lumii, se încălzește mult mai repede și, în consecință, se răcește mai repede. Datorită oceanului lumii mai inert, fluctuațiile zilnice și temperaturile sezoniere Pământurile nu sunt atât de mari pe cât ar fi dacă nu ar exista oceane și mări. Adică, în sezonul rece, apa încălzește Pământul, iar în sezonul cald se răcește. Desigur, această influență este cel mai vizibilă în zonele de coastă, dar în termeni medii globale afectează întreaga planetă.

Desigur, fluctuațiile temperaturilor zilnice și sezoniere sunt influențate de mulți factori, dar apa este unul dintre cei mai importanți.

O creștere a amplitudinii fluctuațiilor temperaturilor zilnice și sezoniere ar schimba radical lumea din jurul nostru.

De exemplu, un fapt binecunoscut este că piatra își pierde rezistența și devine casantă în timpul fluctuațiilor bruște de temperatură. Evident, noi înșine am fi „oarecum” diferiți. Cu siguranță ar fi diferiți, cel puțin parametrii fizici corpul nostru.

Proprietăți anormale ale capacității termice a apei

Capacitatea termică a apei are proprietăți anormale. Se dovedește că, odată cu creșterea temperaturii apei, capacitatea acesteia de căldură scade până la 37°C, cu o creștere suplimentară a temperaturii;

Acest fapt conține o afirmație interesantă. Relativ vorbind, natura însăși, în persoana Apei, a determinat cel mai mult 37°C temperatura confortabila pentru corpul uman, cu condiția, desigur, ca toți ceilalți factori să fie îndepliniți. Cu orice dinamică de modificare a temperaturii ambiante, temperatura apei tinde spre 37°C.

Căldura specifică apa vă permite să acumulați și să rețineți o cantitate semnificativă de căldură.

Capacitatea termică specifică a apei, aceasta este cantitatea de căldură pe care apa o poate acumula pe unitatea de greutate.
Fără cunoștințe despre capacitatea termică a apei și materiale de constructii imposibil de construit casă caldă.
Capacitatea termică a apei și structuri de constructii joacă un rol decisiv în încălzirea solară și acumularea rezervelor de căldură solară în acumulatori de apă și de sol.
La construirea unei case calde trebuie luată în considerare capacitatea termică specifică a diferitelor solide.
Valori standard ale capacității termice specifice utilizate în construirea unei case.
Cum se determină capacitatea termică a apei, fără a cunoaște capacitatea termică a apei, nu este posibil să se calculeze sistemul incalzire solara acasă, capacitatea de căldură a apei joacă rol importantîn soluție de stocare solară termică.
Fără a cunoaște capacitatea termică a apei, nu este posibil să se calculeze sistemul de încălzire al unei case, deoarece este marea capacitatea termică a apei ne permite să-l folosim în sistemele de încălzire și răcire.

Sistemul de incalzire al casei, apartamentul poate fi electric, gaz, combustibil solid, sistem închis incalzire cu apa si abur, cu abur căldură specifică mai mare decât cea a apei.

Majoritatea sistemelor de încălzire ale unei case private, clădiri rezidențiale, abur sau încălzirea apei, unde capacitatea de căldură a apei vă permite să reduceți costurile cu lichidul de răcire.

Apa caldă și aburul sunt un agent de răcire pentru încălzire;

Capacitatea termică specifică a apei la 4 °С, 4200 kJ/kg °C.
Încălzirea cu abur și apă cu gaz a unei case private, podea cu apă, câtă căldură va fi eliberată în timpul răcirii dacă lichidul de răcire este apă fierbinte.
Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoaștem coeficientul de transfer de căldură, coeficientul de conductivitate termică a apei în timpul funcționării, coeficientul de transfer de căldură în sistemele de încălzire.
Încălzirea apei în casă privată, capacitatea termică specifică a apei este crucială atunci când se calculează sistemele, apa și încălzire cu abur.
Apa este un conductor ideal de căldură; are un coeficient de transfer termic ridicat - volumul de apă nu este limitat din cauza ieftinității sale.

Cum se calculează și se măsoară capacitatea termică a apei, cum se construiește o casă, se face încălzire fără a ști ce este capacitatea termică?
La construirea unei case, calcularea sistemelor de încălzire, principala condiție pentru confortul locuinței este capacitatea termică specifică a apei și a aerului.
Cu diferite densități de apă kg m3, capacitatea termică și cantitatea de energie potențială de căldură se modifică.
Căldura în apă este transferată datorită difuziei, temperatura apei crește, cantitatea de căldură crește, densitatea apei scade, apa are o capacitate termică specifică mare, cel mai comun lichid de răcire în sistemele de încălzire.
Conductivitate termică ridicată, energia termică este transferată din cauza frecării interne și a ciocnirii moleculelor.
Capacitatea termică a aerului este cu un ordin de mărime mai mică decât cea a apei, dar sisteme de aerîncălzirea nu și-a pierdut importanța.
Energia internă a aburului, datorită capacității sale mari de căldură, și-a găsit o largă aplicație în economie nationala, primind energie electrică.
Capacitate termică specifică a diverselor solide, la 20°C.

Nume	Crzh kJ/kg °C	Nume	Crzh kJ/kg°C
Foi de azbociment	0,96	Marmură	0,80
Bazalt	0,84	Argila gresie - calcaroasă	0,96
Beton	1,00	Gresie ceramică	0,75-0,84
Fibre minerale	0,84	Gresie roșie	0,71
Gips	1,09	Sticlă	0,75-0,82
Lut	0,88	Turbă	1,67...2,09
Placi de granit	0,75	Ciment	0,80
Sol nisipos	1.1...3.2	Fontă	0,55
Lemn de stejar	2,40	Ardezie	0,75
Lemn de brad	2,70	Piatră zdrobită	0,75...1,00
Plăci din fibră	2,30	Pământ umed

Capacitatea termică specifică a apei la diferite temperaturi.

unde срж = 4,1877 kJ / (kg⋅K) este capacitatea termică izobară a apei.
Se încălzește 1 litru de apă cu 1 grad" = 1 kcal.
1 kW/h = 865 kcal, această energie este suficientă pentru a încălzi 865 litri de apă cu 1 grad sau 8,65 litri la 100°C. \
Valoare rotunjită 1 kWh = 3600 kJ ~ 860 kcal = 860000 cal.
1 kcal ~ 4187 J = 4,187 kJ ~ 0,001163 kWh.
Pentru a încălzi apa cu 1°C. 5000 litri *1 Kcal/ 865 Kcal = 0,578 kW/h * dacă la 60 °C = 290 kW/h.
Cantitatea de căldură se măsoară în calorii.
O calorie este cantitatea de căldură consumată pentru a încălzi un gram de apă cu un °C. la presiunea atmosferică(101325 Pa). Peste tot se scrie în Kelvin, iar tu poți spune același lucru.
Dar voi spune doar că o schimbare de un grad Celsius va duce la o diferență de un grad Kelvin.
Diferența dintre Kelvin și Celsius este doar o diferență de schimbare de 273,15 unități. Adică, °C = Kelvin-273,15.
1 calorie = 4,1868 J.
1 Joule = 0,2388 calorii.
Cum se transformă unitățile de măsură.
1 calorie = 4,1868 J.
1 Joule = 0,2388 calorii.
Cum să transformi toate acestea în wați-oră.
1 calorie = 0,001163 Wh
1 kcal = 1,163 Wh

Prin definiție, o calorie este cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un centimetru cub de apă cu 1 grad Celsius. Gcal, folosit pentru a măsura energia termică în ingineria energiei termice și utilitati publice Adică un miliard de calorii. Sunt 100 de centimetri într-un metru, deci într-unul metru cub- 100 x 100 x 100 = 1000000 CM3. Astfel, pentru a încălzi M3 de apă cu 1 grad, va fi nevoie de 1.000.000 de calorii sau 0,001 Gcal.
La temperatura apei T1 = 5°C - dacă este încălzită la T2 = 50°C. Pentru a încălzi M3 (1000 kg) de apă, considerăm energia Q = C capacitatea termică a apei * T1-T2 diferența de temperatură * 1000 kg, avem 4,183 kJ/(kg.K) * 45 ° C * 1000 kg = 188235 kJ. (188,235 MJ), în kWh = 188235/3600 = 52,2875 kWh
Adică pentru a încălzi 1 m3 de apă de la 5°C la 50°C, ai nevoie de aproximativ 6 m3 de gaz.

Cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura de la Tn la Tk a unui corp de masă m poate fi calculată folosind următoarea formulă: Q = C x (Tn - Tk) x m, kJ
unde m este greutatea corporală, kg; C - capacitate termică specifică, kJ/(kg*K)

Capacitatea termică specifică a unor substanțe măsoară temperatura în Kelvin (K). Tabelul I: Valori standard ale capacității termice specifice
Capacitatea termică specifică este dată aici folosind unități	Stare fizică	Specific capacitate termică kJ/(kg K)
aer (uscat)	gaz	1,005
aluminiu	solid	0,930
alamă	solid	0,377
cupru	solid	0,385
oţel	solid	0,500
fier	solid	0,444
fontă	solid	0,540
sticlă de cuarț	solid	0,703
apă 373K (100 °C)	gaz	2,020
apă	lichid	4,183