Toplotni kapacitet je sposobnost da apsorbuje određene količine toplote tokom zagrevanja ili odaje kada se ohladi. Toplotni kapacitet tijela je omjer beskonačno male količine topline koju tijelo primi i odgovarajućeg povećanja njegovih temperaturnih indikatora. Vrijednost se mjeri u J/K. U praksi se koristi nešto drugačija vrijednost - specifična toplota.
Definicija
Šta znači specifična toplota? Ovo je količina koja se odnosi na jednu količinu supstance. U skladu s tim, količina tvari može se mjeriti u kubnim metrima, kilogramima ili čak u molovima. Od čega zavisi? U fizici, toplotni kapacitet direktno zavisi od toga na koju se kvantitativnu jedinicu odnosi, što znači da razlikuju molarni, maseni i volumetrijski toplotni kapacitet. U građevinskoj industriji nećete vidjeti molarne mjere, ali ćete stalno vidjeti druge.
Šta utiče na specifični toplotni kapacitet?
Šta je toplinski kapacitet, znate, ali koje vrijednosti utiču na indikator još nije jasno. Na vrijednost specifičnog toplotnog kapaciteta direktno utiče nekoliko komponenti:temperatura supstance, pritisak i druge termodinamičke karakteristike.
Kako temperatura proizvoda raste, njegov specifični toplotni kapacitet se povećava, ali određene supstance pokazuju potpuno nelinearnu krivu u ovom odnosu. Na primjer, s povećanjem indikatora temperature od nula do trideset sedam stepeni, specifični toplinski kapacitet vode počinje se smanjivati, a ako je granica između trideset sedam i sto stupnjeva, onda će indikator, naprotiv, povećanje.
Vrijedi napomenuti da parametar također ovisi o tome kako se termodinamičke karakteristike proizvoda (pritisak, zapremina i tako dalje) smiju mijenjati. Na primjer, specifična toplota pri stabilnom pritisku i pri stabilnoj zapremini će biti različita.
Kako izračunati parametar?
Da li vas zanima koliki je toplotni kapacitet? Formula izračuna je sljedeća: C=Q / (m ΔT). Koje su to vrijednosti? Q je količina toplote koju proizvod primi kada se zagreje (ili oslobodi proizvod tokom hlađenja). m je masa proizvoda, a ΔT je razlika između konačne i početne temperature proizvoda. Ispod je tabela toplotnog kapaciteta nekih materijala.
Šta je sa proračunom toplotnog kapaciteta?
Izračunavanje toplotnog kapaciteta nije lak zadatak, pogotovo ako se koriste samo termodinamičke metode, nemoguće ga je preciznije uraditi. Stoga fizičari koriste metode statističke fizike ili poznavanje mikrostrukture proizvoda. Kako izračunati za gas? Toplotni kapacitet gasaizračunava se iz proračuna prosječne energije toplinskog kretanja pojedinih molekula u tvari. Kretanje molekula može biti translacijskog i rotacijskog tipa, a unutar molekula može postojati cijeli atom ili vibracija atoma. Klasična statistika kaže da za svaki stepen slobode rotacionih i translacionih kretanja postoji vrednost molarnog toplotnog kapaciteta gasa, koja je jednaka R/2, a za svaki vibracioni stepen slobode vrednost je jednaka R Ovo pravilo se naziva i zakon ekviparticije.
U isto vreme, čestica jednoatomnog gasa se razlikuje za samo tri translaciona stepena slobode, pa stoga njen toplotni kapacitet treba da bude jednak 3R/2, što se odlično slaže sa eksperimentom. Svaka molekula dvoatomskog gasa ima tri translaciona, dva rotirajuća i jedan vibracioni stepen slobode, što znači da će zakon ekvipartacije biti 7R/2, a iskustvo je pokazalo da je toplotni kapacitet mola dvoatomskog gasa na običnoj temperaturi 5R/ 2. Zašto je došlo do takvog neslaganja u teoriji? Sve je zbog činjenice da će pri utvrđivanju toplotnog kapaciteta biti potrebno uzeti u obzir različite kvantne efekte, drugim riječima, koristiti kvantnu statistiku. Kao što vidite, toplotni kapacitet je prilično komplikovan koncept.
Kvantna mehanika kaže da svaki sistem čestica koje osciliraju ili rotiraju, uključujući molekul gasa, može imati određene diskretne vrijednosti energije. Ako je energija toplotnog kretanja u instaliranom sistemu nedovoljna da pobudi oscilacije potrebne frekvencije, tada te oscilacije ne doprinosetoplotni kapacitet sistema.
U čvrstim tijelima, toplotno kretanje atoma je slaba oscilacija u blizini određenih ravnotežnih položaja, ovo se odnosi na čvorove kristalne rešetke. Atom ima tri vibraciona stepena slobode i, prema zakonu, molarni toplotni kapacitet čvrste supstance je jednak 3nR, gde je n broj postojećih atoma u molekulu. U praksi, ova vrijednost je 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 na jednostavna jedinjenja. Određuje se i toplotni kapacitet olova i drugih supstanci.
Šta je sa niskim temperaturama?
Već znamo šta je toplotni kapacitet, ali ako govorimo o niskim temperaturama, kako će se tada izračunati vrednost? Ako govorimo o indikatorima niske temperature, tada se toplinski kapacitet čvrstog tijela tada ispostavlja proporcionalnim T 3 ili takozvanom Debyeovom zakonu toplinskog kapaciteta. Glavni kriterijum za razlikovanje visokih temperatura od niskih je njihovo uobičajeno poređenje sa karakterističnim parametrom za određenu supstancu - to može biti karakteristična ili Debajeva temperatura qD. Prikazana vrijednost je određena spektrom vibracija atoma u proizvodu i značajno ovisi o kristalnoj strukturi.
U metalima, elektroni provodljivosti daju određeni doprinos toplotnom kapacitetu. Ovaj dio toplotnog kapaciteta izračunava se pomoćuFermi-Dirac statistika, koja uzima u obzir elektrone. Elektronski toplotni kapacitet metala, koji je proporcionalan uobičajenom toplotnom kapacitetu, je relativno mala vrednost i doprinosi toplotnom kapacitetu metala samo na temperaturama blizu apsolutne nule. Tada toplotni kapacitet rešetke postaje vrlo mali i može se zanemariti.
Maseni toplotni kapacitet
Masena specifična toplota je količina toplote koja se mora dovesti do jedinice mase supstance da bi se proizvod zagrejao po jediničnoj temperaturi. Ova vrijednost je označena slovom C i mjeri se u džulima podijeljena sa kilogramom po kelvinu - J / (kg K). Ovo je sve o masovnom toplotnom kapacitetu.
Šta je volumetrijski toplinski kapacitet?
Zapreminski toplotni kapacitet je određena količina toplote koju je potrebno dodati jediničnoj zapremini proizvoda da bi se zagrejao po jediničnoj temperaturi. Ovaj indikator se mjeri u džulima podijeljen sa kubnim metru po kelvinu ili J / (m³ K). U mnogim građevinskim referentnim knjigama, uzima se u obzir maseni specifični toplotni kapacitet na radu.
Praktična primjena toplotnog kapaciteta u građevinskoj industriji
Mnogi toplotno intenzivni materijali se aktivno koriste u izgradnji zidova otpornih na toplotu. Ovo je izuzetno važno za kuće koje karakteriše periodično grejanje. Na primjer, pećnica. Toplotno intenzivni proizvodi i zidovi izgrađeni od njih savršeno akumuliraju toplinu, pohranjuju je tokom perioda grijanja i postepeno otpuštaju toplinu nakon isključivanjasistem, čime se omogućava održavanje prihvatljive temperature tokom dana.
Dakle, što je više toplote uskladišteno u konstrukciji, to će temperatura u prostorijama 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. Treba napomenuti da u formuli za izračunavanje toplotnog kapaciteta nije uzalud masa. Zbog velike ogromne mase betona ili cigle, u odnosu na ecowool, omogućava akumuliranje ogromnih količina topline u kamenim zidovima objekata 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. Da bi se riješio ovaj problem, impresivni akumulatori topline su ugrađeni u sve kuće. Šta je to? To su strukturni dijelovi koje karakterizira velika masa sa prilično dobrim indeksom toplinskog kapaciteta.
Primjeri akumulatora topline u životu
Šta bi to moglo biti? Na primjer, neka vrsta unutrašnjih zidova od cigle, velika peć ili kamin, betonske košuljice.
Namještaj u svakoj kući ili stanu je odličan akumulator topline, jer šperploča, iverica i drvo zapravo mogu akumulirati toplinu samo po kilogramu težine tri puta više od ozloglašene cigle.
Postoje li neki nedostaci kod akumulatora topline? Naravno, glavni nedostatak ovog pristupa ječinjenica da akumulator topline treba projektirati u fazi kreiranja okvirnog izgleda kuće. Sve zbog činjenice da je vrlo težak, a to će se morati uzeti u obzir pri izradi temelja, a zatim zamisliti kako će se ovaj objekt integrirati u unutrašnjost. Vrijedi 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, ako koristite zlato nevjerovatne težine od dvadeset tona po kubnom metru kao skladište topline, onda će proizvod funkcionirati onako kako bi trebao samo dvadeset i tri posto bolje od betonske kocke koja je teška dvije i po tone.
Koja je supstanca najprikladnija za skladištenje topline?
Najbolji proizvod za akumulator topline uopće nije beton i cigla! Bakar, bronza i gvožđe to dobro rade, ali su veoma teški. Čudno, ali najbolji akumulator topline je voda! Tečnost ima impresivan toplotni kapacitet, najveći među nama dostupnim supstancama. Samo plinovi helij (5190 J/(kg K) i vodonik (14300 J/(kg K)) imaju veći toplinski kapacitet, ali ih je problematično primijeniti u praksi. Po želji i potrebi pogledajte tabelu toplinskog kapaciteta tvari koje potrebno.
