Tepelná kapacita je schopnosť absorbovať určité množstvo tepla počas zahrievania alebo sa uvoľniť pri ochladzovaní. Tepelná kapacita telesa je pomer nekonečne malého množstva tepla, ktoré telo prijíma, k zodpovedajúcemu zvýšeniu jeho teplotných ukazovateľov. Hodnota sa meria v J/K. V praxi sa používa trochu iná hodnota - špecifické teplo.
Definícia
Čo znamená špecifické teplo? Ide o množstvo súvisiace s jedným množstvom látky. V súlade s tým môže byť množstvo látky merané v kubických metroch, kilogramoch alebo dokonca v móloch. Od čoho to závisí? Vo fyzike tepelná kapacita priamo závisí od toho, na ktorú kvantitatívnu jednotku sa vzťahuje, čo znamená, že rozlišujú medzi molárnou, hmotnostnou a objemovou tepelnou kapacitou. V stavebníctve neuvidíte molárne merania, ale stále uvidíte iné.
Čo ovplyvňuje mernú tepelnú kapacitu?
Čo je tepelná kapacita, viete, ale aké hodnoty ovplyvňujú indikátor, zatiaľ nie je jasné. Hodnota mernej tepelnej kapacity je priamo ovplyvnená niekoľkými komponentmi:teplota látky, tlak a iné termodynamické charakteristiky.
S rastúcou teplotou produktu sa zvyšuje jeho špecifická tepelná kapacita, ale určité látky vykazujú v tomto vzťahu úplne nelineárnu krivku. Napríklad so zvýšením ukazovateľov teploty z nuly na tridsaťsedem stupňov sa špecifická tepelná kapacita vody začne znižovať, a ak je hranica medzi tridsiatimi siedmimi a sto stupňami, potom sa ukazovateľ naopak zníži. zvýšiť.
Za zmienku stojí, že parameter závisí aj od toho, ako sa môžu meniť termodynamické charakteristiky produktu (tlak, objem atď.). Napríklad špecifické teplo pri stabilnom tlaku a pri stabilnom objeme sa bude líšiť.
Ako vypočítať parameter?
Zaujíma vás, aká je tepelná kapacita? Vzorec výpočtu je nasledujúci: C \u003d Q / (m ΔT). Aké sú tieto hodnoty? Q je množstvo tepla, ktoré výrobok získa pri zahriatí (alebo uvoľnení výrobkom počas chladenia). m je hmotnosť produktu a ΔT je rozdiel medzi konečnou a počiatočnou teplotou produktu. Nižšie je uvedená tabuľka tepelnej kapacity niektorých materiálov.
A čo výpočet tepelnej kapacity?
Výpočet tepelnej kapacity nie je jednoduchá úloha, najmä ak sa používajú iba termodynamické metódy, presnejšie to urobiť nemožno. Fyzici preto využívajú metódy štatistickej fyziky či poznatky o mikroštruktúre produktov. Ako vypočítať plyn? Tepelná kapacita plynusa vypočítava z výpočtu priemernej energie tepelného pohybu jednotlivých molekúl v látke. Pohyby molekúl môžu byť translačného a rotačného typu a vo vnútri molekuly môže byť celý atóm alebo vibrácia atómov. Klasická štatistika hovorí, že pre každý stupeň voľnosti rotačných a translačných pohybov existuje hodnota molárnej tepelnej kapacity plynu, ktorá sa rovná R / 2, a pre každý vibračný stupeň voľnosti je hodnota rovná R. Toto pravidlo sa tiež nazýva zákon o ekvipartícii.
Častica monatomického plynu sa zároveň líši len o tri translačné stupne voľnosti, a preto by sa jej tepelná kapacita mala rovnať 3R/2, čo je vo výbornej zhode s experimentom. Každá dvojatómová molekula plynu má tri translačné, dva rotačné a jeden vibračný stupeň voľnosti, čo znamená, že zákon ekvipartície bude 7R/2 a skúsenosti ukázali, že tepelná kapacita mólu dvojatómového plynu pri bežnej teplote je 5R/. 2. Prečo došlo k takému teoretickému rozporu? Všetko je spôsobené tým, že pri stanovovaní tepelnej kapacity bude potrebné brať do úvahy rôzne kvantové efekty, inými slovami použiť kvantovú štatistiku. Ako vidíte, tepelná kapacita je pomerne komplikovaný pojem.
Kvantová mechanika hovorí, že akýkoľvek systém častíc, ktoré oscilujú alebo rotujú, vrátane molekuly plynu, môže mať určité diskrétne energetické hodnoty. Ak je energia tepelného pohybu v inštalovanom systéme nedostatočná na vybudenie oscilácií požadovanej frekvencie, potom tieto oscilácie neprispievajú ktepelná kapacita systému.
V pevných látkach je tepelný pohyb atómov slabou osciláciou v blízkosti určitých rovnovážnych polôh, to platí pre uzly kryštálovej mriežky. Atóm má tri vibračné stupne voľnosti a podľa zákona sa molárna tepelná kapacita pevnej látky rovná 3nR, kde n je počet existujúcich atómov v molekule. V praxi je táto hodnota hranicou, ku ktorej tepelná kapacita tela pri vysokých teplotách inklinuje. Hodnota sa dosahuje pri bežných teplotných zmenách mnohých prvkov, to platí pre kovy, ako aj pre jednoduché zlúčeniny. Určuje sa aj tepelná kapacita olova a iných látok.
A čo nízke teploty?
Už vieme, čo je tepelná kapacita, ale ak hovoríme o nízkych teplotách, ako sa potom vypočíta hodnota? Ak hovoríme o indikátoroch nízkej teploty, potom sa tepelná kapacita pevného telesa ukáže ako úmerná T 3 alebo takzvanému Debyeho zákonu tepelnej kapacity. Hlavným kritériom na rozlíšenie vysokých teplôt od nízkych je ich obvyklé porovnanie s charakteristickým parametrom pre konkrétnu látku - môže to byť charakteristická alebo Debyeho teplota qD. Prezentovaná hodnota je určená vibračným spektrom atómov v produkte a výrazne závisí od kryštálovej štruktúry.
V kovoch majú vodivé elektróny určitý príspevok k tepelnej kapacite. Táto časť tepelnej kapacity sa vypočíta pomocouFermi-Diracovu štatistiku, ktorá zohľadňuje elektróny. Elektronická tepelná kapacita kovu, ktorá je úmerná obvyklej tepelnej kapacite, je relatívne malá hodnota a prispieva k tepelnej kapacite kovu len pri teplotách blízkych absolútnej nule. Potom je tepelná kapacita mriežky veľmi malá a môže byť zanedbaná.
Hmotnostná tepelná kapacita
Hmotnostné špecifické teplo je množstvo tepla, ktoré je potrebné preniesť na jednotku hmotnosti látky, aby sa produkt zohrial na jednotku teploty. Táto hodnota sa označuje písmenom C a meria sa v jouloch delených kilogramom na kelvin - J / (kg K). Toto je všetko o hromadnej tepelnej kapacite.
Čo je objemová tepelná kapacita?
Objemová tepelná kapacita je určité množstvo tepla, ktoré je potrebné pridať k jednotke objemu produktu, aby sa zohrial na jednotku teploty. Tento indikátor sa meria v jouloch delených kubickým metrom na kelvin alebo J / (m³ K). V mnohých referenčných knihách o budovách sa uvažuje o hmotnostnej špecifickej tepelnej kapacite pri práci.
Praktické využitie tepelnej kapacity v stavebníctve
Pri stavbe tepelne odolných stien sa aktívne používa veľa tepelne náročných materiálov. To je mimoriadne dôležité pre domy, ktoré sa vyznačujú periodickým vykurovaním. Napríklad rúra. Tepelne náročné výrobky a steny z nich postavené dokonale akumulujú teplo, ukladajú ho počas vykurovacích období a po vypnutí teplo postupne uvoľňujúsystém, čo umožňuje udržiavať prijateľnú teplotu počas celého dňa.
Čím viac tepla je v konštrukcii uložené, tým príjemnejšia a stabilnejšia bude teplota v miestnostiach.
Za zmienku stojí, že obyčajné tehly a betón používané v bytovej výstavbe majú oveľa nižšiu tepelnú kapacitu ako penový polystyrén. Ak vezmeme ecowool, potom je trikrát náročnejší na teplo ako betón. Treba poznamenať, že vo vzorci na výpočet tepelnej kapacity nie je zbytočné, že existuje hmotnosť. Vďaka veľkej obrovskej hmote betónu alebo tehly v porovnaní s ecowool umožňuje akumulovať obrovské množstvo tepla v kamenných stenách konštrukcií a vyrovnávať všetky denné teplotné výkyvy. Iba malé množstvo izolácie vo všetkých rámových domoch, napriek dobrej tepelnej kapacite, je najslabšou oblasťou pre všetky rámové technológie. Na vyriešenie tohto problému sú vo všetkých domoch inštalované pôsobivé tepelné akumulátory. Čo to je? Ide o konštrukčné diely, ktoré sa vyznačujú veľkou hmotnosťou s pomerne dobrým indexom tepelnej kapacity.
Príklady tepelných akumulátorov v živote
Čo to môže byť? Napríklad nejaké vnútorné tehlové steny, veľké kachle alebo krb, betónové potery.
Nábytok v každom dome či byte je výborným akumulátorom tepla, pretože preglejka, drevotrieska a drevo dokážu v skutočnosti akumulovať teplo len na kilogram hmotnosti trikrát viac ako notoricky známa tehla.
Majú tepelné akumulátory nejaké nevýhody? Samozrejme, hlavnou nevýhodou tohto prístupu jeskutočnosť, že tepelný akumulátor je potrebné navrhnúť vo fáze vytvárania usporiadania rámového domu. Všetko kvôli tomu, že je veľmi ťažký, a to bude potrebné vziať do úvahy pri vytváraní základov a potom si predstavte, ako bude tento objekt integrovaný do interiéru. Stojí za to povedať, že je potrebné brať do úvahy nielen hmotnosť, ale v práci bude potrebné vyhodnotiť obe charakteristiky: hmotnosť a tepelnú kapacitu. Ak napríklad ako zásobník tepla použijete zlato s neuveriteľnou hmotnosťou dvadsať ton na meter kubický, výrobok bude fungovať tak ako má len o dvadsaťtri percent lepšie ako betónová kocka, ktorá váži dve a pol tony.
Ktorá látka je najvhodnejšia na akumuláciu tepla?
Najlepší produkt pre akumulátor tepla vôbec nie je betón a tehla! Meď, bronz a železo to robia dobre, ale sú veľmi ťažké. Napodiv, ale najlepším akumulátorom tepla je voda! Kvapalina má pôsobivú tepelnú kapacitu, najväčšiu spomedzi látok, ktoré máme k dispozícii. Väčšiu tepelnú kapacitu majú len héliové plyny (5190 J / (kg K) a vodík (14300 J / (kg K)), ktoré sú však v praxi problematické. V prípade želania a potreby si pozrite tabuľku tepelnej kapacity látok, ktoré potreba.
