Θερμοχωρητικότητα είναι η ικανότητα να απορροφά ορισμένες ποσότητες θερμότητας κατά τη θέρμανση ή να εκπέμπεται όταν ψύχεται. Η θερμοχωρητικότητα ενός σώματος είναι ο λόγος μιας απειροελάχιστης ποσότητας θερμότητας που λαμβάνει ένα σώμα προς την αντίστοιχη αύξηση των δεικτών θερμοκρασίας του. Η τιμή μετριέται σε J/K. Στην πράξη, χρησιμοποιείται μια ελαφρώς διαφορετική τιμή - ειδική θερμότητα.
Ορισμός
Τι σημαίνει ειδική θερμότητα; Αυτή είναι μια ποσότητα που σχετίζεται με μια μεμονωμένη ποσότητα μιας ουσίας. Αντίστοιχα, η ποσότητα μιας ουσίας μπορεί να μετρηθεί σε κυβικά μέτρα, χιλιόγραμμα ή ακόμα και σε mol. Από τι εξαρτάται; Στη φυσική, η θερμοχωρητικότητα εξαρτάται άμεσα από το σε ποια ποσοτική μονάδα αναφέρεται, πράγμα που σημαίνει ότι διακρίνουν μεταξύ μοριακής, μάζας και ογκομετρικής θερμοχωρητικότητας. Στον κατασκευαστικό κλάδο, δεν θα βλέπετε γραμμομοριακές μετρήσεις, αλλά θα βλέπετε άλλες συνεχώς.
Τι επηρεάζει την ειδική θερμοχωρητικότητα;
Τι είναι η θερμοχωρητικότητα, ξέρετε, αλλά ποιες τιμές επηρεάζουν τον δείκτη δεν είναι ακόμη σαφές. Η τιμή της ειδικής θερμοχωρητικότητας επηρεάζεται άμεσα από διάφορα στοιχεία:θερμοκρασία ουσίας, πίεση και άλλα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά.
Καθώς η θερμοκρασία ενός προϊόντος αυξάνεται, η ειδική θερμοχωρητικότητα του αυξάνεται, αλλά ορισμένες ουσίες εμφανίζουν μια εντελώς μη γραμμική καμπύλη σε αυτή τη σχέση. Για παράδειγμα, με αύξηση των δεικτών θερμοκρασίας από μηδέν σε τριάντα επτά βαθμούς, η ειδική θερμική ικανότητα του νερού αρχίζει να μειώνεται και εάν το όριο είναι μεταξύ τριάντα επτά και εκατό μοιρών, τότε ο δείκτης, αντίθετα, θα αύξηση.
Αξίζει να σημειωθεί ότι η παράμετρος εξαρτάται επίσης από το πώς επιτρέπεται να αλλάξουν τα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά του προϊόντος (πίεση, όγκος κ.λπ.). Για παράδειγμα, η ειδική θερμότητα σε σταθερή πίεση και σε σταθερό όγκο θα είναι διαφορετική.
Πώς να υπολογίσετε την παράμετρο;
Σας ενδιαφέρει ποια είναι η θερμοχωρητικότητα; Ο τύπος υπολογισμού έχει ως εξής: C \u003d Q / (m ΔT). Ποιες είναι αυτές οι αξίες; Q είναι η ποσότητα θερμότητας που λαμβάνει το προϊόν όταν θερμαίνεται (ή απελευθερώνεται από το προϊόν κατά την ψύξη). m είναι η μάζα του προϊόντος και ΔT είναι η διαφορά μεταξύ της τελικής και της αρχικής θερμοκρασίας του προϊόντος. Ακολουθεί ένας πίνακας της θερμοχωρητικότητας ορισμένων υλικών.
Τι γίνεται με τον υπολογισμό της θερμικής ικανότητας;
Ο υπολογισμός της θερμοχωρητικότητας δεν είναι εύκολη υπόθεση, ειδικά εάν χρησιμοποιούνται μόνο θερμοδυναμικές μέθοδοι, είναι αδύνατο να γίνει με μεγαλύτερη ακρίβεια. Επομένως, οι φυσικοί χρησιμοποιούν τις μεθόδους της στατιστικής φυσικής ή τη γνώση της μικροδομής των προϊόντων. Πώς να υπολογίσετε το αέριο; Θερμοχωρητικότητα αερίουυπολογίζεται από τον υπολογισμό της μέσης ενέργειας θερμικής κίνησης μεμονωμένων μορίων σε μια ουσία. Οι κινήσεις των μορίων μπορεί να είναι μεταφραστικού και περιστροφικού τύπου και μέσα σε ένα μόριο μπορεί να υπάρχει ένα ολόκληρο άτομο ή δόνηση ατόμων. Οι κλασικές στατιστικές λένε ότι για κάθε βαθμό ελευθερίας περιστροφικών και μεταφορικών κινήσεων, υπάρχει μια τιμή στη μοριακή θερμοχωρητικότητα του αερίου, η οποία είναι ίση με R / 2, και για κάθε βαθμό ελευθερίας δόνησης, η τιμή είναι ίση με R Αυτός ο κανόνας ονομάζεται επίσης νόμος ισοκατανομής.
Ταυτόχρονα, ένα σωματίδιο ενός μονατομικού αερίου διαφέρει μόνο κατά τρεις μεταφορικούς βαθμούς ελευθερίας, και επομένως η θερμική του χωρητικότητα θα πρέπει να είναι ίση με 3R/2, που είναι σε εξαιρετική συμφωνία με το πείραμα. Κάθε μόριο διατομικού αερίου έχει τρεις μεταφορικούς, δύο περιστροφικούς και έναν δονητικούς βαθμούς ελευθερίας, πράγμα που σημαίνει ότι ο νόμος εξισορρόπησης θα είναι 7R/2, και η εμπειρία έχει δείξει ότι η θερμική ικανότητα ενός mol διατομικού αερίου σε κανονική θερμοκρασία είναι 5R/ 2. Γιατί υπήρχε τέτοια ασυμφωνία στη θεωρία; Όλα οφείλονται στο γεγονός ότι κατά τον καθορισμό της θερμικής ικανότητας, θα είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη διάφορα κβαντικά φαινόμενα, με άλλα λόγια, να χρησιμοποιηθούν κβαντικές στατιστικές. Όπως μπορείτε να δείτε, η θερμοχωρητικότητα είναι μια αρκετά περίπλοκη έννοια.
Η κβαντομηχανική λέει ότι οποιοδήποτε σύστημα σωματιδίων που ταλαντώνονται ή περιστρέφονται, συμπεριλαμβανομένου ενός μορίου αερίου, μπορεί να έχει ορισμένες διακριτές ενεργειακές τιμές. Εάν η ενέργεια της θερμικής κίνησης στο εγκατεστημένο σύστημα είναι ανεπαρκής για να διεγείρει ταλαντώσεις της απαιτούμενης συχνότητας, τότε αυτές οι ταλαντώσεις δεν συμβάλλουν στηνθερμική χωρητικότητα του συστήματος.
Στα στερεά, η θερμική κίνηση των ατόμων είναι μια ασθενής ταλάντωση κοντά σε ορισμένες θέσεις ισορροπίας, αυτό ισχύει για τους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος. Ένα άτομο έχει τρεις βαθμούς ελευθερίας δόνησης και, σύμφωνα με το νόμο, η μοριακή θερμοχωρητικότητα ενός στερεού είναι ίση με 3nR, όπου n είναι ο αριθμός των υπαρχόντων ατόμων στο μόριο. Στην πράξη, αυτή η τιμή είναι το όριο στο οποίο τείνει η θερμική ικανότητα του σώματος σε υψηλές θερμοκρασίες. Η τιμή επιτυγχάνεται με κανονικές αλλαγές θερμοκρασίας σε πολλά στοιχεία, αυτό ισχύει για μέταλλα, καθώς και απλές ενώσεις. Προσδιορίζεται επίσης η θερμική ικανότητα του μολύβδου και άλλων ουσιών.
Τι γίνεται με τις χαμηλές θερμοκρασίες;
Ξέρουμε ήδη τι είναι η θερμοχωρητικότητα, αλλά αν μιλάμε για χαμηλές θερμοκρασίες, πώς θα υπολογιστεί τότε η τιμή; Αν μιλάμε για δείκτες χαμηλής θερμοκρασίας, τότε η θερμοχωρητικότητα ενός στερεού σώματος αποδεικνύεται ανάλογη του T 3 ή του λεγόμενου νόμου θερμικής ικανότητας Debye. Το κύριο κριτήριο για τη διάκριση των υψηλών θερμοκρασιών από τις χαμηλές είναι η συνήθης σύγκριση τους με μια χαρακτηριστική παράμετρο για μια συγκεκριμένη ουσία - αυτή μπορεί να είναι η χαρακτηριστική θερμοκρασία ή η θερμοκρασία Debye qD. Η παρουσιαζόμενη τιμή ορίζεται από το φάσμα δόνησης των ατόμων στο προϊόν και εξαρτάται σημαντικά από την κρυσταλλική δομή.
Στα μέταλλα, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας συμβάλλουν ορισμένη στη θερμοχωρητικότητα. Αυτό το μέρος της θερμοχωρητικότητας υπολογίζεται χρησιμοποιώνταςΣτατιστικά Fermi-Dirac, η οποία λαμβάνει υπόψη τα ηλεκτρόνια. Η ηλεκτρονική θερμοχωρητικότητα ενός μετάλλου, η οποία είναι ανάλογη με τη συνήθη θερμοχωρητικότητα, είναι μια σχετικά μικρή τιμή και συμβάλλει στη θερμοχωρητικότητα του μετάλλου μόνο σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Τότε η θερμοχωρητικότητα του πλέγματος γίνεται πολύ μικρή και μπορεί να παραμεληθεί.
Μαζική θερμική ικανότητα
Ειδική θερμότητα μάζας είναι η ποσότητα θερμότητας που πρέπει να φτάσει στη μονάδα μάζας μιας ουσίας για να θερμανθεί το προϊόν ανά μονάδα θερμοκρασίας. Αυτή η τιμή συμβολίζεται με το γράμμα C και μετριέται σε τζάουλ διαιρούμενο με ένα κιλό ανά kelvin - J / (kg K). Όλα αυτά αφορούν τη μαζική θερμική ικανότητα.
Τι είναι η ογκομετρική θερμοχωρητικότητα;
Η θερμοχωρητικότητα όγκου είναι μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας που πρέπει να προστεθεί σε μια μονάδα όγκου ενός προϊόντος για να θερμανθεί ανά μονάδα θερμοκρασίας. Αυτός ο δείκτης μετράται σε τζάουλ διαιρούμενο με ένα κυβικό μέτρο ανά Kelvin ή J / (m³ K). Σε πολλά βιβλία αναφοράς κτιρίων, λαμβάνεται υπόψη η ειδική θερμική ικανότητα μάζας στην εργασία.
Πρακτική εφαρμογή της θερμικής ικανότητας στον κατασκευαστικό κλάδο
Πολλά υλικά έντασης θερμότητας χρησιμοποιούνται ενεργά στην κατασκευή θερμοανθεκτικών τοίχων. Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό για σπίτια που χαρακτηρίζονται από περιοδική θέρμανση. Για παράδειγμα, φούρνος. Τα προϊόντα έντασης θερμότητας και οι τοίχοι που κατασκευάζονται από αυτά συσσωρεύουν τέλεια θερμότητα, την αποθηκεύουν κατά τη διάρκεια χρονικών περιόδων θέρμανσης και σταδιακά απελευθερώνουν θερμότητα μετά την απενεργοποίησησύστημα, επιτρέποντας έτσι τη διατήρηση μιας αποδεκτής θερμοκρασίας όλη την ημέρα.
Έτσι, όσο περισσότερη θερμότητα αποθηκεύεται στη δομή, τόσο πιο άνετη και σταθερή θα είναι η θερμοκρασία στα δωμάτια.
Αξίζει να σημειωθεί ότι τα συνηθισμένα τούβλα και σκυρόδεμα που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή κατοικιών έχουν πολύ χαμηλότερη θερμοχωρητικότητα από τη διογκωμένη πολυστερίνη. Αν πάρουμε το ecowool, τότε είναι τρεις φορές πιο θερμοκατανάλωση από το σκυρόδεμα. Πρέπει να σημειωθεί ότι στον τύπο για τον υπολογισμό της θερμοχωρητικότητας, δεν είναι μάταιο ότι υπάρχει μάζα. Λόγω της μεγάλης τεράστιας μάζας σκυροδέματος ή τούβλου, σε σύγκριση με το ecowool, επιτρέπει τη συσσώρευση τεράστιων ποσοτήτων θερμότητας στους πέτρινους τοίχους των κατασκευών και την εξομάλυνση όλων των ημερήσιων διακυμάνσεων της θερμοκρασίας. Μόνο μια μικρή μάζα μόνωσης σε όλα τα σπίτια πλαισίου, παρά την καλή θερμοχωρητικότητα, είναι η πιο αδύναμη περιοχή για όλες τις τεχνολογίες κουφωμάτων. Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα, σε όλα τα σπίτια τοποθετούνται εντυπωσιακοί θερμοσυσσωρευτές. Τι είναι? Πρόκειται για δομικά μέρη που χαρακτηρίζονται από μεγάλη μάζα με αρκετά καλό δείκτη θερμοχωρητικότητας.
Παραδείγματα θερμοσυσσωρευτών στη ζωή
Τι θα μπορούσε να είναι; Για παράδειγμα, κάποιου είδους εσωτερικοί τοίχοι από τούβλα, μια μεγάλη σόμπα ή τζάκι, τσιμεντοκονίες.
Τα έπιπλα σε κάθε σπίτι ή διαμέρισμα είναι ένας εξαιρετικός συσσωρευτής θερμότητας, επειδή το κόντρα πλακέ, οι μοριοσανίδες και το ξύλο μπορούν πραγματικά να αποθηκεύσουν θερμότητα μόνο ανά κιλό βάρους τρεις φορές περισσότερο από το διαβόητο τούβλο.
Υπάρχουν μειονεκτήματα στους θερμοσυσσωρευτές; Φυσικά, το κύριο μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναιτο γεγονός ότι ο συσσωρευτής θερμότητας πρέπει να σχεδιαστεί στο στάδιο της δημιουργίας μιας διάταξης σπιτιού πλαισίου. Όλα αυτά οφείλονται στο γεγονός ότι είναι πολύ βαρύ και αυτό θα πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά τη δημιουργία του θεμελίου και, στη συνέχεια, φανταστείτε πώς αυτό το αντικείμενο θα ενσωματωθεί στο εσωτερικό. Αξίζει να πούμε ότι είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη όχι μόνο η μάζα, θα είναι απαραίτητο να αξιολογηθούν και τα δύο χαρακτηριστικά στην εργασία: η μάζα και η θερμοχωρητικότητα. Για παράδειγμα, εάν χρησιμοποιείτε χρυσό με απίστευτο βάρος είκοσι τόνων ανά κυβικό μέτρο ως αποθήκευση θερμότητας, τότε το προϊόν θα λειτουργεί όπως θα έπρεπε μόνο είκοσι τρία τοις εκατό καλύτερα από έναν κύβο από σκυρόδεμα, που ζυγίζει δυόμισι τόνους.
Ποια ουσία είναι η καταλληλότερη για αποθήκευση θερμότητας;
Το καλύτερο προϊόν για θερμοσυσσωρευτή δεν είναι καθόλου σκυρόδεμα και τούβλο! Ο χαλκός, ο μπρούτζος και ο σίδηρος κάνουν καλή δουλειά σε αυτό, αλλά είναι πολύ βαριά. Παραδόξως, αλλά ο καλύτερος συσσωρευτής θερμότητας είναι το νερό! Το υγρό έχει εντυπωσιακή θερμοχωρητικότητα, τη μεγαλύτερη από τις ουσίες που έχουμε στη διάθεσή μας. Μόνο τα αέρια ηλίου (5190 J / (kg K) και υδρογόνο (14300 J / (kg K)) έχουν μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα, αλλά είναι προβληματική η εφαρμογή τους στην πράξη. Εάν είναι επιθυμητό και απαραίτητο, δείτε τον πίνακα θερμοχωρητικότητας των ουσιών που ανάγκη.
