Водата е едно от най-невероятните вещества. Въпреки широкото и масово използване, той е истинска загадка на природата. Като едно от съединенията на кислорода, водата, изглежда, трябва да има много ниски характеристики като замръзване, топлина на изпарение и т.н. Но това не се случва. Топлинният капацитет само на водата въпреки всичко е изключително висок.

Водата може да абсорбира голяма суматоплина, докато практически не се нагрява - това е неговото физическа характеристика. водата е приблизително пет пъти по-висок от топлинния капацитет на пясъка и десет пъти по-висок от този на желязото. Следователно водата е естествен охладител. Способността му да се натрупва голям бройенергията позволява да се изгладят температурните колебания на повърхността на Земята и да се регулира топлинният режим на цялата планета и това се случва независимо от времето на годината.

Това уникален имотводата позволява да се използва като охлаждаща течност в промишлеността и у дома. Освен това водата е широко достъпна и сравнително евтина суровина.

Какво се разбира под топлинен капацитет? Както е известно от курса на термодинамиката, преносът на топлина винаги се извършва от горещо към студено тяло. При което ние говорим заотносно прехода определена суматоплина, а температурата на двете тела, като характеристика на тяхното състояние, показва посоката на този обмен. В процеса на метално тяло с вода с еднаква маса при същото начални температуриметалът променя температурата си няколко пъти повече от водата.

Ако приемем за постулат основното твърдение на термодинамиката - от две тела (изолирани от другите), при топлообмен едното отдава, а другото получава еднакво количество топлина, то става ясно, че металът и водата имат напълно различна топлина капацитети.

По този начин топлинният капацитет на водата (както и на всяко вещество) е показател, характеризиращ способността на дадено вещество да даде (или да получи) нещо при охлаждане (нагряване) на единица температура.

Специфичният топлинен капацитет на дадено вещество е количеството топлина, необходимо за нагряване на единица от това вещество (1 килограм) с 1 градус.

Количеството топлина, отделено или погълнато от тялото, е равно на произведението от специфичния топлинен капацитет, масата и температурната разлика. Измерва се в калории. Една калория е точно количеството топлина, което е достатъчно, за да загрее 1 g вода с 1 градус. За сравнение: специфичният топлинен капацитет на въздуха е 0,24 cal/g ∙°C, на алуминия - 0,22, на желязото - 0,11, на живака - 0,03.

Топлинният капацитет на водата не е постоянен. При повишаване на температурата от 0 до 40 градуса тя леко намалява (от 1,0074 до 0,9980), докато за всички останали вещества тази характеристика се увеличава при нагряване. Освен това може да намалее с увеличаване на налягането (на дълбочина).

Както знаете, водата има три агрегатни състояния – течно, твърдо (лед) и газообразно (пара). В същото време специфичният топлинен капацитет на леда е приблизително 2 пъти по-нисък от този на водата. Това е основната разлика между водата и други вещества, чийто специфичен топлинен капацитет не се променя в твърдо и разтопено състояние. каква е тайната

Факт е, че ледът има кристална структура, която не се разпада веднага при нагряване. Водата съдържа малки ледени частици, състоящи се от няколко молекули, наречени асоциати. Когато водата се нагрява, част от нея се изразходва за разрушаване на водородните връзки в тези образувания. Това обяснява необичайно високия топлинен капацитет на водата. Връзките между неговите молекули се разрушават напълно само когато водата се трансформира в пара.

Специфичният топлинен капацитет при температура 100° C почти не се различава от този на леда при 0° C. Това още веднъж потвърждава правилността на това обяснение. Топлинният капацитет на парата, подобно на топлинния капацитет на леда, в момента е много по-добре проучен от водата, по отношение на който учените все още не са постигнали консенсус.

Таблицата показва топлофизичните свойства на водната пара на линията на насищане в зависимост от температурата. Свойствата на парата са дадени в таблицата в температурния диапазон от 0,01 до 370°C.

Всяка температура съответства на налягането, при което водната пара е в състояние на насищане. Например, при температура на водната пара от 200 ° C, нейното налягане ще бъде 1,555 MPa или около 15,3 atm.

Специфичният топлинен капацитет на парата, топлопроводимостта и парата се увеличават с повишаване на температурата. Увеличава се и плътността на водните пари. Водната пара става гореща, тежка и вискозна, с висок специфичен топлинен капацитет, което има положителен ефект върху избора на пара като охлаждаща течност в някои видове топлообменници.

Например, според таблицата, специфичният топлинен капацитет на водната пара C pпри температура 20 ° C е 1877 J / (kg deg), а при нагряване до 370 ° C топлинният капацитет на парата се увеличава до стойност от 56 520 J / (kg deg).

Таблицата показва следните термофизични свойства на водната пара на линията на насищане:

• налягане на парите при определена температура p·10 -5, Pa;
• плътност на парите ρ″ , kg/m 3 ;
• специфична (масова) енталпия ч″, kJ/kg;
• r, kJ/kg;
• специфичен топлинен капацитет на парата C p, kJ/(kg deg);
• коефициент на топлопроводимост λ·10 2, W/(m deg);
• коефициент на топлопроводимост а·10 6, m 2 /s;
• динамичен вискозитет μ·10 6, Pas·s;
• кинематичен вискозитет ν·10 6, m 2 /s;
• Числото на Прандтл Пр.

Специфичната топлина на изпаряване, енталпията, коефициентът на топлинна дифузия и кинематичният вискозитет на водната пара намаляват с повишаване на температурата. Динамичният вискозитет и числото на Прандтл на парата се увеличават.

Бъди внимателен! Топлинната проводимост в таблицата е посочена на степен 10 2. Не забравяйте да разделите на 100! Например топлопроводимостта на парата при температура 100°C е 0,02372 W/(m deg).

Топлопроводимост на водната пара при различни температури и налягания

Таблицата показва стойностите на топлопроводимостта на водата и водните пари при температури от 0 до 700 ° C и налягане от 0,1 до 500 atm. Размер на топлопроводимост W/(m deg).

Линията под стойностите в таблицата означава фазовия преход на водата в пара, т.е. числата под линията се отнасят за пара, а тези над нея - за вода. Според таблицата се вижда, че стойността на коефициента и водната пара се увеличава с увеличаване на налягането.

Забележка: топлопроводимостта в таблицата е посочена в степени на 10 3. Не забравяйте да разделите на 1000!

Топлопроводимост на водните пари при високи температури

Таблицата показва стойностите на топлопроводимостта на дисоциирана водна пара в измерение W/(m deg) при температури от 1400 до 6000 K и налягане от 0,1 до 100 atm.

Съгласно таблицата топлопроводимостта на водната пара при високи температури се увеличава значително в района на 3000...5000 K. При високи стойности на налягането максималният коефициент на топлопроводимост се постига при по-високи температури.

Бъди внимателен! Топлинната проводимост в таблицата е посочена на степен 10 3. Не забравяйте да разделите на 1000!

Днес ще говорим за това какъв е топлинният капацитет (включително вода), какви видове идва и къде се използва този физически термин. Ще покажем също колко полезна е стойността на тази стойност за водата и парата, защо трябва да я познавате и как тя влияе на ежедневието ни.

Концепцията за топлинен капацитет

Това физическо количество се използва толкова често във външния свят и науката, че преди всичко трябва да говорим за него. Още първата дефиниция ще изисква от читателя известна готовност, поне по отношение на разликите. И така, топлинният капацитет на едно тяло се определя във физиката като съотношението на увеличенията на безкрайно малко количество топлина към съответното безкрайно малко количество температура.

Количество топлина

Почти всеки разбира какво е температура, по един или друг начин. Нека припомним, че „количество топлина” не е просто фраза, а термин, обозначаващ енергията, която тялото губи или получава при обмен с околната среда. Тази стойност се измерва в калории. Тази единица е позната на всички жени, които са на диета. Скъпи дами, вече знаете какво изгаряте на бягащата пътека и какво струва всяко парче храна, което изядете (или оставите в чинията си). По този начин всяко тяло, чиято температура се променя, изпитва увеличаване или намаляване на количеството топлина. Съотношението на тези количества е топлинният капацитет.

Приложение на топлинния капацитет

Въпреки това, строга дефиниция на това, което обмисляме физическа концепциядоста рядко се използва самостоятелно. По-горе казахме, че много често се използва в Ежедневието. Тези, които не харесваха физиката в училище, сега вероятно са объркани. И ние ще повдигнем завесата на тайната и ще ви кажем, че топла (и дори студена) вода в крана и в отоплителните тръби се появява само благодарение на изчисленията на топлинния капацитет.

Метеорологичните условия, които определят дали плувният сезон вече може да бъде открит или си струва да останете на брега за момента, също вземат предвид тази стойност. Всяко устройство, свързано с отопление или охлаждане (маслен радиатор, хладилник), всички енергийни разходи при приготвяне на храна (например в кафене) или уличен мек сладолед се влияят от тези изчисления. Както можете да разберете, говорим за такова количество като топлинния капацитет на водата. Би било глупаво да се предположи, че това се прави от продавачи и обикновени потребители, но инженерите, дизайнерите и производителите взеха всичко предвид и поставиха подходящите параметри в домакински уреди. Изчисленията на топлинния капацитет обаче се използват много по-широко: в хидравличните турбини и производството на цимент, при изпитване на сплави за самолети или железопътни линии, в строителството, топенето и охлаждането. Дори изследването на космоса разчита на формули, съдържащи тази стойност.

Видове топлинен капацитет

И така, във всички практически приложенияизползвайте относителен или специфичен топлинен капацитет. Дефинира се като количеството топлина (забележете, без безкрайно малки количества), необходимо за нагряване на единица количество вещество с един градус. Градусите по скалите на Келвин и Целзий са еднакви, но във физиката е обичайно тази стойност да се нарича в първите единици. В зависимост от това как се изразява единицата за количество на дадено вещество, се разграничават масов, обемен и моларен специфичен топлинен капацитет. Спомнете си, че един мол е количество вещество, което съдържа приблизително шест до десет молекули на двадесет и трета степен. В зависимост от задачата се използва съответната топлинна мощност, тяхното обозначение във физиката е различно; Масовият топлинен капацитет се обозначава като C и се изразява в J/kg*K, обемният топлинен капацитет е C` (J/m 3 *K), моларният топлинен капацитет е C μ (J/mol*K).

Идеален газ

Ако се решава задачата за идеален газ, тогава изразът за него е различен. Нека припомним, че в това вещество, което не съществува в действителност, атомите (или молекулите) не взаимодействат помежду си. Това качество радикално променя всички свойства на идеалния газ. Следователно традиционните подходи към изчисленията няма да дадат желания резултат. Идеален газ е необходим като модел за описание на електрони в метал, например. Неговият топлинен капацитет се определя като броя на степените на свобода на частиците, от които се състои.

Агрегатно състояние

Изглежда, че всичко е за веществото физически характеристикиса еднакви при всички условия. Но това не е вярно. При преместване в друг агрегатно състояние(по време на топене и замръзване на лед, по време на изпаряване или втвърдяване на разтопен алуминий), тази стойност се променя рязко. По този начин топлинният капацитет на водата и водната пара са различни. Както ще видим по-долу, значително. Тази разлика силно влияе върху използването както на течните, така и на газообразните компоненти на това вещество.

Отопление и топлинна мощност

Както читателят вече е забелязал, топлинният капацитет на водата най-често се появява в реалния свят. Тя е изворът на живота, без нея нашето съществуване е невъзможно. Човек има нужда от това. Следователно, от древността до съвремието, задачата за доставяне на вода до домовете и индустриите или полетата винаги е била предизвикателство. Добре за тези страни, които имат през цялата годинаположителна температура. Древните римляни са построили акведукти, за да снабдяват градовете си с този ценен ресурс. Но там, където има зима, този метод не би бил подходящ. Ледът, както е известно, има по-голям специфичен обем от водата. Това означава, че когато замръзне в тръбите, той ги разрушава поради разширяване. По този начин, преди инженерите централно отоплениеи доставка горещи и студена водаПредизвикателството у дома е как да се избегне това.

Топлинният капацитет на водата, като се вземе предвид дължината на тръбите, ще даде необходимата температура, до която трябва да се нагреят котлите. Въпреки това нашите зими могат да бъдат много студени. И при сто градуса по Целзий вече се получава кипене. В тази ситуация на помощ идва специфичният топлинен капацитет на водните пари. Както беше отбелязано по-горе, състоянието на агрегиране променя тази стойност. Е, котлите, които доставят топлина в домовете ни, съдържат силно прегрята пара. Тъй като има висока температура, създава невероятно налягане, така че котлите и тръбите, водещи до тях, трябва да са много издръжливи. IN в такъв случайдори малка дупка, много малък теч може да доведе до експлозия. Топлинният капацитет на водата зависи от температурата и то нелинейно. Тоест, загряването му от двадесет до тридесет градуса ще изисква различно количество енергия, отколкото, да речем, от сто петдесет до сто шестдесет.

За всякакви действия, които включват нагряване на вода, това трябва да се вземе предвид, особено ако говорим за големи обеми. Топлинният капацитет на парата, подобно на много от нейните свойства, зависи от налягането. При същата температура като течно състояние, газообразният има почти четири пъти по-малък топлинен капацитет.

По-горе дадохме много примери защо е необходимо да се загрява вода и как е необходимо да се вземе предвид големината на топлинния капацитет. Все още обаче не сме ви казали, че сред всички налични ресурси на планетата тази течност има достатъчно висока оценкаразходи за енергия за отопление. Този имотчесто се използва за охлаждане.

Тъй като топлинният капацитет на водата е висок, тя ефективно и бързо ще абсорбира излишната енергия. Това се използва в производството, във високотехнологично оборудване (например в лазери). А у дома може би най-много знаем това ефективен методохладени твърдо сварени яйца или горещ тиган - изплакнете под течаща студена вода.

А принципът на работа на атомните ядрени реактори обикновено се основава на високия топлинен капацитет на водата. Горещата зона, както подсказва името, има невероятно висока температура. Загрявайки се, водата охлажда системата, предотвратявайки излизането на реакцията извън контрол. Така получаваме необходимото електричество (нагрятата пара върти турбините) и не се случва катастрофа.

Енталпияе свойство на вещество, което показва количеството енергия, което може да се превърне в топлина.

Енталпияе термодинамично свойство на вещество, което показва енергийно ниво, запазена в молекулярната си структура. Това означава, че въпреки че дадено вещество може да има енергия, базирана на , не цялата тя може да се преобразува в топлина. Част от вътрешната енергия винаги остава в субстанциятаи поддържа своята молекулярна структура. Част от веществото е недостъпна, когато температурата му се доближава до температурата заобикаляща среда. следователно енталпияе количеството енергия, което е налично за преобразуване в топлина при определена температура и налягане. Единици за енталпия- Британска топлинна единица или джаул за енергия и Btu/lbm или J/kg за специфична енергия.

Енталпийно количество

Количество енталпия на материятавъз основа на зададената температура. Тази температура- това е стойността, която се избира от учени и инженери като основа за изчисления. Това е температурата, при която енталпията на дадено вещество е нула J. С други думи, веществото няма налична енергия, която може да се преобразува в топлина. Тази температура е различна за различните вещества. Например тази температура на водата е тройната точка (0 °C), азотът е -150 °C, а хладилните агенти на базата на метан и етан са -40 °C.

Ако температурата на дадено вещество е по-висока от зададената му температура или промени състоянието си в газообразно състояние при дадена температура, енталпията се изразява като положително число. Обратно, при температура под дадена енталпия на дадено вещество се изразява отрицателно число. Енталпията се използва в изчисленията за определяне на разликата в енергийните нива между две състояния. Това е необходимо за конфигуриране на оборудването и определяне полезно действиепроцес.

Енталпиячесто се определя като обща енергия на материята, тъй като е равна на сбора от неговата вътрешна енергия (u) в дадено състояние заедно със способността му да извършва работа (pv). Но в действителност енталпията не показва общата енергия на дадено вещество при дадена температура над абсолютната нула (-273°C). Следователно, вместо да определя енталпиякато общата топлина на дадено вещество, по-точно се определя като общото количество налична енергия на веществото, което може да се преобразува в топлина.
H = U + pV

В тази кратка статия ще разгледаме накратко едно от най-важните свойства на водата за нашата планета, нейното Топлинен капацитет.

Специфичен топлинен капацитет на водата

Нека направим кратко тълкуване на този термин:

Топлинен капацитетвещество е способността му да акумулира топлина. Тази стойност се измерва с количеството топлина, погълната от него при нагряване с 1°C. Например, топлинният капацитет на водата е 1 cal/g, или 4,2 J/g, а топлинният капацитет на почвата при 14,5-15,5°C (в зависимост от типа на почвата) варира от 0,5 до 0,6 cal (2 ,1-2,5 J) на единица обем и от 0,2 до 0,5 cal (или 0,8-2,1 J) на единица маса (грамове).

Топлинният капацитет на водата има значително влияние върху много аспекти от живота ни, но в този материал ще се съсредоточим върху нейната роля в образуването температурен режимна нашата планета, а именно...

Топлинният капацитет на водата и климатът на Земята

Топлинен капацитетводата в абсолютната си стойност е доста голяма. От горното определение виждаме, че той значително надвишава топлинния капацитет на почвата на нашата планета. Поради тази разлика в топлинния капацитет, почвата, в сравнение с водите на световния океан, се нагрява много по-бързо и съответно се охлажда по-бързо. Благодарение на по-инертните океани, колебанията в дневните и сезонните температури на Земята не са толкова големи, колкото биха били при липсата на океани и морета. Тоест през студения сезон водата затопля Земята, а през топлия сезон охлажда. Естествено, това влияние е най-забележимо в крайбрежните райони, но в световен мащаб то засяга цялата планета.

Естествено, колебанията в дневните и сезонните температури се влияят от много фактори, но водата е един от най-важните.

Увеличаването на амплитудата на колебанията на дневните и сезонните температури би променило коренно света около нас.

Например всички са добре известен факт— камъкът губи силата си и става крехък при резки температурни колебания. Очевидно ние самите бихме били „донякъде“ различни. Определено поне щяха да са различни физически параметринашето тяло.

Аномални свойства на топлинния капацитет на водата

Топлинният капацитет на водата е аномални свойства. Оказва се, че с повишаване на температурата на водата, нейният топлинен капацитет намалява; тази динамика се запазва до 37 ° C; при по-нататъшно повишаване на температурата топлинният капацитет започва да нараства.

Този факт съдържа едно интересно твърдение. Относително казано, самата природа, в лицето на Водата, е определила най-много 37°C комфортна температураза човешкото тяло, при условие, разбира се, че всички други фактори са изпълнени. При всяка динамика на промяна на температурата на околната среда температурата на водата клони към 37°C.