Вода є однією з найдивовижніших речовин. Незважаючи на широке поширення та повсюдне використання, вона – справжня загадка природи. Будучи однією з сполук кисню, вода, здавалося б, повинна мати дуже низькими такі властивості, як і замерзання, теплота пароутворення тощо. Але цього немає. Одна лише теплоємність води, попри все, надзвичайно висока.

Вода здатна поглинати величезна кількістьтепла, сама при цьому практично не нагріваючись - у цьому її фізична особливість. води вище за теплоємність піску приблизно в п'ять разів, і в десять разів - заліза. Тому вода є природним охолоджувачем. Її властивість накопичувати велика кількістьенергії дозволяє згладжувати коливання температури на поверхні Землі та регулювати тепловий режим у рамках усієї планети, причому відбувається це незалежно від пори року.

Це унікальна властивістьводи дозволяє використовувати її як охолоджувальну речовину в промисловості та в побуті. До того ж вода є загальнодоступною та порівняно дешевою сировиною.

Що ж розуміється під теплоємністю? Як відомо з курсу термодинаміки, передача тепла відбувається завжди від гарячого до холодного тіла. При цьому йдетьсяпро перехід певної кількостітепла, а температура обох тіл, будучи характеристикою стану, показує напрям цього обміну. У процесі металевого тіла з водою рівної маси за однакових вихідних температурахметал змінює свою температуру в кілька разів більше за воду.

Якщо прийняти за постулат основне твердження термодинаміки - із двох тіл (ізольованих від інших), при теплообміні одне віддає, а інше отримує однакову кількість тепла, стає ясно, що у металу і води зовсім різна теплоємність.

Таким чином, теплоємність води (як і будь-якої речовини) - це показник, що характеризує здатність даної речовини віддавати (або отримувати) якусь при охолодженні на одиницю температури.

Питомою теплоємністю речовини вважається кількість тепла, яка потрібна для того, щоб нагріти одиницю цієї речовини (1 кілограм) на 1 градус.

Кількість тепла, що виділяється або поглинається тілом, дорівнює добутку величин питомої теплоємності, маси та різниці температур. Вимірюється воно у калоріях. Одна калорія - саме та кількість тепла, якого достатньо, щоб нагріти 1 г води на 1 градус. Для порівняння: питома теплоємність повітря – 0.24 кал/г ∙°С, алюмінію – 0.22, заліза – 0.11, ртуті – 0.03.

Теплоємність води не є константою. Зі зростанням температури від 0 до 40 градусів вона трохи знижується (від 1,0074 до 0,9980), тоді як у всіх інших речовин у процесі нагрівання ця характеристика зростає. Крім того, вона може знижуватися зі зростанням тиску (на глибині).

Як відомо, вода має три агрегатні стани - рідкий, твердий (лід) і газоподібний (пар). При цьому питома теплоємність льоду приблизно вдвічі нижча, ніж у води. У цьому - основна відмінність води від інших речовин, величини питомої теплоємності яких у твердому та розплавленому стані не змінюються. У чому тут секрет?

Справа в тому, що крига має кристалічну структуру, яка при нагріванні руйнується не відразу. Вода містить невеликі частинки льоду, що складаються з кількох молекул і звані асоціатами. При нагріванні води частина витрачається на руйнування водневих зв'язків у цих утворах. Цим і пояснюється надзвичайно висока теплоємність води. Повністю зв'язок між її молекулами руйнуються лише за переході води у пару.

Питома теплоємність при температурі 100° майже не відрізняється від такої у льоду при 0° С. Це ще раз підтверджує правильність даного пояснення. Теплоємність пари, як і теплоємність льоду, в даний час вивчені набагато краще, ніж води, щодо якої вчені досі не дійшли єдиної думки.

У таблиці представлені теплофізичні властивості водяної пари на лінії насичення залежно від температури. Властивості пари наведені у таблиці в інтервалі температури від 0,01 до 370°С.

Кожній температурі відповідає тиск, при якому водяна пара знаходиться в стані насичення. Наприклад, при температурі водяної пари 200°С її тиск становитиме величину 1,555 МПа або близько 15,3 атм.

Питома теплоємність пари, теплопровідність та її збільшуються у міру зростання температури. Також зростає і щільність водяної пари. Водяна пара стає гарячою, важкою і в'язкою, з високим значенням питомої теплоємності, що позитивно впливає на вибір пари в якості теплоносія в деяких типах теплообмінних апаратів.

Наприклад, за даними таблиці, питома теплоємність водяної пари C pпри температурі 20°С дорівнює 1877 Дж/(кгград), а при нагріванні до 370°С теплоємність пари збільшується до значення 56520 Дж/(кгград).

У таблиці наведено наступні теплофізичні властивості водяної пари на лінії насичення:

• тиск пари при вказаній температурі p·10 -5, Па;
• щільність пари ρ″ , кг/м3;
• питома (масова) ентальпія h″, кДж/кг;
• r, кДж/кг;
• питома теплоємність пари C p, кДж / (кг · град);
• коефіцієнт теплопровідності λ·10 2, Вт / (м · град);
• коефіцієнт температуропровідності a·10 6, м2/с;
• динамічна в'язкість μ·10 6, Па · с;
• в'язкість кінематична ν·10 6, м2/с;
• число Прандтля Pr.

Питома теплота пароутворення, ентальпія, коефіцієнт температуропровідності та кінематична в'язкість водяної пари зі збільшенням температури знижуються. Динамічна в'язкість та число Прандтля пари при цьому збільшуються.

Будьте уважні! Теплопровідність у таблиці вказана у ступеню 10 2 . Не забудьте поділити на 100! Наприклад, теплопровідність пари при температурі 100°С дорівнює 0,02372 Вт/(м·град).

Теплопровідність водяної пари при різних температурах та тисках

У таблиці наведено значення теплопровідності води та водяної пари при температурах від 0 до 700°З тиску від 0,1 до 500 атм. Розмір теплопровідності Вт/(м·град).

Риса під значеннями в таблиці означає фазовий перехід води в пару, тобто цифри під межею відносяться до пари, а вище за неї - до води. За даними таблиці видно, що значення коефіцієнта та водяної пари збільшується у міру зростання тиску.

Примітка: теплопровідність таблиці вказана в ступеню 10 3 . Не забудьте поділити на 1000!

Теплопровідність водяної пари при високих температурах

У таблиці наведено значення теплопровідності дисоційованої водяної пари у розмірності Вт/(м·град) при температурах від 1400 до 6000 K та тиску від 0,1 до 100 атм.

За даними таблиці, теплопровідність водяної пари при високих температурах помітно збільшується в області 3000 ... 5000 К. При високих значеннях тиску максимум коефіцієнта теплопровідності досягається при більш високих температурах.

Будьте уважні! Теплопровідність у таблиці вказана у ступеню 10 3 . Не забудьте поділити на 1000!

Сьогодні розповімо у тому, що таке теплоємність (води зокрема), яких видів вона буває і де використовується цей фізичний термін. Також покажемо, наскільки корисним є значення цієї величини для води та пари, навіщо потрібно її знати і як вона впливає на наше повсякденне життя.

Поняття теплоємності

Ця фізична величина настільки часто використовується в навколишньому світі та науці, що перш за все треба розповісти про неї. Найперше визначення вимагатиме від читача деякої підготовленості як мінімум у диференціалах. Отже, теплоємність тіла визначається у фізиці як відношення прирощень нескінченно малої кількості теплоти до відповідної йому нескінченно малої кількості температури.

Кількість теплоти

Що таке температура так чи інакше розуміють майже всі. Нагадаємо, що «кількість теплоти» - не просто словосполучення, а термін, що означає ту енергію, яку тіло втрачає або набуває при обміні з навколишнім середовищем. Вимірюється ця величина у калоріях. Ця одиниця знайома всім жінкам, які сидять на дієтах. Дорогі пані, тепер ви знаєте, що спалюєте на біговій доріжці і чому дорівнює кожен з'їдений (або залишений на тарілці) шматок їжі. Таким чином, будь-яке тіло, температура якого змінюється, відчуває збільшення або зменшення кількості теплоти. Співвідношення цих величин є теплоємність.

Застосування теплоємності

Однак суворе визначення ми розглядаємо фізичного поняттядосить рідко використовується саме собою. Вище ми говорили, що воно часто застосовується в повсякденному житті. Ті, хто в школі фізику не любили, зараз, мабуть, дивуються. А ми піднімемо завісу таємниці і розповімо, що гаряча (і навіть холодна) вода в крані та трубах опалення з'являється тільки завдяки розрахункам теплоємності.

Погодні умови, які визначають, чи можна вже відкрити купальний сезон, чи поки варто залишитися на березі, теж враховують цю величину. Будь-який прилад, пов'язаний з нагріванням або охолодженням (масляний радіатор, холодильник), всі витрати на енергію при приготуванні їжі (наприклад, в кафе) або м'якого вуличного морозива виявляються під впливом цих розрахунків. Як можна зрозуміти, йдеться про таку величину, як теплоємність води. Безглуздо було б припускати, що це роблять продавці та звичайні споживачі, а ось інженери, проектувальники, виробники все врахували та вклали відповідні параметри в побутову техніку. Однак розрахунки теплоємності використовуються набагато ширше: у гідротурбінах та виробництві цементів, у випробуваннях сплавів для літаків або залізничних потягів, при будівництві, плавці, охолодженні. Навіть дослідження космосу спираються на формули, що містять цю величину.

Види теплоємності

Отже, у всіх практичних застосуванняхвикористовують відносну чи питому теплоємність. Вона визначається як кількість теплоти (зауважте, ніяких нескінченно малих величин), необхідне, щоб нагріти одиницю кількості речовини на градус. Градуси за шкалою Кельвіна та Цельсія збігаються, проте у фізиці прийнято називати цю величину у перших одиницях. Залежно від того, як виражається одиниця кількості речовини, розрізняють масову, об'ємну та молярну питому теплоємність. Нагадаємо, що одна моль - це така кількість речовини, яка містить приблизно шість на десять у двадцять третього ступеня молекул. Залежно від завдання застосовується відповідна теплоємність, їх позначення у фізиці по-різному. Масова теплоємність позначається як і виявляється у Дж/кг*К, об'ємна - З` (Дж/м 3 *К), молярна - З μ (Дж/моль*К).

Ідеальний газ

Якщо вирішується завдання про ідеальний газ, то для нього вираз інший. Нагадаємо, у цієї неіснуючої насправді речовини атоми (або молекули) не взаємодіють між собою. Ця якість кардинально змінює будь-які властивості ідеального газу. Тому традиційні підходи до розрахунків не дадуть потрібного результату. Ідеальний газ потрібен як модель для опису електронів у металі, наприклад. Його теплоємність визначається як число ступенів свободи частинок, з яких складається.

Агрегатний стан

Здається, що для речовини все фізичні характеристикиоднакові за всіх умов. Але це негаразд. При переході в інше агрегатний стан(при таненні та замерзанні льоду, при випаровуванні чи застиганні розплавленого алюмінію), ця величина змінюється ривком. Таким чином, теплоємність води та водяної пари різняться. Як побачимо нижче, значно. Ця різниця сильно впливає на використання як рідкої, так і газоподібної складової цієї речовини.

Опалення та теплоємність

Як уже зауважив читач, найчастіше у реальному світі фігурує теплоємність води. Вона джерело життя, без нього наше існування неможливе. Вона потрібна людині. Тому з давніх-давен до сучасності завжди стояло завдання доставки води в будинки і на виробництва або поля. Добре тим країнам, у яких цілий рікПозитивна температура. Стародавні римляни будували акведуки, щоб забезпечити цим цінним ресурсом свої міста. А ось там, де є зима, цей спосіб не підійшов би. Лід, як відомо, має більший питомий об'єм, ніж вода. Це означає, що замерзаючи в трубах, вона їх руйнує внаслідок розширення. Таким чином, перед інженерами центрального опаленнята доставки гарячої та холодної водиу будинку стоїть завдання - як цього уникнути.

Теплоємність води при врахуванні довжини труб дасть необхідну температуру, до якої треба нагріти казани. Однак зими у нас дуже холодні. А за ста градусів Цельсія вже відбувається кипіння. У цій ситуації на допомогу приходить питома теплоємність водяної пари. Як зазначалося вище, агрегатний стан змінює цю величину. Ну а в котлах, які несуть нашим будинкам тепло, знаходиться сильно перегріта пара. Через те, що у нього висока температура, він створює неймовірний тиск, тому котли та труби, що ведуть до них, повинні бути дуже міцними. У даному випадкунавіть маленька дірочка, зовсім невеликий витік здатний призвести до вибуху. Теплоємність води залежить від температури, причому нелінійно. Тобто для нагрівання її з двадцяти до тридцяти градусів буде потрібна інша кількість енергії, ніж, скажімо, зі ста п'ятдесяти до ста шістдесяти.

При будь-яких діях, які стосуються нагрівання води, це варто враховувати, особливо якщо йдеться про великі обсяги. Теплоємність пари, як і багато її властивостей, залежить від тиску. При тій же температурі, що й рідкий стан, газоподібне має майже вчетверо меншу теплоємність.

Вище ми навели багато прикладів у тому, навіщо потрібно нагрівати воду і як у своїй необхідно враховувати величину теплоємності. Однак ми ще не розповіли, що серед усіх доступних ресурсів планети ця рідина має достатньо високим показникомвитрати енергії на нагрівання Ця властивістьчасто застосовується для охолодження.

Оскільки теплоємність води висока, вона ефективно і швидко забере надлишки енергії. Застосовується це на виробництвах, високотехнологічному обладнанні (наприклад, в лазерах). Та й удома ми напевно знаємо, що самий ефективний спосібохолодити зварені круто яйця або гарячу сковорідку - обполоснути під холодним струменем з-під крана.

А принцип дії атомних ядерних реакторів взагалі будується на високій теплоємності води. Гаряча зона, як видно з назви, має неймовірно високу температуру. Нагріваючись сама, вода цим охолоджує систему, не даючи реакції вийти з-під контролю. Таким чином, ми отримуємо необхідну електроенергію (нагріта пара обертає турбіни), і не відбувається катастрофи.

Ентальпія- це властивість речовини, що вказує кількість енергії, яку можна перетворити на теплоту.

Ентальпія- це термодинамічна властивість речовини, яка вказує рівень енергії, Збережена в його молекулярній структурі. Це означає, що, хоча речовина може мати енергію на підставі , не всю її можна перетворити на теплоту. Частина внутрішньої енергії завжди залишається в речовиніта підтримує його молекулярну структуру. Частина речовини недоступна, коли її температура наближається до температури навколишнього середовища. Отже, ентальпія- це кількість енергії, яка доступна для перетворення в теплоту за певної температури і тиску. Одиниці ентальпії- британська теплова одиниця або джоуль для енергії та Btu/lbm або Дж/кг для питомої енергії.

Кількість ентальпії

Кількість ентальпії речовинизасноване на даній температурі. Ця температура- це значення, яке обрано вченими та інженерами, як основу для обчислень. Це температура, за якої ентальпія речовини дорівнює нулю Дж. Іншими словами, речовина не має доступної енергії, яку можна перетворити на теплоту. Ця температура у різних речовин різна. Наприклад, дана температура води - це потрійна точка (Про °С), азоту -150°С, а холодоагентів на основі метану та етану -40°С.

Якщо температура речовини вище за цю температуру або змінює стан на газоподібний при даній температурі, ентальпія виражається позитивним числом. І навпаки при температурі нижче даної ентальпія речовини виражається негативним числом. Ентальпія використовується у обчисленнях для визначення різниці рівнів енергії між двома станами. Це необхідно для налаштування обладнання та визначення корисної діїпроцесу.

Ентальпіючасто визначають як повну енергію речовини, так як вона дорівнює сумі його внутрішньої енергії (і) в даному стані поряд з його здатністю виконати роботу (pv). Але насправді ентальпія не вказує повну енергію речовини за даної температури вище абсолютного нуля (-273°С). Отже, замість того, щоб визначати ентальпіюяк повну теплоту речовини, більш точно визначати її як загальну кількість доступної енергії речовини, яку можна перетворити на теплоту.
H = U + pV

У цьому невеликому матеріалі ми коротко розглянемо одну з найважливіших для нашої планети властивостей води, її Теплоємність.

Питома теплоємність води

Зробимо коротку інтерпретацію цього терміна:

Теплоємністьречовини це його здатність акумулювати тепло. Вимірюється ця величина кількістю тепла, що поглинається ним, при нагріванні на 1°С. Наприклад, теплоємність води - 1 кал/г, або 4,2 Дж/г, а ґрунту - при 14,5-15,5°С (залежно від типу ґрунту) коливається від 0,5 до 0,6 кал (2 ,1-2,5 Дж) на одиницю об'єму та від 0,2 до 0,5 кал (або 0,8-2,1 Дж) на одиницю маси (грами).

Теплоємність води істотно впливає на багато аспектів нашого життя, але в цьому матеріалі ми зробимо акцент на її роль у формуванні температурного режимунашої планети, а саме …

Теплоємність води та клімат Землі

Теплоємністьводи за своїм абсолютним значенням досить велика. З наведеного вище визначення бачимо, що вона значно перевищує теплоємність грунту нашої планети. Через таку різницю теплоємностей ґрунт, порівняно з водами світового океану, значно швидше нагрівається і відповідно швидше остигає. Завдяки більш інертному світовому океану коливання добових і сезонних температур Землі не такі великі, як були б у разі відсутності океанів та морів. Т. е. в холодну пору року вода гріє Землю, а в теплу охолоджує. Природно цей вплив найбільш відчутно у прибережних районах, але глобальному усередненому вимірі впливає всю планету.

Природно, що коливання добових і сезонних температур впливає безліч чинників, але вода одна із найважливіших.

Збільшення амплітуди коливань добових і сезонних температур радикально змінило б навколишній світ.

Наприклад, усім добре відомий факт- Камінь при різких температурних коливаннях втрачає свою міцність і стає крихким. Очевидно, що дещо іншими були б і ми самі. Точно іншими були б, як мінімум, фізичні параметринашого тіла.

Аномальні властивості теплоємності води

Теплоємність води має аномальними властивостями. Виявляється, у разі підвищення температури води її теплоємність зменшується, ця динаміка зберігається до 37°C, при подальшому збільшенні температури теплоємність починає зростати.

У цьому факті є одне цікаве твердження. Умовно кажучи, сама природа в особі Води визначила 37 ° C як найбільш комфортну температурудля організму людини, за умови, звичайно, дотримання всіх інших факторів. За будь-якої динаміки зміни температури навколишнього середовища температура води тяжіє до 37°C.