A hőkapacitás az a képesség, hogy melegítés közben bizonyos mennyiségű hőt elnyel, vagy lehűléskor lead. Egy test hőkapacitása annak a végtelenül kicsi hőmennyiségnek az aránya, amelyet egy test kap a hőmérsékleti mutatóinak megfelelő növekedéséhez. Az értéket J/K-ban mérjük. A gyakorlatban kissé eltérő értéket használnak - fajhőt.
Definíció
Mit jelent a fajlagos hő? Ez egy anyag egyetlen mennyiségéhez kapcsolódó mennyiség. Ennek megfelelően egy anyag mennyisége mérhető köbméterben, kilogrammban, de akár mólban is. Mitől függ? A fizikában a hőkapacitás közvetlenül attól függ, hogy melyik mennyiségi egységre vonatkozik, ami azt jelenti, hogy különbséget tesznek moláris, tömeg és térfogati hőkapacitás között. Az építőiparban nem fog moláris méréseket látni, de másokat folyamatosan látni fog.
Mi befolyásolja a fajlagos hőkapacitást?
Mi az a hőkapacitás, tudod, de még nem világos, hogy milyen értékek befolyásolják a mutatót. A fajlagos hőkapacitás értékét több összetevő közvetlenül befolyásolja:az anyag hőmérséklete, nyomása és egyéb termodinamikai jellemzői.
A termék hőmérsékletének növekedésével a fajlagos hőkapacitása nő, de bizonyos anyagok ebben az összefüggésben teljesen nemlineáris görbét mutatnak. Például, ha a hőmérsékleti mutatók nulláról harminchét fokra emelkednek, a víz fajlagos hőkapacitása csökkenni kezd, és ha a határ harminchét és száz fok között van, akkor a mutató éppen ellenkezőleg. növelje.
Érdemes megjegyezni, hogy a paraméter attól is függ, hogy a termék termodinamikai jellemzői (nyomás, térfogat stb.) hogyan változhatnak. Például a fajhő stabil nyomáson és stabil térfogaton eltérő lesz.
Hogyan kell kiszámítani a paramétert?
Érdekel, hogy mekkora a hőkapacitás? A számítási képlet a következő: C \u003d Q / (m ΔT). Mik ezek az értékek? Q az a hőmennyiség, amelyet a termék felmelegítéskor kap (vagy hűtés közben bocsát ki a termékből). m a termék tömege, ΔT pedig a termék végső és kezdeti hőmérséklete közötti különbség. Az alábbiakban néhány anyag hőkapacitásának táblázata látható.
Mi a helyzet a hőkapacitás-számítással?
A hőkapacitás kiszámítása nem egyszerű feladat, pláne, ha csak termodinamikai módszereket alkalmazunk, nem lehet pontosabban megcsinálni. Ezért a fizikusok a statisztikai fizika módszereit vagy a termékek mikroszerkezetének ismeretét használják. Hogyan kell számolni a gázt? A gáz hőkapacitásaaz anyagban lévő egyes molekulák átlagos hőmozgási energiájának kiszámításából számítják ki. A molekulák mozgása lehet transzlációs és forgó jellegű, a molekulán belül pedig lehet egy egész atom vagy atomok rezgése. A klasszikus statisztika azt mondja, hogy a forgási és transzlációs mozgások minden szabadsági fokára van egy érték a gáz moláris hőkapacitásában, amely egyenlő R / 2-vel, és minden rezgési szabadságfok esetében az érték egyenlő R-vel. Ezt a szabályt ekvipartíciós törvénynek is nevezik.
Ugyanakkor egy monoatomos gáz részecskéje mindössze három transzlációs szabadságfokkal különbözik, ezért hőkapacitása 3R/2 legyen, ami kiváló összhangban van a kísérlettel. Minden kétatomos gázmolekulának három transzlációs, két forgási és egy rezgési szabadsági foka van, ami azt jelenti, hogy az ekvipartíciós törvény 7R/2 lesz, és a tapasztalatok szerint egy mol kétatomos gáz hőkapacitása normál hőmérsékleten 5R/ 2. Miért volt ekkora eltérés az elméletben? Minden annak köszönhető, hogy a hőkapacitás megállapításánál különféle kvantumhatásokat kell majd figyelembe venni, vagyis kvantumstatisztikát kell használni. Amint látja, a hőkapacitás meglehetősen bonyolult fogalom.
A kvantummechanika azt mondja, hogy minden rezgő vagy forgó részecskerendszer, beleértve a gázmolekulát is, rendelkezhet bizonyos diszkrét energiaértékekkel. Ha a beépített rendszerben a hőmozgás energiája nem elegendő a szükséges frekvenciájú rezgések gerjesztéséhez, akkor ezek a rezgések nem járulnak hozzáa rendszer hőkapacitása.
Szilárd testekben az atomok hőmozgása bizonyos egyensúlyi helyzetek közelében gyenge oszcilláció, ez a kristályrács csomópontjaira vonatkozik. Egy atomnak három rezgési szabadsági foka van, és a törvény szerint a szilárd test moláris hőkapacitása egyenlő 3nR, ahol n a molekulában lévő atomok száma. A gyakorlatban ez az érték az a határ, amelyre a test hőkapacitása magas hőmérsékleten hajlik. Az értéket számos elem normál hőmérséklet-változásaival érik el, ez vonatkozik a fémekre, valamint az egyszerű vegyületekre. Az ólom és más anyagok hőkapacitása is meghatározásra kerül.
Mi a helyzet az alacsony hőmérséklettel?
A hőkapacitást már tudjuk, de ha alacsony hőmérsékletről beszélünk, akkor hogyan számolják ki az értéket? Ha alacsony hőmérsékleti jelzőkről beszélünk, akkor a szilárd test hőkapacitása arányosnak bizonyul a T 3 vagy az úgynevezett Debye hőkapacitás törvényével. A magas hőmérsékletek és az alacsony hőmérsékletek megkülönböztetésének fő kritériuma a szokásos összehasonlítás egy adott anyag jellemző paraméterével - ez lehet a jellemző vagy a Debye-hőmérséklet qD. A bemutatott értéket a termékben lévő atomok rezgésspektruma határozza meg, és jelentősen függ a kristályszerkezettől.
A fémekben a vezetési elektronok bizonyos mértékben hozzájárulnak a hőkapacitáshoz. A hőkapacitásnak ezt a részét a segítségével számítjuk kiFermi-Dirac statisztika, amely figyelembe veszi az elektronokat. Egy fémnek a szokásos hőkapacitással arányos elektronikus hőkapacitása viszonylag kis érték, és csak abszolút nullához közeli hőmérsékleten járul hozzá a fém hőkapacitásához. Ekkor a rács hőkapacitása nagyon kicsi lesz és elhanyagolható.
Tömeges hőkapacitás
A fajlagos tömeghő az a hőmennyiség, amelyet az anyag egységnyi tömegére kell hozni ahhoz, hogy egységnyi hőmérsékleten felmelegítsük a terméket. Ezt az értéket C betűvel jelöljük, és joule-ban mérjük, osztva egy kilogrammal per kelvin - J / (kg K). Ez az egész a tömeghőkapacitásról szól.
Mi a térfogati hőkapacitás?
A térfogati hőkapacitás egy bizonyos mennyiségű hő, amelyet a termék egységnyi térfogatához kell hozzáadni ahhoz, hogy egységnyi hőmérsékletre felmelegítsék. Ezt a mutatót joule-ban mérik, osztva köbméter per kelvin vagy J / (m³ K). Sok építési referenciakönyvben a tömeg fajlagos hőkapacitást veszik figyelembe.
A hőkapacitás gyakorlati alkalmazása az építőiparban
Sok hőintenzív anyagot használnak aktívan a hőálló falak építésénél. Ez rendkívül fontos azoknál a házaknál, amelyeket időszakos fűtés jellemez. Például sütő. A hőigényes termékek és a belőlük épített falak tökéletesen felhalmozzák a hőt, tárolják a fűtési időszakokban, és kikapcsolás után fokozatosan adják le a hőtrendszer, ami lehetővé teszi az elfogadható hőmérséklet fenntartását egész nap.
Tehát minél több hő tárolódik a szerkezetben, annál kényelmesebb és stabilabb lesz a hőmérséklet a helyiségekben.
Érdemes megjegyezni, hogy a lakásépítésben használt közönséges tégla és beton hőkapacitása sokkal kisebb, mint az expandált polisztirolé. Ha az ökogyapotot vesszük, akkor az háromszor hőigényesebb, mint a beton. Meg kell jegyezni, hogy a hőkapacitás kiszámításának képletében nem hiába van tömeg. A nagy beton- vagy téglatömegnek köszönhetően az ökovatához képest hatalmas mennyiségű hő felhalmozódását teszi lehetővé az építmények kőfalaiban, és kisimítja az összes napi hőmérséklet-ingadozást. Valamennyi vázas házban csak kis tömegű szigetelés a jó hőkapacitás ellenére a leggyengébb terület minden váztechnológiánál. A probléma megoldására minden házban lenyűgöző hőtárolókat szerelnek fel. Ami? Ezek olyan szerkezeti részek, amelyeket nagy tömeg és meglehetősen jó hőkapacitási index jellemez.
Példák hőtárolókra az életben
Mi lehet ez? Például valamilyen belső téglafal, nagy tűzhely vagy kandalló, beton esztrichek.
A bútorok minden házban vagy lakásban kiváló hőtárolók, mert a rétegelt lemez, a forgácslap és a fa valójában csak súlykilogrammonként képes háromszor többet tárolni hőt, mint a hírhedt tégla.
Vannak hátrányai a hőtárolóknak? Természetesen ennek a megközelítésnek a fő hátrányaaz a tény, hogy a hőtárolót a keretház elrendezésének elkészítésének szakaszában kell megtervezni. Mindez annak a ténynek köszönhető, hogy nagyon nehéz, és ezt figyelembe kell venni az alapítvány létrehozásakor, majd képzelje el, hogyan épül be ez az objektum a belső térbe. Érdemes azt mondani, hogy nemcsak a tömeget kell figyelembe venni, hanem a munka során mindkét jellemzőt értékelni kell: a tömeget és a hőkapacitást. Ha például hihetetlen, húsz tonna/köbméter tömegű aranyat használ hőtárolóként, akkor a termék csak huszonhárom százalékkal fog jobban működni, mint a két és fél tonnás betonkocka.
Melyik anyag a legalkalmasabb hőtárolásra?
A legjobb hőtároló termék egyáltalán nem a beton és a tégla! A réz, a bronz és a vas jó szolgálatot tesz erre, de nagyon nehezek. Furcsa módon, de a legjobb hőtároló a víz! A folyadék lenyűgöző hőkapacitású, a legnagyobb a rendelkezésünkre álló anyagok közül. Csak a hélium gázok (5190 J / (kg K) és a hidrogén (14300 J / (kg K))) nagyobb hőkapacitásúak, de ezek gyakorlati alkalmazása problémás. Ha szükséges és szükséges, tekintse meg az Ön által használt anyagok hőkapacitási táblázatát
