Tepelná kapacita je schopnost absorbovat určité množství tepla během zahřívání nebo se uvolnit při ochlazení. Tepelná kapacita tělesa je poměr nekonečně malého množství tepla, které těleso přijímá, k odpovídajícímu zvýšení jeho teplotních indikátorů. Hodnota se měří v J/K. V praxi se používá trochu jiná hodnota - měrné teplo.
Definice
Co znamená specifické teplo? Jedná se o množství vztažené k jedinému množství látky. V souladu s tím lze množství látky měřit v metrech krychlových, kilogramech nebo dokonce v molech. Na čem to závisí? Ve fyzice tepelná kapacita přímo závisí na tom, ke které kvantitativní jednotce se vztahuje, což znamená, že rozlišují mezi molární, hmotnostní a objemovou tepelnou kapacitou. Ve stavebnictví neuvidíte molární měření, ale ostatní uvidíte neustále.
Co ovlivňuje měrnou tepelnou kapacitu?
Co je tepelná kapacita, víte, ale jaké hodnoty ovlivňují indikátor, zatím není jasné. Hodnotu měrné tepelné kapacity přímo ovlivňuje několik složek:teplota látky, tlak a další termodynamické charakteristiky.
S rostoucí teplotou produktu se zvyšuje jeho specifická tepelná kapacita, ale určité látky vykazují v tomto vztahu zcela nelineární křivku. Například se zvýšením teplotních indikátorů z nuly na třicet sedm stupňů se měrná tepelná kapacita vody začne snižovat, a pokud je limit mezi třiceti sedmi a sto stupni, indikátor naopak bude zvýšit.
Za zmínku stojí, že parametr závisí také na tom, jak se termodynamické charakteristiky produktu (tlak, objem atd.) mohou měnit. Například specifické teplo při stabilním tlaku a při stabilním objemu se bude lišit.
Jak vypočítat parametr?
Zajímá vás, jaká je tepelná kapacita? Výpočtový vzorec je následující: C \u003d Q / (m ΔT). Jaké jsou tyto hodnoty? Q je množství tepla, které produkt přijímá při zahřívání (nebo uvolňované produktem během chlazení). m je hmotnost produktu a ΔT je rozdíl mezi konečnou a počáteční teplotou produktu. Níže je uvedena tabulka tepelné kapacity některých materiálů.
A co výpočet tepelné kapacity?
Výpočet tepelné kapacity není snadný úkol, zvláště pokud se používají pouze termodynamické metody, nelze to provést přesněji. Fyzici proto využívají metody statistické fyziky nebo znalosti mikrostruktury produktů. Jak vypočítat plyn? Tepelná kapacita plynuse vypočítává z výpočtu průměrné energie tepelného pohybu jednotlivých molekul v látce. Pohyby molekul mohou být translačního a rotačního typu a uvnitř molekuly může být celý atom nebo vibrace atomů. Klasická statistika říká, že pro každý stupeň volnosti rotačních a translačních pohybů existuje hodnota molární tepelné kapacity plynu, která se rovná R / 2, a pro každý vibrační stupeň volnosti je hodnota rovna R Toto pravidlo se také nazývá zákon ekvipartice.
Částice jednoatomového plynu se přitom liší pouze o tři translační stupně volnosti, a proto by její tepelná kapacita měla být rovna 3R/2, což je ve výborné shodě s experimentem. Každá molekula dvouatomového plynu má tři translační, dva rotační a jeden vibrační stupeň volnosti, což znamená, že zákon ekvipartice bude 7R/2 a zkušenost ukazuje, že tepelná kapacita molu dvouatomového plynu při běžné teplotě je 5R/ 2. Proč došlo k takovému teoretickému rozporu? Vše je dáno tím, že při stanovování tepelné kapacity bude nutné vzít v úvahu různé kvantové efekty, jinými slovy použít kvantovou statistiku. Jak vidíte, tepelná kapacita je poměrně komplikovaný pojem.
Kvantová mechanika říká, že jakýkoli systém částic, které oscilují nebo rotují, včetně molekuly plynu, může mít určité diskrétní energetické hodnoty. Pokud je energie tepelného pohybu v instalovaném systému nedostatečná k vybuzení oscilací požadované frekvence, pak tyto oscilace nepřispívají ktepelná kapacita systému.
U pevných látek je tepelný pohyb atomů slabým kmitáním v blízkosti určitých rovnovážných poloh, to platí pro uzly krystalové mřížky. Atom má tři vibrační stupně volnosti a podle zákona se molární tepelná kapacita pevné látky rovná 3nR, kde n je počet existujících atomů v molekule. V praxi je tato hodnota hranicí, ke které tepelná kapacita těla při vysokých teplotách tíhne. Hodnoty je dosaženo při normálních teplotních změnách mnoha prvků, to platí pro kovy i pro jednoduché sloučeniny. Určuje se také tepelná kapacita olova a dalších látek.
A co nízké teploty?
Co je tepelná kapacita, už víme, ale pokud mluvíme o nízkých teplotách, jak se pak hodnota vypočítá? Pokud mluvíme o nízkoteplotních indikátorech, pak se tepelná kapacita pevného tělesa ukazuje jako úměrná T 3 neboli tzv. Debyeovu zákonu tepelné kapacity. Hlavním kritériem pro rozlišení vysokých teplot od nízkých je jejich obvyklé srovnání s charakteristickým parametrem pro konkrétní látku - může to být charakteristická nebo Debyeova teplota qD. Prezentovaná hodnota je dána vibračním spektrem atomů v produktu a výrazně závisí na krystalové struktuře.
V kovech mají vodivostní elektrony určitý příspěvek k tepelné kapacitě. Tato část tepelné kapacity se vypočítá pomocíFermi-Diracova statistika, která zohledňuje elektrony. Elektronická tepelná kapacita kovu, která je úměrná obvyklé tepelné kapacitě, je relativně malá hodnota a přispívá k tepelné kapacitě kovu pouze při teplotách blízkých absolutní nule. Potom se tepelná kapacita mřížky stane velmi malou a lze ji zanedbat.
Hmotnostní tepelná kapacita
Hmotné specifické teplo je množství tepla, které je třeba přivést na jednotku hmotnosti látky, aby se produkt zahřál na jednotku teploty. Tato hodnota je označena písmenem C a je měřena v joulech děleno kilogramem na kelvin - J / (kg K). Všechno je to o kapacitě tepelného tělesa.
Co je objemová tepelná kapacita?
Objemová tepelná kapacita je určité množství tepla, které je třeba přidat k jednotkovému objemu produktu, aby se zahřál na jednotku teploty. Tento indikátor se měří v joulech děleno metrem krychlovým na kelvin nebo J / (m³ K). V mnoha referenčních knihách budov je uvažována hmotnostně specifická tepelná kapacita při práci.
Praktické využití tepelné kapacity ve stavebnictví
Při stavbě tepelně odolných stěn se aktivně používá mnoho tepelně náročných materiálů. To je nesmírně důležité pro domy, které se vyznačují periodickým vytápěním. Například trouba. Tepelně náročné výrobky a z nich postavené stěny dokonale akumulují teplo, ukládají ho během topných období a po vypnutí teplo postupně uvolňujísystém, což umožňuje udržovat přijatelnou teplotu po celý den.
Čím více tepla je uloženo v konstrukci, tím pohodlnější a stabilnější bude teplota v místnostech.
Za zmínku stojí, že běžné cihly a beton používané v bytové výstavbě mají mnohem nižší tepelnou kapacitu než pěnový polystyren. Pokud vezmeme ecowool, pak je třikrát tepelně náročnější než beton. Je třeba poznamenat, že ve vzorci pro výpočet tepelné kapacity není nadarmo hmotnost. Vzhledem k velké obrovské mase betonu nebo cihel umožňuje ve srovnání s ecowool akumulovat obrovské množství tepla v kamenných zdech konstrukcí a vyrovnávat veškeré denní teplotní výkyvy. Pouze malá hmota izolace ve všech rámových domech, navzdory dobré tepelné kapacitě, je nejslabší oblastí pro všechny rámové technologie. K vyřešení tohoto problému jsou ve všech domech instalovány působivé tepelné akumulátory. co to je Jedná se o konstrukční díly, které se vyznačují velkou hmotností s poměrně dobrým indexem tepelné kapacity.
Příklady akumulátorů tepla v životě
Co by to mohlo být? Například nějaké vnitřní cihlové zdi, velká kamna nebo krb, betonové mazaniny.
Nábytek v každém domě nebo bytě je vynikajícím akumulátorem tepla, protože překližka, dřevotříska a dřevo dokážou ve skutečnosti akumulovat teplo pouze na kilogram hmotnosti třikrát více než notoricky známá cihla.
Mají akumulátory tepla nějaké nevýhody? Samozřejmě hlavní nevýhodou tohoto přístupu jeskutečnost, že tepelný akumulátor je třeba navrhnout ve fázi vytváření uspořádání rámového domu. To vše kvůli tomu, že je velmi těžký, a to bude třeba vzít v úvahu při vytváření základů a poté si představit, jak bude tento objekt integrován do interiéru. Stojí za zmínku, že je třeba vzít v úvahu nejen hmotnost, v práci bude nutné vyhodnotit obě charakteristiky: hmotnost a tepelnou kapacitu. Pokud například jako zásobník tepla použijete zlato o neuvěřitelné hmotnosti dvacet tun na metr krychlový, bude výrobek fungovat tak, jak má, jen o dvacet tři procent lépe než betonová kostka, která váží dvě a půl tuny.
Která látka je nejvhodnější pro akumulaci tepla?
Nejlepší produkt pro akumulátor tepla není vůbec beton a cihla! Měď, bronz a železo to dělají dobře, ale jsou velmi těžké. Kupodivu, ale nejlepším akumulátorem tepla je voda! Kapalina má působivou tepelnou kapacitu, největší mezi látkami, které máme k dispozici. Větší tepelnou kapacitu mají pouze plyny hélium (5190 J / (kg K) a vodík (14300 J / (kg K)), které jsou však v praxi problematické. V případě potřeby a potřeby se podívejte do tabulky tepelné kapacity látek, které potřeba.
