Теплоємність – це здатність поглинати деякі обсяги тепла під час нагрівання або віддавати при охолодженні. Теплоємність тіла – це відношення нескінченно малої кількості теплоти, що отримує тіло, до відповідного приросту його температурних показників. Величина вимірюється в Дж/К. На практиці застосовують трохи іншу величину – питому теплоємність.
Визначення
Що означає питома теплоємність? Це величина, яка відноситься до одиничного кількості речовини. Відповідно, чисельність речовини можна виміряти в кубометрах, кілограмах або навіть в молях. Від чого це залежить? У фізиці теплоємність залежить безпосередньо від того, до якої кількісної одиниці вона ставитися, а значить, розрізняють молярную, масову і об’ємну теплоємність. У будівельній сфері ви не будете зустрічатися з молярними вимірами, але з іншими – часто-густо.
Що впливає на питому теплоємність?
Що таке теплоємність, ви знаєте, але ось які значення впливають на показник, ще не ясно. На значення питомої теплоємності безпосередньо впливають кілька компонентів: температура речовини, тиск та інші термодинамічні характеристики.
Під час зростання температури продукції її питома теплоємність зростає, однак певні речовини відрізняються абсолютно нелінійної кривої в цій залежності. Наприклад, із зростанням температурних показників з нуля до тридцяти семи градусів питома теплоємність води починає знижуватися, а якщо межа буде знаходитися між тридцятьма сімома і ста градусами, то показник, навпаки, зросте.
Варто відзначити, що параметр залежить ще й від того, яким чином дозволяється змінюватися термодинамічними характеристиками продукції (тиском, обсягом і так далі). Наприклад, питома теплоємність при сталому тиску і при стабільному обсязі будуть відрізнятися.
Як розрахувати параметр?
Вас цікавить, чому дорівнює теплоємність? Формула розрахунку наступна: С=Q/(m·ΔT). Що це за такі? Q – це кількість теплоти, що отримує продукція при нагріванні (або ж виділяється продукцією під час охолодження). m – маса продукції, а ΔT – різниця кінцевої і початкової температури продукції. Нижче наведена таблиця теплоємності деяких матеріалів.
Що можна сказати про обчислення теплоємності?
Обчислити теплоємність – це завдання не з простих, особливо якщо застосовувати виключно термодинамічні методи, точніше це неможливо зробити. Тому фізики використовують методи статистичної фізики або ж знання мікроструктури продукції. Як виконати обчислення для газу? Теплоємність газу розраховується з обчислення середньої енергії теплового руху окремих молекул в речовині. Руху молекул можуть бути поступального і обертального типу, а всередині молекули може бути цілий атом або коливання атомів. Класична статистика говорить, що на кожну ступінь свободи обертальних і поступальних рухів доводиться до мольной теплоємності газу величина, що дорівнює R/2, а на кожну коливальну ступінь свободи значення дорівнює R. Це правило ще називають законом равнораспределения.
При цьому частинка одноатомного газу відрізняється всього трьома поступальними ступенями свободи, а тому його теплоємність повинна прирівнюватися до 3R/2, що відмінно узгоджується з досвідом. Кожна молекула двоатомних газу відрізняється трьома поступальними, двома обертальними і однієї коливальної ступенями свободи, а значить, закон равнораспределения буде дорівнювати 7R/2, а досвід показав, що теплоємність моля двоатомних газу при звичайній температурі становить 5R/2. Чому виявилося таке розходження теорії? Все пов’язано з тим, що при встановленні теплоємності потрібно враховувати різні квантові ефекти, іншими словами, користуватися квантовою статистикою. Як бачите, теплоємність – це досить-таки складне поняття.
Квантова механіка говорить, що будь-яка система частинок, що здійснюють коливання або ж обертання, в тому числі і молекула газу, може мати певні дискретні значення енергії. Якщо ж енергія теплового руху у встановленій системі недостатня для порушення коливань потрібної частоти, то ці коливання не вносять вкладу в теплоємність системи.
У твердих тілах тепловий рух атомів являє собою слабкі коливання поблизу певних положень рівноваги, це стосується вузлів кристалічної решітки. Атом володіє трьома коливальними ступенями свободи і за законом мольна теплоємність твердого тіла прирівнюється до 3nR, де n– кількість атомів в молекулі. На практиці це значення є межею, до якого прагне теплоємність тіла при високих температурних показниках. Значення досягається при звичайних температурних змінах у багатьох елементів, це стосується металів, а також простих сполук. Також визначається теплоємність свинцю та інших речовин.
Що можна сказати про низьких температурах?
Ми вже знаємо, що таке теплоємність, але якщо говорити про низьких температурах, то значення буде розраховуватися тоді? Якщо мова йде про низьких температурних показниках, то теплоємність твердого тіла тоді виявляється пропорційною T 3 або ж так званий закон теплоємності Дебая. Головний критерій, що дозволяє відрізнити високі показники температури від низьких, є звичайне порівняння їх з характерним для певної речовини параметром – це може бути характеристична або температура Дебая qD. Представлена величина встановлюється спектром коливання атомів у продукції та суттєво залежить від кристалічної структури.
У металів певний внесок в теплоємність дають електрони провідності. Дана частина теплоємності вираховується за допомогою статистики Фермі-Дірака, в якій враховуються електрони. Електронна теплоємність металу пропорційна звичайної теплоємності, являє собою порівняно невелику величину, а вклад в теплоємність металу вона вносить тільки при температурних показниках, близьких до абсолютного нуля. Тоді граткова теплоємність стає дуже маленькою, і нею можна знехтувати.
Масова теплоємність
Масова питома теплоємність – це кількість теплоти, що потрібно піднести до одиниці маси речовини, щоб нагріти продукт на одиницю температури. Позначається ця величина літерою С та вона вимірюється в джоулях, поділених на кілограм на кельвін – Дж/(кг·К). Це все, що стосується масової теплоємності.
Що таке об’ємна теплоємність?
Об’ємна теплоємність – це певна кількість теплоти, що потрібно підвести до одиниці обсягу продукції, щоб нагріти її на одиницю температури. Вимірюється цей показник в джоулях, поділених на кубічний метр на кельвін або Дж/(м3·К). У багатьох будівельних довідниках розглядають саме питому масову теплоємність в роботі.
Застосування на практиці теплоємності в будівельній сфері
Багато теплоємні матеріали активно застосовують при будівництві теплостійких стін. Це вкрай важливо для будинків, що відрізняються періодичним опаленням. Наприклад, пічним. Теплоємні вироби і стіни, зведені з них, відмінно акумулюють тепло, запасають його в опалювальні періоди часу і поетапно віддають тепло після вимикання системи, дозволяючи таким чином підтримувати прийнятну температуру протягом доби.
Отже, чим більше буде запасено тепла в конструкції, тим комфортніше і стабільніше буде температура в кімнатах.
Варто відзначити, що звичайний цегла і бетон, застосовувані в будівництві, володіють значно меншою теплоємністю, ніж пінополістирол. Якщо брати ековату, то вона в три рази більше теплоємна, ніж бетон. Слід зазначити, що у формулі розрахунку теплоємності зовсім не даремно присутня маса. Завдяки великій величезна масі бетону або цегли в порівнянні з ековатою дозволяє в кам’яних стінах конструкцій акумулювати величезні обсяги тепла і згладжувати всі добові температурні коливання. Тільки мала маса утеплювача в усіх каркасних будинках, незважаючи на добру теплоємність, є найслабшою зоною у всіх каркасних технологій. Щоб вирішити дану проблему, у всіх будинках монтують значні теплоакумулятори. Що це таке? Це конструктивні деталі, що відрізняються великою масою при досить хорошому показнику теплоємності.
Приклади теплоакумуляторів в житті
Що це може бути? Приміром, якісь внутрішні цегляні стіни, велика піч або камін, стяжки з бетону.
Меблі в будь-якому будинку або квартирі є відмінним теплоаккумулятором, адже фанера, ДСП і дерево фактично в три рази більше можуть запасатися теплом лише на кілограм ваги, ніж горезвісний цегла.
Є недоліки в теплоаккумуляторах? Звичайно, головний мінус даного підходу полягає в тому, що теплоакумулятор потрібно проектувати ще на стадії створення макета каркасного будинку. Все із-за того, що він відрізняється більшою вагою, і це потрібно врахувати при створенні фундаменту, а після ще уявити, як цей об’єкт буде інтегрований в інтер’єр. Варто сказати, що доведеться враховувати не тільки масу, потрібно оцінювати в роботі обидві характеристики: масу і теплоємність. Приміром, якщо застосовувати золото з неймовірним вагою в двадцять тонн на кубометр як теплоаккумулятора, то продукція буде функціонувати як потрібно лише на двадцять три відсотки краще, ніж бетонний куб, вага якого складає дві з половиною тонни.
Яка речовина найбільше підходить для теплоаккумулятора?
Найкращим продуктом для теплоаккумулятора є зовсім не бетон і цегла! Непогано з цим завданням справляється мідь, бронза і залізо, але вони дуже важкі. Як не дивно, але кращий теплоакумулятор – вода! Рідина має значну теплоємність, найбільшу серед доступних нам речовин. Більше теплоємність тільки газів гелію (5190 Дж/(кг·К) і водню (14300 Дж/(кг·К), але їх проблематично застосовувати на практиці. При бажанні і необхідності дивіться таблицю теплоємності потрібних речовин.
