ظرفیت حرارتی توانایی جذب مقادیر معینی از گرما در حین گرم کردن یا خارج کردن آن هنگام سرد شدن است. ظرفیت گرمایی یک جسم عبارت است از نسبت بینهایت کوچک گرمایی که یک جسم دریافت می کند به افزایش متناظر در شاخص های دمایی آن. مقدار در J/K اندازه گیری می شود. در عمل، مقدار کمی متفاوت استفاده می شود - گرمای ویژه.
تعریف
گرمای ویژه به چه معناست؟ این مقدار مربوط به یک مقدار واحد از یک ماده است. بر این اساس، مقدار یک ماده را می توان بر حسب متر مکعب، کیلوگرم و یا حتی بر حسب مول اندازه گیری کرد. به چه چیزی بستگی دارد؟ در فیزیک، ظرفیت گرمایی مستقیماً به واحد کمی بستگی دارد، به این معنی که آنها بین ظرفیت گرمایی مولی، جرمی و حجمی تمایز قائل می شوند. در صنعت ساخت و ساز، شما اندازه گیری های مولر را نخواهید دید، اما همیشه دیگران را خواهید دید.
چه چیزی بر ظرفیت گرمایی ویژه تأثیر می گذارد؟
ظرفیت گرمایی چیست، می دانید، اما اینکه چه مقادیری بر شاخص تأثیر می گذارد هنوز مشخص نیست. مقدار ظرفیت گرمایی ویژه مستقیماً تحت تأثیر چندین مؤلفه است:دما، فشار و سایر مشخصات ترمودینامیکی ماده.
با افزایش دمای یک محصول، ظرفیت گرمایی ویژه آن افزایش می یابد، اما مواد خاصی در این رابطه یک منحنی کاملا غیر خطی از خود نشان می دهند. به عنوان مثال، با افزایش شاخص های دما از صفر به سی و هفت درجه، ظرفیت گرمایی ویژه آب شروع به کاهش می کند و اگر حد بین سی و هفت تا صد درجه باشد، برعکس، شاخص خواهد بود. افزایش.
شایان ذکر است که این پارامتر همچنین به نحوه اجازه تغییر خصوصیات ترمودینامیکی محصول (فشار، حجم و غیره) بستگی دارد. برای مثال، گرمای ویژه در فشار پایدار و در حجم پایدار متفاوت خواهد بود.
چگونه پارامتر را محاسبه کنیم؟
آیا شما علاقه مندید که ظرفیت گرمایی چقدر است؟ فرمول محاسبه به شرح زیر است: C \u003d Q / (m ΔT). این ارزش ها چیست؟ Q مقدار گرمایی است که محصول هنگام گرم شدن (یا آزاد شدن توسط محصول در هنگام خنک شدن) دریافت می کند. m جرم محصول و ΔT تفاوت بین دمای نهایی و اولیه محصول است. در زیر جدولی از ظرفیت گرمایی برخی مواد آمده است.
در مورد محاسبه ظرفیت گرمایی چطور؟
محاسبه ظرفیت گرمایی کار ساده ای نیست، به خصوص اگر فقط از روش های ترمودینامیکی استفاده شود، انجام دقیق تر آن غیرممکن است. بنابراین، فیزیکدانان از روش های فیزیک آماری یا دانش ریزساختار محصولات استفاده می کنند. چگونه گاز را محاسبه کنیم؟ ظرفیت حرارتی گازاز محاسبه میانگین انرژی حرکت حرارتی تک تک مولکول ها در یک ماده محاسبه می شود. حرکات مولکول ها می تواند از نوع انتقالی و چرخشی باشد و در داخل یک مولکول می تواند یک اتم کامل یا ارتعاش اتم ها وجود داشته باشد. آمار کلاسیک می گوید که برای هر درجه آزادی حرکات چرخشی و انتقالی، مقداری در ظرفیت حرارتی مولی گاز وجود دارد که برابر با R/2 است و برای هر درجه آزادی ارتعاشی، مقدار برابر با R است. به این قانون، قانون برابری نیز می گویند.
در عین حال، یک ذره از یک گاز تک اتمی تنها با سه درجه آزادی انتقالی متفاوت است، و بنابراین ظرفیت گرمایی آن باید برابر با 3R/2 باشد که با آزمایش بسیار مطابقت دارد. هر مولکول گاز دو اتمی دارای سه درجه آزادی انتقالی، دو چرخشی و یک درجه ارتعاشی است که به این معنی است که قانون همسان سازی برابر 7R/2 خواهد بود و تجربه نشان داده است که ظرفیت گرمایی یک مول گاز دیاتومیک در دمای معمولی 5R/ است. 2. چرا چنین اختلاف نظری وجود داشت؟ همه چیز به این دلیل است که هنگام ایجاد ظرفیت گرمایی، باید اثرات کوانتومی مختلف را در نظر گرفت، به عبارت دیگر، از آمار کوانتومی استفاده کرد. همانطور که می بینید، ظرفیت گرمایی یک مفهوم نسبتاً پیچیده است.
مکانیک کوانتومی می گوید که هر سیستمی از ذرات که در نوسان یا چرخش هستند، از جمله یک مولکول گاز، می توانند مقادیر انرژی گسسته خاصی داشته باشند. اگر انرژی حرکت حرارتی در سیستم نصب شده برای تحریک نوسانات فرکانس مورد نیاز کافی نباشد، این نوسانات بهظرفیت گرمایی سیستم.
در جامدات، حرکت حرارتی اتم ها یک نوسان ضعیف در نزدیکی موقعیت های تعادل خاصی است، این امر در مورد گره های شبکه کریستالی صدق می کند. یک اتم دارای سه درجه آزادی ارتعاشی است و طبق قانون، ظرفیت گرمایی مولی یک جامد برابر با 3nR، است که n تعداد اتم های موجود در مولکول است. در عمل، این مقدار حدی است که ظرفیت گرمایی بدن در دماهای بالا به آن تمایل دارد. این مقدار با تغییرات دمای معمولی در بسیاری از عناصر به دست می آید، این در مورد فلزات و همچنین ترکیبات ساده صدق می کند. ظرفیت گرمایی سرب و سایر مواد نیز تعیین می شود.
در مورد دمای پایین چطور؟
ما قبلاً می دانیم ظرفیت گرمایی چیست، اما اگر در مورد دمای پایین صحبت کنیم، چگونه مقدار آن محاسبه می شود؟ اگر در مورد نشانگرهای دمای پایین صحبت می کنیم، پس ظرفیت گرمایی یک جسم جامد با T 3 یا به اصطلاح قانون ظرفیت گرمایی Debye متناسب است. معیار اصلی برای تشخیص دماهای بالا از دمای پایین، مقایسه معمول آنها با یک پارامتر مشخصه برای یک ماده خاص است - این می تواند مشخصه یا دمای Debye qD باشد. مقدار ارائه شده توسط طیف ارتعاش اتم ها در محصول تنظیم می شود و به طور قابل توجهی به ساختار کریستالی بستگی دارد.
در فلزات، الکترون های رسانا سهم خاصی در ظرفیت گرمایی دارند. این قسمت از ظرفیت حرارتی با استفاده ازآمار فرمی دیراک، که الکترون ها را در نظر می گیرد. ظرفیت گرمایی الکترونیکی یک فلز که متناسب با ظرفیت گرمایی معمول است، مقدار نسبتا کمی است و تنها در دماهای نزدیک به صفر مطلق به ظرفیت گرمایی فلز کمک می کند. سپس ظرفیت گرمایی شبکه بسیار کوچک می شود و می توان آن را نادیده گرفت.
ظرفیت گرمای انبوه
گرمای ویژه جرم مقدار گرمایی است که باید به واحد جرم یک ماده رسانده شود تا محصول در واحد دما گرم شود. این مقدار با حرف C نشان داده می شود و با ژول تقسیم بر کیلوگرم بر کلوین - J / (kg K) اندازه گیری می شود. همه چیز در مورد ظرفیت گرمای انبوه است.
ظرفیت حرارتی حجمی چیست؟
ظرفیت گرمایی حجمی مقدار معینی از گرما است که باید به واحد حجم محصول اضافه شود تا در واحد دما گرم شود. این شاخص بر حسب ژول تقسیم بر یک متر مکعب بر کلوین یا J / (m³ K) اندازه گیری می شود. در بسیاری از کتب مرجع ساختمان، ظرفیت گرمای ویژه جرم در کار است که در نظر گرفته شده است.
کاربرد عملی ظرفیت حرارتی در صنعت ساختمان
بسیاری از مواد گرما فشرده به طور فعال در ساخت دیوارهای مقاوم در برابر حرارت استفاده می شود. این برای خانه هایی که با گرمایش دوره ای مشخص می شوند بسیار مهم است. مثلا فر. محصولات گرما فشرده و دیوارهای ساخته شده از آنها گرما را کاملاً جمع می کنند، آن را در طول دوره های گرمایش ذخیره می کنند و پس از خاموش شدن به تدریج گرما را آزاد می کنند.سیستم، بنابراین اجازه می دهد دمای قابل قبولی در طول روز حفظ شود.
بنابراین، هرچه گرمای بیشتری در سازه ذخیره شود، دمای اتاق ها راحت تر و پایدارتر خواهد بود.
شایان ذکر است که آجر و بتن معمولی مورد استفاده در ساخت و ساز مسکن ظرفیت گرمایی بسیار کمتری نسبت به پلی استایرن منبسط شده دارند. اگر از ecowool استفاده کنیم، سه برابر بیشتر از بتن گرما مصرف می کند. لازم به ذکر است که در فرمول محاسبه ظرفیت گرمایی بیهوده جرم وجود دارد. با توجه به جرم عظیم بتن یا آجر، در مقایسه با پشم ecowool، امکان انباشته شدن مقادیر زیادی گرما در دیواره های سنگی سازه ها و صاف کردن تمام نوسانات دمایی روزانه را فراهم می کند. تنها توده کوچکی از عایق در همه خانه های قاب، با وجود ظرفیت گرمایی خوب، ضعیف ترین منطقه برای تمام فناوری های قاب است. برای حل این مشکل، باتری های حرارتی چشمگیر در همه خانه ها نصب شده است. آن چیست؟ اینها قطعات ساختاری هستند که با جرم بزرگ با شاخص ظرفیت گرمایی نسبتاً خوب مشخص می شوند.
نمونه هایی از انباشتگرهای گرما در زندگی
چه چیزی می تواند باشد؟ به عنوان مثال، نوعی دیوار آجری داخلی، یک اجاق گاز یا شومینه بزرگ، لکه های بتنی.
مبلمان در هر خانه یا آپارتمان یک ذخیره کننده گرما عالی است، زیرا تخته سه لا، تخته نئوپان و چوب در واقع می توانند تنها به ازای هر کیلوگرم وزن سه برابر بیشتر از آجر بدنام گرما را ذخیره کنند.
آیا انباشتگرهای حرارتی مضراتی دارند؟ البته عیب اصلی این روش استاین واقعیت که انباشتگر حرارتی باید در مرحله ایجاد یک طرح خانه قاب طراحی شود. همه به دلیل این واقعیت است که بسیار سنگین است و این باید در هنگام ایجاد فونداسیون در نظر گرفته شود و سپس تصور کنید که چگونه این جسم در فضای داخلی ادغام می شود. شایان ذکر است که باید نه تنها جرم را در نظر گرفت، بلکه لازم است هر دو ویژگی را در کار ارزیابی کرد: جرم و ظرفیت گرما. به عنوان مثال، اگر از طلا با وزن باورنکردنی بیست تن در متر مکعب به عنوان ذخیره گرما استفاده کنید، این محصول همانطور که باید تنها بیست و سه درصد بهتر از یک مکعب بتنی با وزن دو و نیم تن عمل می کند.
کدام ماده برای ذخیره گرما مناسب است؟
بهترین محصول برای انباشتگر حرارتی اصلا بتن و آجر نیست! مس، برنز و آهن این کار را به خوبی انجام می دهند، اما بسیار سنگین هستند. به اندازه کافی عجیب، اما بهترین ذخیره کننده گرما آب است! این مایع دارای ظرفیت گرمایی قابل توجهی است که بزرگترین در بین مواد موجود در دسترس ماست. فقط گازهای هلیوم (5190 ژول / (کیلوگرم K) و هیدروژن (14300 ژول / (کیلوگرم K)) ظرفیت گرمایی بیشتری دارند، اما در عمل مشکل ساز هستند. نیاز است.
