Kokia yra dujinio kūno šiluminė talpa. Izoterminis dujų procesas

Vidinė kūno energija- chaotiško molekulių judėjimo kinetinės energijos, palyginti su kūno masės centru, ir potencialios molekulių sąveikos tarpusavyje (bet ne su kitų kūnų molekulėmis) energijos suma. Priklauso nuo temperatūros ir tūrio.

Kūno energiją galime pakeisti dirbdami su ja. Pavyzdžiui, pripučiant dviračio padangą, siurblys įkaista. Kai kurie žmonės mano, kad dėl to, kad stūmoklis trinasi į siurblio sieneles, o to priežastis yra tai, kad mes suspaudžiame dujas, mes su jais dirbame, o tai padidina vidinė energija o tai pasireiškia kaip temperatūros padidėjimas.

Yra dar vienas būdas pakeisti vidinę kūno energiją neatliekant darbo – šilumos perdavimas.

Šilumos perdavimas

Šilumos perdavimas- būdas perduoti vidinę kūno energiją neatliekant darbo.

Šilumos perdavimas gali būti atliekamas trimis būdais:

• šilumos laidumas;
• konvekcija;
• spinduliuotė (radiacija);

Šie trys būdai gali pakeisti vidinę kūno energiją.

Visų rūšių šilumos perdavimo derinys vadinamas kompleksiniu šilumos perdavimu. Šilumos perdavimo procesai gali vykti skirtingos aplinkos: grynos medžiagos pasikeitus bendrai darbo laikmenų būsenai ar be jo ir pan. Priklausomai nuo to, šilumos perdavimas vyksta skirtingai ir apibūdinamas skirtingomis lygtimis.

Šilumos laidumas

Šilumos perdavimo pagal šilumos laidumą procesas vyksta per tiesioginį kūnų ar kūnų dalelių kontaktą su skirtingos temperatūros ir yra molekulinis šilumos perdavimo procesas dėl molekulių vibracijos. Didesnę vibracijos amplitudę turinčios molekulės verčia dažniau vibruoti kaimynines molekules, kurių vibracijos amplitudė yra mažesnė.

Kai kūnas įkaista kinetinė energija jo molekulių daugėja, o karštesnės kūno dalies dalelės, susidūrusios su kaimyninėmis molekulėmis, perduoda joms dalį savo kinetinės energijos. Tokiu atveju labiau įkaitusios kūno dalys atšąla, o mažiau įkaistančios.

Konvekcija

Konvekcija – tai šilumos perdavimas judant ar maišant visą netolygiai įkaitusių skysčių ar dujų masę. Šiuo atveju šilumos perdavimas tiesiogiai priklauso nuo skysčio ar dujų judėjimo greičio.

Konvekcinis šilumos perdavimas- vienu metu šilumos perdavimas konvekcija ir šilumos laidumas. Inžineriniuose skaičiavimuose dažnai nustatomas konvekcinis šilumos perdavimas tarp skysčio ar dujų srautų ir paviršiaus. kietas. Šis konvekcinio šilumos perdavimo procesas vadinamas konvekciniu šilumos perdavimu arba tiesiog šilumos perdavimu.

Radiacija

Radiacija ( šiluminė spinduliuotė, spinduliuotė) yra šilumos perdavimo į kūno vidinę energiją procesas elektromagnetines bangas.

Šis procesas vyksta trimis etapais:

• dalies vieno kūno vidinės energijos pavertimas elektromagnetinių bangų energija;
• elektromagnetinių bangų sklidimas erdvėje;
• kito kūno spinduliuotės energijos sugėrimas.

Radiacijos laidumo šilumos perdavimas- jungties šilumos mainai pagal spinduliuotę ir šilumos laidumą.

Šilumos kiekis

Šilumos kiekis (Q)- energija, perduodama kūnui šilumos perdavimo proceso metu, vadinama šilumos kiekiu ir matuojama [J].

Jeigu fizinė būsena medžiaga nesikeičia (nekeičia potenciali energija molekulių sąveika tarpusavyje, o kinetinė keičiasi), tada vidinės energijos pokytis siejamas su vidinės temperatūros pokyčiu.

Q ~ ΔТ
Gaunamas šilumos kiekis yra tiesiogiai proporcingas kūno temperatūros skirtumui.

Proporcingumo koeficientas priklauso nuo kūno, masės ir tūrio ir yra kūno charakteristika. Jei paimame stiklinę vandens ir padidiname temperatūrą 1 Kelvinu, tai mums reikia vieno šilumos kiekio. Jei imsime jūrą, tada mums reikės visiškai kitokio šilumos kiekio.

Q = СΔТ
C – kūno šiluminė talpa.

Kūno šiluminė talpa- fizinis dydis, skaitiniu požiūriu lygus šilumos kiekiui, kurio reikia, kad kūnas būtų perduotas, kad jo temperatūra padidėtų 1 kelvinu.

Specifinė šiluma

Kūno šiluminė talpa tiesiogiai priklauso nuo kūno masės, t.y. tai yra materijos savybė.

C = cm, с = С/m, [c] = [J/kg*K]
C – savitoji šiluminė talpa (medžiagos šiluminė talpa).

Atitinkamai šilumos kiekio formulę galima parašyti tokia forma.

Q = cmΔT
c yra medžiagos šiluminė talpa
m - kūno svoris
ΔT – temperatūros skirtumas

Specifinė šiluma medžiagų- fizikinis dydis, skaitiniu būdu lygus šilumos kiekiui, kuris turi būti perduotas vienam kg medžiagos, kad jos temperatūra padidėtų 1 Kelvinu.

Kūno šiluminė talpa apibūdinama šilumos kiekiu , būtinas norint įkaitinti šį kūną vienu laipsniu (J/deg). Jei norint padidinti kūno temperatūrą T laipsniais, būtina jį informuoti ΔQ džauliais, tai vidutinė kūno šiluminė talpa intervale ΔT nustatoma taip:

Kūno šiluminė talpa yra proporcinga jo masei ir priklauso nuo kūno medžiagos. Tam tikros medžiagos (medžio, geležies, oro ir kt.) savitoji šiluminė talpa Csp apibūdinama šilumos kiekiu viename laipsnyje ir matuojama J/kg deg. Specifinė šiluma.

Dujoms patogu naudoti molinę šiluminę talpą (C molis arba tiesiog C), apibūdinamą šilumos kiekiu, kurio reikia vienam kilomoliui tam tikros medžiagos pašildyti vienu laipsniu.

Tai akivaizdu

C beat /J/kg * deg/ * μ/kg/kmol/ = C /J/kmol * deg/.

Kadangi 1 kilomole bet kokių dujų yra tiek pat molekulių, o vidutinė molekulių kinetinė energija nepriklauso nuo jų masės, galime tikėtis, kad visų pakankamai išretintų dujų molinės šiluminės talpos turėtų būti vienodos.

Kūno šiluminė talpa labai priklauso nuo to, kaip keičiasi kūno būsenos šildymo proceso metu. Paprastumo dėlei apsvarstykime idealias monoatomines dujas. Jei kaitinsime dujas, uždarytas uždarame tūryje, V = const (1 pav., a), tai visa tiekiama šiluma ΔQ eis tik padidinti dujų vidinę energiją. Tada pirmasis termodinamikos dėsnis, kai ΔA = 0, turės tokią formą: ΔQ = ΔU.

Šiuo atveju dujų temperatūra padidės atsižvelgiant į jų vidinės energijos padidėjimą, o tai reiškia, kad idealių dujų temperatūra yra proporcinga jų vidinei energijai. Dujų slėgis R. taip pat proporcingai padidės temperatūrai. Pažymime pastovaus tūrio dujų šiluminę talpą C.

Jei norime, kad šildymo proceso metu būtų palaikomas slėgis, reikia leisti dujoms plėstis. Tam dujas dedame į cilindrą su stūmokliu, kuriam veikia pastovus slėgis P = const (1 pav., b). Kadangi idealių dujų vidinė energija U nepriklauso nuo jų tūrio, šilumos kiekis, reikalingas jai padidinti, išliks toks pat. Tačiau kai dujos įkaitinamos iki tokios pat temperatūros, dalis tiekiamos šilumos dabar išleidžiama darbui prieš išorinės jėgos kai dujos plečiasi. Vadinasi, norint pašildyti dujas iki tokios pat temperatūros kaip ir ankstesniu atveju (V = const), reikės išleisti daugiaušiluma. Taigi dujų šiluminė talpa ΔQ/ΔT esant pastovus slėgis, kurį žymime C r. , bus didesnis nei C V .

Šis pavyzdys labai svarbus. Tai rodo, kad šilumos kiekis ΔQ, reikalingas dujoms pašildyti ΔT laipsniais, labai priklauso nuo papildomų sąlygų – kitų mikroskopinių parametrų, lemiančių dujų būseną, matavimų pobūdžio, t.y. P. ir V. Be nagrinėjamų procesų būdingas paprasčiausias papildomos sąlygos V = const ir P. = const, galime apsvarstyti daugybę kitų, kurie atitinka įvairūs pokyčiai V ir R. kai pašildomi. Kiekvienas procesas turės savo šilumos talpą C.

Vertės C r. ir C v idealioms dujoms yra susiję paprastu ryšiu:

Iš r. – С v = R (2)

Šis santykis vadinamas Roberto Mayerio įstatymu, kurį jis gavo 1842 m.

Idealioms dujoms molinė šiluminė talpa esant pastoviam slėgiui viršija molinę šiluminę talpą esant pastoviam tūriui reikšme R, ty 8,31 kJ/kmol deg.

Universali dujų konstanta R yra skaitine prasme lygi idealių dujų kilomolio plėtimosi darbui, kai jos įkaitinamos vienu laipsniu esant pastoviam slėgiui.

Patirtis rodo, kad visais atvejais transformacija mechaninė energijaį šildymą ir atgal visada atliekama griežtai lygiaverčiais kiekiais. Kadangi terminis judėjimas galiausiai taip pat mechaninis judėjimas atskiros molekulės (tik ne nukreiptos, o chaotiškos), tuomet visų šių virsmų metu reikia laikytis energijos tvermės dėsnio, atsižvelgiant ne tik į išorinių, bet ir į vidinių judesių energiją. Ši bendra šio dėsnio formuluotė vadinama pirmuoju termodinamikos dėsniu ir parašyta taip:

ΔQ = ΔU + ΔA, t.y.

Kūnui perduodamos šilumos kiekis (ΔQ) eina vidinei energijai (ΔU) didinti ir darbui su šiluma (ΔA) atlikti.

Tačiau jei indas su besiplečiančiomis dujomis yra termiškai izoliuotas nuo aplinką, tada šilumos perdavimo nebus, ty ΔQ = 0. Procesas, vykstantis tokiomis sąlygomis, vadinamas adiabatiniu. Tada adiabatinio proceso pirmojo termodinamikos dėsnio lygtis bus tokia:

ΔQ = 0 0 = ΔU + ΔA arba ΔA = - ΔU. (3)

Vadinasi, adiabatinio proceso metu darbas atliekamas tik dėl vidinės dujų energijos. Adiabatinio plėtimosi metu dujos veikia, o jų vidinė energija, taigi, ir temperatūros kritimas. Adiabatinio suspaudimo metu dujų darbas yra neigiamas ( išorinę aplinką atlieka darbus su dujomis), didėja dujų vidinė energija ir temperatūra.

Šilumos talpa adiabatinio proceso metu bus lygi 0, t.y.

Adiabatinį procesą apibūdinanti lygtis yra tokia:

PV γ = const; kur γ = С Р /С V. (4)

Kadangi С Р >С V, tai γ>1 ir (4) lygtimi pavaizduota kreivė yra statesnė už izotermą (2 pav.). Adiabatinio proceso atlikto darbo kiekį galima ypač lengvai apskaičiuoti naudojant (3) lygtį:

Vienatominėms dujoms C = 12,5 kJ/k mol deg, C r. =C v + =20,8 kJ/k mol deg, o adiabatinis rodiklis γ=C P /C v =1,67.

Dviatominėms dujoms įprastoje temperatūroje

g=29,1/20,8=1,4.

Daugiaatominėms dujoms γ yra dar arčiau vienybės.

Greitaeigiuose varikliuose vidaus degimas o kai dujos teka pro purkštukus reaktyviniai varikliai dujų plėtimosi procesas vyksta taip greitai, kad jį galima laikyti praktiškai adiabatiniu ir

apskaičiuokite pagal lygtį /4/.

Patirtis taip pat rodo, kad garso vibracijos su minimaliais dažniais, vieno svyravimo metu /~0,1 s/temperatūra tarp suspaustų/ ir tokiu būdu įkaitusių/ ir išleidžiamų/taip atšaldomų/ bangos sričių nespėja išsilyginti. Praktiškai garso sklidimo procesas gali būti laikomas adiabatiniu, taigi garso sklidimo greitis idealios dujos nustatoma pagal išraišką:

Tai lengva rasti iš čia:

Taigi, γ nustatymas yra susijęs su garso greičio matavimu ir absoliuti temperatūra oro. Šiame darbe garso greitis nustatomas stovinčios bangos metodu – Kundto metodu.

II. EKSPERIMENTINĖS ĮRENGIMO APRAŠYMAS.

Schema eksperimentinė sąranka 3 pav. Telefonas T, gavęs elektros signalą iš generatoriaus 1, skleidžia garso bangas į vamzdį 2. Pasiekus mikrofoną M garso banga paverčiama įtampa, kuri tiekiama į elektroninio osciloskopo 3 vertikalias nukreipimo plokštes. Įtampa tiekiama tiesiai į horizontalias nukreipimo plokštes X iš garso generatoriaus išėjimo gnybtų. Telefonas yra tvirtai pritvirtintas prie kairiojo vamzdelio galo, o mikrofonas gali laisvai judėti jo viduje.

Signalo, patenkančio į Y plokštes, fazės poslinkis į X plokštes tiekiamo signalo atžvilgiu priklauso nuo laiko, per kurį garsas nukeliauja atstumą tarp mikrofono ir telefono, ir gali būti naudojamas bangos ilgiui λ nustatyti. Kai įjungiate diegimą, osciloskopo ekrane turėtų būti matoma elipsė. Pakeitus atstumą tarp mikrofono ir telefono, elipsę galite paversti tiesia linija. Jei dabar perkelsime mikrofoną λ/2, ekrane vėl atsiras tiesi linija, šį kartą einanti per kitus kvadrantus. Tolesniam poslinkiui tiesia linija vėl pakeis kryptį ir pan. Taigi, naudodami figūras, vadinamas Lissajous figūromis, galite tiesiogiai išmatuoti ilgį garso banga ore ir pagal formulę nustatykite garso greitį, kur yra generatoriaus dažnis Hz.

III MATAVIMŲ ATLIKIMO TVARKA.

1. Įjunkite osciloskopą ir leiskite jam sušilti 10 minučių.

2. Įjunkite ir sureguliuokite garso generatorių pagal dažnį /mokytojo nustatytą dažnį/ Generatoriaus išėjimo įtampą nustatykite į 1,5 V.

3. Nustatykite mikrofono strypo indikatorių 5 į kraštutinę dešinę skalės 4 padėtį /pav./ ir osciloskopo ekrane atsiras Lissajous figūra /elipsė arba tiesi linija/.

4. Perkeldami strypą su mikrofonu į kairę, nustatykite mikrofono strypo / / padėtį, kurioje elipsė virsta aiškia tiesia linija, atitinkančia mazgus stovinti banga/skaičiuokite cm 4 balų skalėje/.

5. Apskaičiuokite skirtumą tarp mazgų taškų, kuris yra pusė bangos ilgio.

11.Padarykite išvadas.

IV. TESTO KLAUSIMAI.

Žiūrėti darbą Nr.10.

ŠILUMOS GALIMYBĖ- šilumos kiekis; organizmas pasisavinamas kaitinant 1 laipsniu (1 °C arba 1 K); tiksliau, kūno sugeriamo šilumos kiekio, kurio temperatūrai pakinta be galo mažas, ir šio pokyčio santykis. T. vadinami medžiagos masės vienetais. specifinis T., 1 molis medžiagos-molinis (molinis) T. T. vienetai yra J/(kg K), JDmol K), J/(m 3 K) ir ekstrasisteminis vienetas cal/(mol K) .

Kūno sugeriamos šilumos kiekis, kai keičiasi jo būsena, priklauso ne tik nuo pradinės ir galutinės būsenų (ypač nuo jų temperatūros), bet ir nuo metodo, kuriuo buvo atliktas perėjimo tarp jų procesas. Atitinkamai, kūno temperatūra priklauso nuo jo kaitinimo būdo. Temperatūra paprastai išskiriama pasninko metu. tūris ( C V) ir T. pašte. spaudimas ( Su P), jei kaitinimo proceso metu kūno tūris arba slėgis atitinkamai palaikomi pastovūs. Kai šildoma DC. slėgis, dalis šilumos atitenka kūno plėtimosi darbui gaminti, o dalis – jo didinimui vidinė energija , tuo tarpu kai šildoma nuolatine srove. tūrio, visa šiluma išleidžiama vidiniam didinimui energija; dėl to S R C V visada daugiau nei Su P - . Dujų (tokių retų, kad jas galima laikyti idealiomis) molinių T skirtumas. C V = R , Kur R - universalus dujų konstanta , tuo tarpu kai šildoma nuolatine srove. tūrio, visa šiluma išleidžiama vidiniam didinimui energija; dėl to, lygus 8,314 J/(Dmol K) arba 1,986 calDmol K). C V Skysčių ir kietų medžiagų atveju skirtumas tarp , tuo tarpu kai šildoma nuolatine srove. tūrio, visa šiluma išleidžiama vidiniam didinimui energija; dėl to Ir

palyginti mažas. T. Kai kurios medžiagos ir medžiagos pateiktos lentelėje. 1 ir 2. Kietuose (kristaliniuose) kūnuose atomų šiluminis judėjimas reiškia mažus virpesius šalia tam tikro taško. pusiausvyros padėtys (kristalinės gardelės mazgai). Todėl kiekvienas atomas turi tris vibracijas. laisvės laipsnių, o pagal pusiausvyros dėsnį kieto kūno molinė temperatūra (kristalinės gardelės temperatūra) turi būti lygi 3 nR , Kur n - atomų skaičius molekulėje. Tačiau iš tikrųjų ši vertė yra tik riba, iki kurios kieto kūno temperatūra linksta esant aukštai temperatūrai. Daugeliui tai pasiekiama jau esant normaliai temperatūrai. elementai, įskaitant metalai (n = 1 , vadinamasis Dulong ir Petit įstatymas ) ir tam tikriems paprastiems junginiams; adresu sudėtingi junginiai

ši riba iš tikrųjų nepasiekta, nes ji ateina anksčiau tirpstantis 3 (medžiaga ar jos skilimas. Esant žemoms temperatūroms, kietojo kūno gardelės komponentas T yra proporcingas. T Debye šilumos talpos dėsnis) . Aukštos ir žemos temperatūros atskyrimo kriterijus yra lyginti jas su kiekvienai duotai medžiagai būdingu parametru – vadinamuoju. charakteristika arba Debye temperatūra q D . Aukštos ir žemos temperatūros atskyrimo kriterijus yra lyginti jas su kiekvienai duotai medžiagai būdingu parametru – vadinamuoju. charakteristika arba, Šią vertę lemia atomų virpesių spektras kūne ir todėl labai priklauso nuo jo kristališkumo. konstrukcijos (žr

Kristalinės gardelės virpesiai) . Paprastai q- kelių eilės vertė. šimtus K, bet gali pasiekti (pavyzdžiui, deimantais) tūkstančius K, Metalai turi tam tikrą Laidumo elektronai taip pat prisideda prie temperatūros (žr Elektroninė šilumos talpa) . Šią T. dalį galima apskaičiuoti naudojant Fermi-Dirac statistiką, kuriai elektronai paklūsta. Elektroninis T. metalo proporcingas. 3 ) tampa nereikšmingas. Kristalinėje kūnai su tvarkingu sukimosi magnetų išdėstymu. atomų momentai (fero- ir antiferomagnetai) yra komplementas. magnetinis, komponentas T. Esant fazinio perėjimo į paramagnetinę temperatūrą. būklė (į Curie taškas arba atitinkamai Neel taškas ) šis T. komponentas patiria staigų kilimą – stebimas T. „pikas“, kuris yra būdingas bruožas fazių perėjimai

2 rūšis. . Lit..: Landau L. D., Lifshits E. M., Statistinė fizika, 3 leidimas, 1 dalis, M., 1976; Fizinių dydžių lentelės. Vadovas, red. I. K. Kikoina, M., 1976 m..

E. M. Lifshitsas

Šilumos talpa – tai gebėjimas sugerti tam tikrą šilumos kiekį kaitinimo metu arba išleisti jį aušinant. Kūno šiluminė talpa yra be galo mažo šilumos kiekio, kurį kūnas gauna, ir atitinkamo jo temperatūros rodiklių padidėjimo santykis. Vertė matuojama J/K. Praktikoje naudojama kiek kitokia reikšmė – savitoji šiluminė talpa.

Apibrėžimas Ką reiškia specifinė šiluminė talpa? Tai kiekis, susijęs su medžiagos kiekio vienetu. Atitinkamai, medžiagos kiekis gali būti matuojamas kubiniais metrais, kilogramais ar net moliais. Nuo ko tai priklauso? Fizikoje šiluminė talpa tiesiogiai priklauso nuo ko kiekybinis vienetas tai reiškia, todėl išskiria molinę, masinę ir tūrinę šiluminę talpą. IN statybos pramone tu nepasimatysi moliniai matavimai

, bet su kitais – labai dažnai.

Kas turi įtakos specifinei šiluminei galiai?

Jūs žinote, kas yra šiluminė talpa, bet kokios reikšmės turi įtakos indikatoriui, dar nėra aišku. Savitosios šiluminės talpos vertę tiesiogiai veikia keli komponentai: medžiagos temperatūra, slėgis ir kitos termodinaminės charakteristikos.

Didėjant gaminio temperatūrai, jo savitoji šiluminė talpa didėja, tačiau tam tikros medžiagos turi visiškai netiesinę šios priklausomybės kreivę. Pavyzdžiui, temperatūros rodikliams padidėjus nuo nulio iki trisdešimt septynių laipsnių, vandens savitoji šiluminė talpa pradeda mažėti, o jei riba yra nuo trisdešimt septynių iki šimto laipsnių, indikatorius, priešingai, padidinti.

Verta paminėti, kad parametras priklauso ir nuo to, kaip leidžiama keisti gaminio termodinamines charakteristikas (slėgį, tūrį ir kt.). Pavyzdžiui, savitoji šiluminė talpa esant pastoviam slėgiui ir esant stabiliam tūriui skirsis.

Domina kokia šiluminė talpa? Skaičiavimo formulė yra tokia: C=Q/(m·ΔT). Kokios tai reikšmės? Q – šilumos kiekis, kurį gaminys gauna kaitinant (arba išskiriamas gaminio aušinimo metu). m – gaminio masė, o ΔT – skirtumas tarp galutinės ir pradinės gaminio temperatūrų. Žemiau yra kai kurių medžiagų šiluminės talpos lentelė.

Ką galima pasakyti apie šilumos talpos apskaičiavimą?

Apskaičiuoti šiluminę galią nėra pati lengviausia užduotis, ypač jei naudojate išskirtinai termodinaminius metodus, tiksliau to padaryti neįmanoma. Štai kodėl fizikai naudoja metodus statistinė fizika arba produktų mikrostruktūros išmanymas. Kaip atlikti dujų skaičiavimus? Dujų šiluminė talpa apskaičiuojama iš skaičiavimo vidutinė energija atskirų molekulių šiluminis judėjimas medžiagoje. Molekuliniai judesiai gali būti transliaciniai arba sukamieji, o molekulės viduje gali būti visas atomas arba atomų vibracija. Klasikinė statistika sako, kad kiekvienam sukimosi laisvės laipsniui ir transliaciniai judesiai yra moline verte, kuri lygi R/2, o kiekvieno virpesio laisvės laipsnio reikšmė lygi R. Ši taisyklė dar vadinama lygiavertiškumo dėsniu.

Šiuo atveju monoatominių dujų dalelė turi tik tris transliacijos laisvės laipsnius, todėl jos šiluminė talpa turėtų būti lygi 3R/2, o tai puikiai sutampa su eksperimentu. Kiekviena dviatomių dujų molekulė išsiskiria trimis transliaciniais, dviem sukimosi ir vienu virpesių laisvės laipsniais, o tai reiškia, kad pusiausvyros dėsnis bus lygus 7R/2, o patirtis parodė, kad dviatomių dujų molio šiluminė talpa įprastoje temperatūroje yra 5R/2. Kodėl tarp teorijų atsirado toks neatitikimas? Viskas susiję su tuo, kad nustatant šiluminę galią reikės atsižvelgti į įvairius kvantinius efektus, kitaip tariant, naudoti kvantinę statistiką. Kaip matote, šiluminė talpa yra gana sudėtinga sąvoka.

Kvantinė mechanika sako, kad bet kuri vibruojančių ar besisukančių dalelių sistema, įskaitant dujų molekulę, gali turėti tam tikrų diskrečiųjų vertybių energijos. Jeigu šiluminio judėjimo energijos įrengtoje sistemoje nepakanka, kad sužadintų reikiamo dažnio virpesius, tai šie svyravimai neprisideda prie sistemos šiluminės talpos.

Kietose medžiagose atomų terminis judėjimas yra silpnos vibracijos šalia tam tikrų pusiausvyros padėčių, tai taikoma mazgams kristalinė gardelė. Atomas turi tris vibracinius laisvės laipsnius ir pagal įstatymą kieto kūno molinė šiluminė talpa yra lygi 3nR, kur n yra molekulėje esančių atomų skaičius. Praktiškai ši vertė yra riba, iki kurios kūno šiluminė talpa linksta aukštoje temperatūroje. Vertė pasiekiama esant normaliam daugelio elementų temperatūros pokyčiui, tai taikoma metalams, taip pat paprastiems junginiams. Taip pat nustatoma švino ir kitų medžiagų šiluminė talpa.

O kaip su žema temperatūra?

Mes jau žinome, kas yra šiluminė talpa, bet jei kalbame apie žemos temperatūros, kaip tada bus skaičiuojama vertė? Jeigu mes kalbame apie apie žemos temperatūros rodiklius, tada kieto kūno šiluminė talpa pasirodo proporcinga tirpstantis 3 arba vadinamasis Debio šiluminės talpos dėsnis. Pagrindinis kriterijus, leidžianti atskirti didelio našumo temperatūra nuo žemos, įprasta jas lyginti su būdingomis tam tikra medžiaga parametras – tai gali būti charakteristika arba Debye temperatūra q D. Pateikta vertė nustatoma pagal gaminyje esančių atomų virpesių spektrą ir labai priklauso nuo kristalų struktūros.

Metaluose laidumo elektronai daro tam tikrą indėlį į šilumos talpą. Ši dalisšilumos talpa apskaičiuojama naudojant Fermi-Dirac statistiką, kurioje atsižvelgiama į elektronus. Metalo elektroninė šiluminė talpa, kuri yra proporcinga įprastai šiluminei galiai, yra santykinai maža reikšmė, ir ji prisideda prie metalo šiluminės talpos tik esant absoliučiam nuliui artimai temperatūrai. Tada grotelių šiluminė talpa tampa labai maža ir gali būti nepaisoma.

Masės šiluminė talpa

Masės savitoji šiluminė talpa – tai šilumos kiekis, kurį reikia pridėti prie medžiagos masės vieneto, kad produktas pašildytų vienetine temperatūra. Paskirta duota vertė raidė C ir matuojama džauliais, padalijus iš kilogramo kelvinui – J/(kg K). Tai viskas dėl masinės šilumos talpos.

Kas yra tūrinė šilumos talpa?

Tūrinė šiluminė talpa – tai tam tikras šilumos kiekis, kurį reikia pridėti prie gaminio tūrio vieneto, kad jis būtų šildomas pagal temperatūros vienetą. Išmatuota šis rodiklis džauliais padalytas iš kubinis metras vienam kelvinui arba J/(m³ K). Daugelyje statybos žinynų atsižvelgiama į masės savitąją šilumos talpą darbe.

Praktinis šiluminės galios pritaikymas statybos pramonėje

Karščiui atsparių sienų statyboje aktyviai naudojama daug šilumai intensyvių medžiagų. Tai itin svarbu namams, kuriems būdingas periodinis šildymas. Pavyzdžiui, viryklė. Intensyvūs šilumai gaminiai ir iš jų pastatytos sienos puikiai kaupia šilumą, kaupia ją šildymo periodais ir išjungus sistemą palaipsniui išskiria šilumą, taip leisdamos palaikyti priimtiną temperatūrą visą dieną.

Taigi, kuo daugiau šilumos bus sukaupta konstrukcijoje, tuo patogesnė ir stabilesnė bus temperatūra patalpose.

Verta paminėti, kad namo statyboje naudojamos paprastos plytos ir betonas turi žymiai mažesnę šiluminę galią nei putų polistirenas. Jei imtume ekovatą, ji turi tris kartus didesnę šiluminę talpą nei betonas. Reikėtų pažymėti, kad ne veltui šiluminės talpos skaičiavimo formulėje yra masė. Dėl didelės, milžiniškos betono ar plytų masės, palyginti su ekovata, ji leidžia akmeninėms konstrukcijų sienoms sukaupti didžiulius šilumos kiekius ir išlygina visus paros temperatūros svyravimus. Tik maža masė izoliacija visuose karkasiniuose namuose, nepaisant geros šilumos talpos, yra silpniausia sritis iš visų karkasinių technologijų. Norėdami nuspręsti šią problemą, visuose namuose sumontuoti įspūdingi šilumos akumuliatoriai. kas tai? Tai konstrukcinės dalys, kurios skiriasi didelė masė su pakankamai geras rodiklisšiluminė talpa.

Šilumos akumuliatorių pavyzdžiai realiame gyvenime

Kas tai galėtų būti? Pavyzdžiui, kai kurios vidinės mūrinės sienos, didelė krosnis ar židinys, betoniniai lygintuvai.

Baldai bet kuriame name ar bute yra puikus šilumos akumuliatorius, nes fanera, medžio drožlių plokštės ir mediena iš tikrųjų gali sukaupti tris kartus daugiau šilumos vienam svorio kilogramui nei liūdnai pagarsėjusi plyta.

Ar yra kokių nors šilumos akumuliatorių trūkumų? Žinoma, pagrindinis šio požiūrio trūkumas yra tas, kad šilumos akumuliatorių reikia projektuoti karkasinio namo modelio kūrimo etape. Taip yra dėl to, kad jis yra sunkus, į tai reikės atsižvelgti kuriant pamatą, o tada įsivaizduokite, kaip šis objektas bus integruotas į interjerą. Verta pasakyti, kad savo darbe turėsite atsižvelgti ne tik į masę, bet ir į abi charakteristikas: masę ir šiluminę talpą. Pavyzdžiui, jei kaip šilumos akumuliatorių naudojate auksą, kurio kubinis metras sveria neįtikėtinai dvidešimt tonų, gaminys veiks taip, kaip reikia, tik dvidešimt trim procentais geriau nei betoninis kubas, sveriantis dvi su puse tonos.

Kokia medžiaga tinkamiausia šilumos akumuliatoriui?

Geriausias produktasšilumos akumuliatoriui tai visai ne betonas ir plyta! Varis, bronza ir geležis puikiai susidoroja su šia užduotimi, tačiau yra labai sunkūs. Kaip bebūtų keista, bet geriausias šilumos akumuliatorius yra vanduo! Skystis turi įspūdingą šiluminę talpą, didžiausią iš mums prieinamų medžiagų. Didesnė šilumos talpa tik helio dujoms (5190 J/(kg K) ir vandeniliui (14300 J/(kg K), bet jas sunku naudoti praktikoje. Jei norite ir reikia), žiūrėkite Jums reikalingų medžiagų šiluminės talpos lentelę.

Kūno šiluminė talpa – tai šilumos kiekis, kuris turi būti perduotas tam tikram kūnui, kad jo temperatūra padidėtų vienu laipsniu. Atvėsęs vienu laipsniu kūnas išskiria tiek pat šilumos. Šilumos talpa yra proporcinga kūno masei. Kūno masės vieneto šiluminė talpa vadinama savitoji šiluma, o savitosios šiluminės talpos sandauga ir atominės arba molekulinė masė- atitinkamai atominė arba molinė.

Šilumos pajėgumai įvairių medžiagų labai skiriasi viena nuo kitos. Taigi vandens savitoji šiluminė talpa 20° C temperatūroje yra 4200 J/kg K, pušies medienos - 1700, oro - 1010. Metalams ji mažesnė: aliuminio - 880 J/kg K, geležies - 460, vario - 385, švino - 130. Savitoji šiluminė talpa nežymiai didėja didėjant temperatūrai (esant 90°C vandens šiluminė talpa yra 4220 J/kg K) ir labai kinta vykstant fazinėms transformacijoms: ledo šiluminė talpa 0°C temperatūroje yra 2 kartus mažesnė nei kad vandens; Vandens garų šiluminė talpa 100°C temperatūroje yra apie 1500 J/kg K.

Šilumos talpa priklauso nuo sąlygų, kuriomis vyksta kūno temperatūros pokyčiai. Jei kūno dydis nesikeičia, tada visa šiluma eina vidinei energijai pakeisti. Tai reiškia šilumos talpą esant pastoviam tūriui. Esant pastoviam išoriniam slėgiui, dėka šiluminis plėtimasis yra daroma mechaninis darbas nuo išorinių jėgų, o kaitinant iki tam tikros temperatūros reikia daugiau šilumos. Todėl šilumos talpa esant pastoviam slėgiui visada yra didesnė nei . Už idealios dujos(žr. paveikslą), kur R yra dujų konstanta, lygi 8,32 J/mol K.

Paprastai matuojamas. Klasikinis būdasšiluminės talpos matavimai yra tokie: kūnas, kurio šiluminė talpa turi būti matuojama, pašildomas iki tam tikros temperatūros ir dedamas į kalorimetrą, kurio pradinė temperatūra pripildyta vandens ar kito žinomos šiluminės talpos skysčiu ir - kalorimetro šiluminė talpa. ir skystis).

Temperatūros matavimas kalorimetre po nustatymo šiluminė pusiausvyra, galite apskaičiuoti kūno šiluminę talpą pagal formulę:

kur ir yra kūno masės, skystis ir kalorimetras.

Labiausiai išplėtota teorija yra dujų šiluminė talpa. Esant įprastoms temperatūroms, kaitinant daugiausia pasikeičia dujų molekulių transliacinio ir sukimosi judėjimo energija. Dėl monoatominių dujų molinės šiluminės talpos teorija pateikia , dviatomines ir daugiaatomes dujas - ir . Esant labai žemai temperatūrai, šiluminė talpa yra šiek tiek mažesnė dėl kvantiniai efektai(žr. Kvantinė mechanika). At aukšta temperatūra pridedamas vibracinė energija, o poliatominių dujų šiluminė talpa didėja didėjant temperatūrai.

Kristalų atominė šiluminė talpa, pagal klasikinė teorija, yra lygus , o tai atitinka empirinį Dulongo ir Petit dėsnį (1819 m. nustatė prancūzų mokslininkai P. Dulongas ir A. Petit). Kvantinė teorijašiluminė talpa leidžia daryti tą pačią išvadą esant aukštai temperatūrai, tačiau prognozuoja šilumos talpos sumažėjimą, kai temperatūra mažėja. Iš arti absoliutus nulis visų kūnų šiluminė talpa linkusi į nulį (trečiasis termodinamikos dėsnis).