La capacità termica è la capacità di assorbire determinate quantità di calore durante il riscaldamento o di sprigionare una volta raffreddato. La capacità termica di un corpo è il rapporto tra una quantità infinitesima di calore che un corpo riceve e il corrispondente aumento dei suoi indicatori di temperatura. Il valore è misurato in J/K. In pratica viene utilizzato un valore leggermente diverso: calore specifico.
Definizione
Cosa significa calore specifico? Questa è una quantità relativa a una singola quantità di una sostanza. Di conseguenza, la quantità di una sostanza può essere misurata in metri cubi, chilogrammi o anche in moli. Da cosa dipende? In fisica, la capacità termica dipende direttamente dall'unità quantitativa a cui si riferisce, il che significa che si distinguono tra capacità termica molare, di massa e volumetrica. Nel settore edile non vedrai misurazioni molari, ma ne vedrai sempre altre.
Cosa influenza la capacità termica specifica?
Che cos'è la capacità termica, si sa, ma quali valori influiscono sull'indicatore non è ancora chiaro. Il valore della capacità termica specifica è direttamente influenzato da diverse componenti:temperatura della sostanza, pressione e altre caratteristiche termodinamiche.
All'aumentare della temperatura di un prodotto, la sua capacità termica specifica aumenta, ma alcune sostanze mostrano una curva completamente non lineare in questa relazione. Ad esempio, con un aumento degli indicatori di temperatura da zero a trentasette gradi, la capacità termica specifica dell'acqua inizia a diminuire e se il limite è compreso tra trentasette e cento gradi, l'indicatore, al contrario, lo farà aumenta.
Vale la pena notare che il parametro dipende anche da come le caratteristiche termodinamiche del prodotto (pressione, volume e così via) possono cambiare. Ad esempio, il calore specifico a pressione stabile ea volume stabile sarà diverso.
Come calcolare il parametro?
Sei interessato a qual è la capacità termica? La formula di calcolo è la seguente: C \u003d Q / (m ΔT). Quali sono questi valori? Q è la quantità di calore che il prodotto riceve quando viene riscaldato (o rilasciato dal prodotto durante il raffreddamento). m è la massa del prodotto e ΔT è la differenza tra la temperatura finale e quella iniziale del prodotto. Di seguito è riportata una tabella della capacità termica di alcuni materiali.
E il calcolo della capacità termica?
Calcolare la capacità termica non è un compito facile, soprattutto se si utilizzano solo metodi termodinamici, è impossibile farlo in modo più preciso. Pertanto, i fisici utilizzano i metodi della fisica statistica o la conoscenza della microstruttura dei prodotti. Come calcolare per il gas? Capacità termica del gasè calcolato dal calcolo dell'energia media del moto termico delle singole molecole in una sostanza. I movimenti delle molecole possono essere di tipo traslazionale e rotazionale, e all'interno di una molecola può esserci un intero atomo o vibrazione di atomi. La statistica classica dice che per ogni grado di libertà dei moti di rotazione e traslazione esiste un valore nella capacità termica molare del gas, che è pari a R / 2, e per ogni grado di libertà vibrazionale, il valore è pari a R. Questa regola è anche chiamata legge di equipartizione.
Allo stesso tempo, una particella di un gas monoatomico differisce di soli tre gradi di libertà traslazionali, e quindi la sua capacità termica dovrebbe essere pari a 3R/2, che è in ottimo accordo con l'esperimento. Ogni molecola di gas biatomico ha tre gradi di libertà traslazionali, due rotazionali e uno vibrazionale, il che significa che la legge di equipartizione sarà 7R/2 e l'esperienza ha dimostrato che la capacità termica di una mole di un gas biatomico a temperatura ordinaria è 5R/ 2. Perché c'era una tale discrepanza in teoria? Tutto è dovuto al fatto che quando si stabilisce la capacità termica, sarà necessario tenere conto di vari effetti quantistici, in altre parole, utilizzare la statistica quantistica. Come puoi vedere, la capacità termica è un concetto piuttosto complicato.
La meccanica quantistica dice che qualsiasi sistema di particelle che oscillano o ruotano, inclusa una molecola di gas, può avere determinati valori energetici discreti. Se l'energia del moto termico nel sistema installato è insufficiente per eccitare oscillazioni della frequenza richiesta, queste oscillazioni non contribuiscono acapacità termica del sistema.
Nei solidi, il moto termico degli atomi è una debole oscillazione in prossimità di determinate posizioni di equilibrio, questo vale per i nodi del reticolo cristallino. Un atomo ha tre gradi di libertà vibrazionali e, secondo la legge, la capacità termica molare di un solido è pari a 3nR, dove n è il numero di atomi esistenti nella molecola. In pratica questo valore è il limite a cui tende la capacità termica del corpo alle alte temperature. Il valore si ottiene con normali variazioni di temperatura in molti elementi, questo vale sia per i metalli che per i composti semplici. Viene inoltre determinata la capacità termica del piombo e di altre sostanze.
E le basse temperature?
Sappiamo già cos'è la capacità termica, ma se parliamo di basse temperature, come verrà calcolato allora il valore? Se stiamo parlando di indicatori di bassa temperatura, allora la capacità termica di un corpo solido risulta essere proporzionale a T 3 o alla cosiddetta legge sulla capacità termica di Debye. Il criterio principale per distinguere le alte temperature da quelle basse è il solito confronto di esse con un parametro caratteristico per una particolare sostanza: questa può essere la temperatura caratteristica o Debye qD. Il valore presentato è impostato dallo spettro di vibrazione degli atomi nel prodotto e dipende in modo significativo dalla struttura cristallina.
Nei metalli, gli elettroni di conduzione danno un certo contributo alla capacità termica. Questa parte della capacità termica viene calcolata utilizzandoStatistica di Fermi-Dirac, che tiene conto degli elettroni. La capacità termica elettronica di un metallo, che è proporzionale alla capacità termica abituale, è un valore relativamente piccolo e contribuisce alla capacità termica del metallo solo a temperature prossime allo zero assoluto. Quindi la capacità termica del reticolo diventa molto piccola e può essere trascurata.
Capacità termica di massa
Il calore specifico di massa è la quantità di calore che deve essere portata a una massa unitaria di una sostanza per riscaldare il prodotto per unità di temperatura. Questo valore è indicato dalla lettera C e si misura in joule divisi per un chilogrammo per kelvin - J / (kg K). Si tratta della capacità termica di massa.
Che cos'è la capacità termica volumetrica?
La capacità termica del volume è una certa quantità di calore che deve essere aggiunta a un volume unitario di un prodotto per riscaldarlo per unità di temperatura. Questo indicatore è misurato in joule divisi per metro cubo per kelvin o J / (m³ K). In molti libri di riferimento sugli edifici, viene considerata la capacità termica specifica di massa al lavoro.
Applicazione pratica della capacità termica nel settore edile
Molti materiali ad alta intensità di calore sono utilizzati attivamente nella costruzione di pareti resistenti al calore. Questo è estremamente importante per le case caratterizzate dal riscaldamento periodico. Ad esempio, forno. I prodotti ad alta intensità di calore e le pareti costruite da essi accumulano perfettamente il calore, lo accumulano durante i periodi di riscaldamento e rilasciano gradualmente calore dopo lo spegnimentosistema, permettendo così di mantenere una temperatura accettabile per tutto il giorno.
Quindi, più calore immagazzinato nella struttura, più confortevole e stabile sarà la temperatura negli ambienti.
Vale la pena notare che i normali mattoni e cemento utilizzati nella costruzione di abitazioni hanno una capacità termica molto inferiore rispetto al polistirene espanso. Se prendiamo l'ecowool, consuma tre volte più calore del cemento. Va notato che nella formula per il calcolo della capacità termica non è vano che ci sia massa. A causa della grande massa enorme di cemento o mattoni, rispetto all'ecowool, consente di accumulare enormi quantità di calore nelle pareti in pietra delle strutture e di attenuare tutte le fluttuazioni di temperatura quotidiane. Solo una piccola massa di isolamento in tutte le case a telaio, nonostante la buona capacità termica, è l'area più debole per tutte le tecnologie di telaio. Per risolvere questo problema, in tutte le case sono installati accumulatori di calore impressionanti. Cos'è? Si tratta di parti strutturali caratterizzate da una grande massa con un indice di capacità termica abbastanza buono.
Esempi di accumulatori di calore in vita
Cosa potrebbe essere? Ad esempio, una sorta di pareti interne in mattoni, una grande stufa o caminetto, massetti in cemento.
I mobili di qualsiasi casa o appartamento sono un eccellente accumulatore di calore, perché compensato, truciolare e legno possono effettivamente immagazzinare calore solo per chilogrammo di peso tre volte di più del famigerato mattone.
Ci sono degli svantaggi negli accumulatori di calore? Naturalmente, lo svantaggio principale di questo approccio èil fatto che l'accumulatore di calore debba essere progettato nella fase di creazione di un layout di una casa di legno. Tutto a causa del fatto che è molto pesante, e questo dovrà essere preso in considerazione durante la creazione delle fondamenta, quindi immagina come questo oggetto verrà integrato all'interno. Vale la pena dire che è necessario tenere conto non solo della massa, sarà necessario valutare entrambe le caratteristiche nel lavoro: massa e capacità termica. Ad esempio, se si utilizza l'oro con un peso incredibile di venti tonnellate per metro cubo come accumulo di calore, il prodotto funzionerà come dovrebbe solo il ventitré per cento meglio di un cubo di cemento, che pesa due tonnellate e mezzo.
Quale sostanza è più adatta per un accumulo di calore?
Il miglior prodotto per un accumulatore di calore non è affatto cemento e mattoni! Rame, bronzo e ferro fanno un buon lavoro, ma sono molto pesanti. Stranamente, ma il miglior accumulatore di calore è l'acqua! Il liquido ha una capacità termica impressionante, la più grande tra le sostanze a nostra disposizione. Solo i gas elio (5190 J / (kg K) e l'idrogeno (14300 J / (kg K)) hanno una capacità termica maggiore, ma sono problematici da applicare nella pratica. Se lo si desidera e necessario, consultare la tabella della capacità termica delle sostanze che si bisogno.
