Soojusmahtuvus on võime neelata teatud koguses soojust kuumutamisel või eraldada jahutamisel. Keha soojusmahtuvus on kehale saadava lõpmatult väikese soojushulga ja tema temperatuurinäitajate vastava tõusuga suhe. Väärtust mõõdetakse J/K. Praktikas kasutatakse veidi teistsugust väärtust – erisoojust.
Definitsioon
Mida erisoojus tähendab? See on kogus, mis on seotud aine ühe kogusega. Vastav alt sellele saab aine kogust mõõta kuupmeetrites, kilogrammides või isegi moolides. Millest see oleneb? Füüsikas sõltub soojusmahtuvus otseselt sellest, millisele kvantitatiivsele ühikule see viitab, mis tähendab, et nad eristavad molaarset, massilist ja mahulist soojusmahtuvust. Ehitustööstuses ei näe te molaarmõõtmisi, kuid näete pidev alt teisi.
Mis mõjutab erisoojusvõimsust?
Mis on soojusmahtuvus, teate küll, aga millised väärtused indikaatorit mõjutavad, pole veel selge. Erisoojusvõimsuse väärtust mõjutavad otseselt mitmed komponendid:aine temperatuur, rõhk ja muud termodünaamilised omadused.
Toote temperatuuri tõustes suureneb selle erisoojusmaht, kuid teatud ainetel on selles suhtes täiesti mittelineaarne kõver. Näiteks temperatuurinäitajate tõusuga nullist kolmekümne seitsme kraadini hakkab vee erisoojusmahtuvus vähenema ja kui piir on vahemikus kolmkümmend seitse kuni sada kraadi, siis indikaator vastupidiselt suurendada.
Väärib märkimist, et parameeter sõltub ka sellest, kuidas on lubatud toote termodünaamilised omadused (rõhk, maht jne) muutuda. Näiteks erisoojus stabiilse rõhu ja stabiilse ruumala korral on erinev.
Kuidas parameetrit arvutada?
Kas olete huvitatud soojusmahtuvusest? Arvutusvalem on järgmine: C \u003d Q / (m ΔT). Mis need väärtused on? Q on soojushulk, mille toode kuumutamisel saab (või tootest jahutamisel vabaneb). m on toote mass ja ΔT on toote lõpp- ja algtemperatuuri vahe. Allpool on tabel mõne materjali soojusmahtuvuse kohta.
Aga soojusmahtuvuse arvutamine?
Soojusmahtuvuse arvutamine ei ole lihtne ülesanne, eriti kui kasutada ainult termodünaamilisi meetodeid, pole seda võimalik täpsem alt teha. Seetõttu kasutavad füüsikud statistilise füüsika meetodeid või teadmisi toodete mikrostruktuurist. Kuidas arvutada gaasi? Gaasi soojusmahtuvusarvutatakse aine üksikute molekulide keskmise soojusliikumise energia arvutamisel. Molekulide liikumised võivad olla translatsioonilist ja pöörlevat tüüpi ning molekuli sees võib olla terve aatom või aatomite vibratsioon. Klassikaline statistika ütleb, et iga pöörlemis- ja translatsiooniliikumise vabadusastme jaoks on gaasi molaarse soojusmahtuvuse väärtus, mis on võrdne R / 2-ga ja iga vibratsioonilise vabadusastme jaoks on väärtus võrdne R-ga.. Seda reeglit nimetatakse ka võrdsusjaotusseaduseks.
Samal ajal erineb üheaatomilise gaasi osake vaid kolme translatsioonivabadusastme võrra ja seetõttu peaks selle soojusmahtuvus olema võrdne 3R/2-ga, mis on suurepäraselt kooskõlas katsega. Igal kaheaatomilisel gaasimolekulil on kolm translatsiooni-, kaks pöörlemis- ja üks vibratsioonivabadusastet, mis tähendab, et jaotusseadus on 7R/2 ning kogemused on näidanud, et kaheaatomilise gaasi mooli soojusmahtuvus tavatemperatuuril on 5R/ 2. Miks oli teoreetiliselt selline lahknevus? Kõik on tingitud sellest, et soojusmahtuvuse määramisel tuleb arvestada erinevate kvantefektidega ehk teisisõnu kasutada kvantstatistikat. Nagu näete, on soojusmahtuvus üsna keeruline mõiste.
Kvantmehaanika ütleb, et igal võnkuval või pöörleval osakeste süsteemil, sealhulgas gaasimolekulil, võivad olla teatud diskreetsed energiaväärtused. Kui paigaldatud süsteemi soojusliikumise energiast ei piisa vajaliku sagedusega võnkumiste ergutamiseks, siis need võnked ei aita kaasasüsteemi soojusmahtuvus.
Tahketes ainetes on aatomite soojusliikumine nõrk võnkumine teatud tasakaaluasendite lähedal, see kehtib kristallvõre sõlmede kohta. Aatomil on kolm vibratsioonivabadusastet ja vastav alt seadusele on tahke aine molaarne soojusmahtuvus võrdne 3nR, kus n on molekulis olemasolevate aatomite arv. Praktikas on see väärtus piir, milleni keha soojusmahtuvus kõrgel temperatuuril kipub. Väärtus saavutatakse paljude elementide normaalsete temperatuurimuutustega, see kehtib nii metallide kui ka lihtsate ühendite kohta. Samuti määratakse plii ja muude ainete soojusmahtuvus.
Aga madalate temperatuuridega?
Me juba teame, mis on soojusmahtuvus, aga kui me räägime madalatest temperatuuridest, siis kuidas seda väärtust arvutatakse? Kui me räägime madala temperatuuri indikaatoritest, siis tahke keha soojusmahtuvus osutub siis võrdeliseks T 3 ehk nn Debye soojusmahtuvuse seadusega. Kõrgete temperatuuride ja madalate temperatuuride eristamise põhikriteeriumiks on nende tavaline võrdlemine konkreetse aine iseloomuliku parameetriga – selleks võib olla iseloomulik või Debye temperatuur qD. Esitatud väärtuse määrab tootes olevate aatomite vibratsioonispekter ja see sõltub oluliselt kristallstruktuurist.
Metallides annavad juhtivuselektronid teatud panuse soojusmahtuvusse. See osa soojusvõimsusest arvutatakse kasutadesFermi-Dirac statistika, mis võtab arvesse elektrone. Metalli elektrooniline soojusmahtuvus, mis on võrdeline tavalise soojusmahutavusega, on suhteliselt väike väärtus ja see aitab kaasa metalli soojusmahtuvusele ainult absoluutse nulli lähedasel temperatuuril. Siis muutub võre soojusmahtuvus väga väikeseks ja selle võib tähelepanuta jätta.
Massisoojusvõimsus
Massi erisoojus on soojushulk, mis tuleb viia aine massiühikuni, et toodet kuumutada temperatuuriühiku kohta. Seda väärtust tähistatakse tähega C ja seda mõõdetakse džaulides, jagatud kilogrammiga kelvini kohta - J / (kg K). See kõik puudutab massi soojusmahtuvust.
Mis on mahuline soojusmahtuvus?
Mahuline soojusmaht on teatud kogus soojust, mis tuleb lisada toote ruumalaühikule, et seda temperatuuriühiku kohta soojendada. Seda indikaatorit mõõdetakse džaulides, jagatud kuupmeetriga kelvini kohta või J / (m³ K). Paljudes hoonete teatmeteostes võetakse arvesse massispetsiifilist soojusmahtuvust tööl.
Soojusvõimsuse praktiline rakendamine ehitustööstuses
Kuumakindlate seinte ehitamisel kasutatakse aktiivselt palju soojusmahukaid materjale. See on äärmiselt oluline majade puhul, mida iseloomustab perioodiline küte. Näiteks ahi. Kuumusmahukad tooted ja nendest ehitatud seinad akumuleerivad suurepäraselt soojust, salvestavad seda kütteperioodidel ja vabastavad soojust järk-järgult pärast väljalülitamistsüsteem, mis võimaldab hoida vastuvõetavat temperatuuri kogu päeva jooksul.
Seega, mida rohkem soojust konstruktsiooni salvestatakse, seda mugavam ja stabiilsem on ruumide temperatuur.
Väärib märkimist, et elamuehituses kasutatavad tavalised tellised ja betoon on palju väiksema soojusmahutavusega kui vahtpolüstüreen. Kui võtame ökovilla, siis see on kolm korda rohkem soojust tarbiv kui betoon. Tuleb märkida, et soojusmahtuvuse arvutamise valemis pole asjata mass olemas. Tänu suurele tohutule betooni või tellise massile, võrreldes ökovillaga, võimaldab see akumuleerida konstruktsioonide kiviseintesse tohutul hulgal soojust ja siluda kõiki ööpäevaseid temperatuurikõikumisi. Vaid väike soojustusmass kõigis karkassmajades on vaatamata heale soojusmahtuvusele kõigi karkasstehnoloogiate puhul kõige nõrgem koht. Selle probleemi lahendamiseks on kõikidesse majadesse paigaldatud muljetavaldavad soojusakud. Mis see on? Need on konstruktsiooniosad, mida iseloomustab suur mass ja üsna hea soojusmahtuvusindeks.
Näited soojusakude kohta elus
Mis see võiks olla? Näiteks mingisugused sisemised telliskiviseinad, suur ahi või kamin, betoonpõrandad.
Mööbel igas majas või korteris on suurepärane soojusakumulaator, sest vineer, puitlaastplaat ja puit suudavad tegelikult salvestada soojust vaid kilogrammi kaalu kohta kolm korda rohkem kui kurikuulus tellis.
Kas soojusakumulaatoritel on puudusi? Loomulikult on selle lähenemisviisi peamine puudusasjaolu, et soojusakut on vaja projekteerida karkassmaja paigutuse loomise etapis. Kõik on tingitud asjaolust, et see on väga raske ja seda tuleb vundamendi loomisel arvesse võtta ja seejärel kujutada ette, kuidas see objekt interjööri integreeritakse. Tasub öelda, et tuleb arvestada mitte ainult massiga, vaid töös on vaja hinnata mõlemat omadust: massi ja soojusmahtuvust. Näiteks kui kasutate soojussalvestina kulda, mille kaal on uskumatult kakskümmend tonni kuupmeetri kohta, siis toimib toode nii, nagu peaks, vaid kakskümmend kolm protsenti paremini kui kaks ja pool tonni kaaluv betoonkuubik.
Milline aine sobib kõige paremini soojuse salvestamiseks?
Soojusakumulaatori parim toode ei ole üldse betoon ja tellis! Vask, pronks ja raud teevad sellega head tööd, kuid need on väga rasked. Kummalisel kombel, aga parim soojuse akumulaator on vesi! Vedelikul on muljetavaldav soojusmahtuvus, mis on meile kättesaadavatest ainetest suurim. Soojusmahtuvus on suurem vaid heeliumgaasidel (5190 J / (kg K) ja vesinikul (14300 J / (kg K)), kuid praktikas on neid problemaatiline rakendada. Soovi ja vajaduse korral vaadake oma ainete soojusmahtuvuse tabelit vaja.
