Lämpökapasiteetti on kyky absorboida tiettyjä lämpömääriä lämmitettäessä tai luovuttaa jäähtyessään. Kapasiteetin lämpökapasiteetti on kehon saaman äärettömän pienen lämpömäärän suhde sen lämpötila-indikaattoreiden vastaavaan nousuun. Arvo mitataan J/K:ssa. Käytännössä käytetään hieman erilaista arvoa - ominaislämpöä.
Määritelmä
Mitä ominaislämpö tarkoittaa? Tämä on määrä, joka liittyy yhteen aineen määrään. Vastaavasti aineen määrä voidaan mitata kuutiometreinä, kilogrammoina tai jopa mooliina. Mistä se riippuu? Fysiikassa lämpökapasiteetti riippuu suoraan siitä, mihin kvantitatiiviseen yksikköön se viittaa, mikä tarkoittaa, että niissä erotetaan molaarinen, massa- ja tilavuuslämpökapasiteetti. Rakennusalalla et näe molaarimittoja, mutta näet muita koko ajan.
Mikä vaikuttaa ominaislämpökapasiteettiin?
Mikä on lämpökapasiteetti, tiedät, mutta mitkä arvot indikaattoriin vaikuttavat, ei ole vielä selvää. Ominaislämpökapasiteetin arvoon vaikuttavat suoraan useat komponentit:aineen lämpötila, paine ja muut termodynaamiset ominaisuudet.
Tuotteen lämpötilan noustessa sen ominaislämpökapasiteetti kasvaa, mutta tietyillä aineilla on tässä suhteessa täysin epälineaarinen käyrä. Esimerkiksi lämpötila-indikaattoreiden noustessa nollasta kolmeenkymmeneenseitsemään asteeseen veden ominaislämpökapasiteetti alkaa laskea, ja jos raja on kolmenkymmenenseitsemän ja sadan asteen välillä, indikaattori päinvastoin lisää.
On syytä huomata, että parametri riippuu myös siitä, kuinka tuotteen termodynaamisten ominaisuuksien (paine, tilavuus ja niin edelleen) sallitaan muuttua. Esimerkiksi ominaislämpö vakaalla paineella ja vakaalla tilavuudella on erilainen.
Miten parametri lasketaan?
Kiinnostaako lämpökapasiteetti? Laskentakaava on seuraava: C \u003d Q / (m ΔT). Mitä nämä arvot ovat? Q on lämmön määrä, jonka tuote vastaanottaa kuumennettaessa (tai tuotteen vapauttamana jäähtyessään). m on tuotteen massa ja ΔT on tuotteen loppu- ja alkulämpötilan välinen ero. Alla on taulukko joidenkin materiaalien lämpökapasiteetista.
Entä lämpökapasiteetin laskelma?
Lämpökapasiteetin laskeminen ei ole helppo tehtävä, varsinkin jos käytetään vain termodynaamisia menetelmiä, sitä on mahdotonta tehdä tarkemmin. Siksi fyysikot käyttävät tilastollisen fysiikan menetelmiä tai tietoa tuotteiden mikrorakenteesta. Kuinka laskea kaasu? Kaasun lämpökapasiteettilasketaan aineen yksittäisten molekyylien keskimääräisen lämpöliikkeen energian laskemisesta. Molekyylien liikkeet voivat olla translaatio- ja rotaatiotyyppisiä, ja molekyylin sisällä voi olla kokonainen atomi tai atomien värähtely. Klassiset tilastot sanovat, että jokaisella pyörimis- ja translaatioliikkeiden vapausasteella on kaasun molaarisen lämpökapasiteetin arvo, joka on yhtä suuri kuin R / 2, ja jokaiselle värähtelyvapausasteelle arvo on yhtä suuri kuin R Tätä sääntöä kutsutaan myös ekvipartitolaiksi.
Samaan aikaan monoatomisen kaasun hiukkanen eroaa vain kolmella translaatiovapausasteella, ja siksi sen lämpökapasiteetin tulisi olla 3R/2, mikä on erinomaisesti sopusoinnussa kokeen kanssa. Jokaisella kaksiatomisella kaasumolekyylillä on kolme translaatio-, kaksi rotaatio- ja yksi värähtelyvapausastetta, mikä tarkoittaa, että tasajakolaki on 7R/2, ja kokemus on osoittanut, että kaksiatomisen kaasun moolin lämpökapasiteetti tavallisessa lämpötilassa on 5R/ 2. Miksi teoriassa oli tällainen ristiriita? Kaikki johtuu siitä, että lämpökapasiteettia määritettäessä on tarpeen ottaa huomioon erilaisia kvanttivaikutuksia eli käyttää kvanttitilastoja. Kuten näette, lämpökapasiteetti on melko monimutkainen käsite.
Kvanttimekaniikka sanoo, että millä tahansa hiukkasjärjestelmällä, joka värähtelee tai pyörii, mukaan lukien kaasumolekyylit, voi olla tiettyjä erillisiä energia-arvoja. Jos lämpöliikkeen energia asennetussa järjestelmässä ei riitä herättämään vaaditun taajuuden värähtelyjä, nämä värähtelyt eivät vaikutajärjestelmän lämpökapasiteetti.
Kiinteissä aineissa atomien lämpöliike on heikko värähtely lähellä tiettyjä tasapainokohtia, tämä koskee kidehilan solmuja. Atomilla on kolme värähtelyvapausastetta ja lain mukaan kiinteän aineen molaarinen lämpökapasiteetti on 3nR, missä n on molekyylissä olevien atomien lukumäärä. Käytännössä tämä arvo on raja, johon kehon lämpökapasiteetti pyrkii korkeissa lämpötiloissa. Arvo saavutetaan normaaleilla lämpötilan muutoksilla monissa elementeissä, tämä koskee metalleja sekä yksinkertaisia yhdisteitä. Myös lyijyn ja muiden aineiden lämpökapasiteetti määritetään.
Entä alhaiset lämpötilat?
Tiedämme jo mikä on lämpökapasiteetti, mutta jos puhumme alhaisista lämpötiloista, miten arvo lasketaan? Jos puhumme matalan lämpötilan indikaattoreista, niin kiinteän kappaleen lämpökapasiteetti osoittautuu sitten verrannolliseksi T 3 tai niin kutsuttuun Debyen lämpökapasiteettilakiin. Pääkriteeri korkeiden lämpötilojen erottamiseksi matalista on niiden tavanomainen vertailu tietyn aineen ominaisparametriin - tämä voi olla ominaisuus tai Debye-lämpötila qD. Esitetty arvo määräytyy tuotteessa olevien atomien värähtelyspektrin mukaan ja riippuu merkittävästi kiderakenteesta.
Metalleissa johtavuuselektroneilla on tietty osuus lämpökapasiteetista. Tämä osa lämpökapasiteetista lasketaan käyttämälläFermi-Dirac-tilasto, joka ottaa huomioon elektronit. Metallin sähköinen lämpökapasiteetti, joka on verrannollinen tavanomaiseen lämpökapasiteettiin, on suhteellisen pieni arvo, ja se vaikuttaa metallin lämpökapasiteettiin vain absoluuttisen nollan lähellä olevissa lämpötiloissa. Tällöin hilan lämpökapasiteetista tulee hyvin pieni ja se voidaan jättää huomiotta.
Massalämpökapasiteetti
Massan ominaislämpö on lämpömäärä, joka on saatettava aineen massayksikköön tuotteen lämmittämiseksi lämpötilayksikköä kohden. Tämä arvo on merkitty kirjaimella C ja se mitataan jouleina jaettuna kilogrammalla kelviniä kohti - J / (kg K). Tässä on kyse massalämpökapasiteetista.
Mikä on tilavuuslämpökapasiteetti?
Tilavuuslämpökapasiteetti on tietty määrä lämpöä, joka on lisättävä tuotteen tilavuusyksikköön, jotta se lämmitetään yksikkölämpötilaa kohden. Tämä indikaattori mitataan jouleina jaettuna kuutiometrillä kelviniä kohti tai J / (m³ K). Monissa rakennusalan hakukirjoissa huomioidaan massakohtainen lämpökapasiteetti työssä.
Lämpökapasiteetin käytännön sovellus rakennusteollisuudessa
Lämmönkestoisten seinien rakentamisessa käytetään aktiivisesti monia lämpöintensiivisiä materiaaleja. Tämä on erittäin tärkeää taloille, joille on ominaista säännöllinen lämmitys. Esimerkiksi uuni. Lämpöintensiiviset tuotteet ja niistä rakennetut seinät keräävät täydellisesti lämpöä, varastoivat sitä lämmitysjaksojen aikana ja vapauttavat lämpöä vähitellen sammuttamisen jälkeenjärjestelmä, mikä mahdollistaa hyväksyttävän lämpötilan ylläpitämisen koko päivän.
Joten mitä enemmän lämpöä rakenteeseen varastoituu, sitä mukavampi ja vakaampi huoneiden lämpötila on.
On syytä huomata, että tavallisella asuntorakentamisessa käytetyllä tiilellä ja betonilla on paljon pienempi lämpökapasiteetti kuin polystyreenivaahto. Jos otamme ekovillan, se kuluttaa kolme kertaa enemmän lämpöä kuin betoni. On huomattava, että lämpökapasiteetin laskentakaavassa ei turhaan ole massaa. Suuresta v altavasta betoni- tai tiilimassasta johtuen ekovillaan verrattuna se mahdollistaa v altavien lämpömäärien keräämisen rakenteiden kiviseiniin ja tasoittaa kaikki päivittäiset lämpötilanvaihtelut. Vain pieni eristemassa kaikissa runkotaloissa hyvästä lämpökapasiteetista huolimatta on kaikkien runkotekniikoiden heikoin alue. Tämän ongelman ratkaisemiseksi kaikkiin taloihin asennetaan vaikuttavat lämmönvaraajat. Mikä se on? Nämä ovat rakenneosia, joille on ominaista suuri massa ja melko hyvä lämpökapasiteettiindeksi.
Esimerkkejä elämän lämpöakuista
Mikä se voisi olla? Esimerkiksi jonkinlaiset sisätiiliseinät, iso liesi tai takka, betonitasot.
Kalusteet missä tahansa talossa tai asunnossa ovat erinomainen lämmönvaraaja, koska vaneri, lastulevy ja puu voivat itse asiassa varastoida lämpöä vain painokiloa kohden kolme kertaa enemmän kuin pahamaineinen tiili.
Onko lämmönakuissa haittoja? Tietenkin tämän lähestymistavan suurin haitta onse, että lämmönvaraaja on suunniteltava runkorakennuksen suunnitteluvaiheessa. Kaikki johtuu siitä, että se on erittäin raskas, ja tämä on otettava huomioon perustaa luotaessa ja sitten kuvitella, kuinka tämä esine integroidaan sisustukseen. On syytä sanoa, että on tarpeen ottaa huomioon paitsi massa, myös työn molemmat ominaisuudet on arvioitava: massa ja lämpökapasiteetti. Jos esimerkiksi käytät kultaa, jonka paino on uskomaton kaksikymmentä tonnia kuutiometrillä lämmönvaraajana, niin tuote toimii niin kuin sen pitäisikin vain kaksikymmentäkolme prosenttia paremmin kuin betonikuutio, joka painaa kaksi ja puoli tonnia.
Mikä aine sopii parhaiten lämmönvarastointiin?
Lämmönvaraajan paras tuote ei ole betoni ja tiili ollenkaan! Kupari, pronssi ja rauta tekevät hyvää työtä, mutta ne ovat erittäin raskaita. Kummallista kyllä, mutta paras lämmönvaraaja on vesi! Nesteen lämpökapasiteetti on vaikuttava, suurin saatavilla olevista aineista. Ainoastaan heliumkaasuilla (5190 J / (kg K) ja vedyllä (14300 J / (kg K)) on enemmän lämpökapasiteettia, mutta niiden soveltaminen käytännössä on ongelmallista. Katso halutessasi ja tarpeen tullen aineiden lämpökapasiteettitaulukko tarve.
