La tabla muestra las propiedades termofísicas del vapor de agua en la línea de saturación en función de la temperatura. Las propiedades del vapor se dan en la tabla en el rango de temperatura de 0,01 a 370°C.
Cada temperatura corresponde a la presión a la que el vapor de agua se encuentra en estado de saturación. Por ejemplo, a una temperatura del vapor de agua de 200 °C, su presión será de 1,555 MPa, o alrededor de 15,3 atm.
La capacidad calorífica específica del vapor, la conductividad térmica y su aumento con el aumento de la temperatura. La densidad del vapor de agua también aumenta. El vapor de agua se vuelve caliente, pesado y viscoso, con una alta capacidad calorífica específica, lo que tiene un efecto positivo en la elección del vapor como portador de calor en algunos tipos de intercambiadores de calor.
Por ejemplo, según la tabla, el calor específico del vapor de agua CP a una temperatura de 20°C es igual a 1877 J/(kg grado), y cuando se calienta a 370°C, la capacidad calorífica del vapor aumenta a un valor de 56520 J/(kg grado).
La tabla da las siguientes propiedades termofísicas del vapor de agua en la línea de saturación:
- presión de vapor a una temperatura especificada pág. 10 -5, papá;
- densidad del vapor ρ″ , kg / m 3;
- entalpía específica (masa) h″, kJ/kg;
- r, kJ/kg;
- capacidad calorífica específica del vapor CP, kJ/(kg grado);
- coeficiente de conductividad térmica λ 10 2, W/(m grados);
- difusividad térmica un 10 6, m2/s;
- viscosidad dinámica μ 10 6, Pa s;
- viscosidad cinemática v 10 6, m2/s;
- Número de Prandtl PR.
Calor específico de vaporización, entalpía, difusividad térmica y viscosidad cinemática el vapor de agua disminuye al aumentar la temperatura. La viscosidad dinámica y el número de Prandtl del vapor aumentan en este caso.
¡Ten cuidado! La conductividad térmica en la tabla se da a la potencia de 10 2 . ¡No olvides dividir por 100! Por ejemplo, la conductividad térmica del vapor a una temperatura de 100 °C es 0,02372 W/(m deg).
Conductividad térmica del vapor de agua a varias temperaturas y presiones.
La tabla muestra los valores de conductividad térmica del agua y el vapor a temperaturas de 0 a 700°C y presión de 0,1 a 500 atm. La unidad de conductividad térmica es W/(m deg).
Una línea debajo de los valores en la tabla significa transición de fase agua a vapor, es decir, los números debajo de la línea se refieren a vapor, y arriba a agua. De acuerdo con la tabla, se puede ver que el valor del coeficiente y el vapor de agua aumentan al aumentar la presión.
Nota: la conductividad térmica en la tabla se da a la potencia de 10 3 . ¡No olvides dividir por 1000!
Conductividad térmica del vapor de agua a altas temperaturas.
La tabla muestra los valores de conductividad térmica del vapor de agua disociado en W/(m deg) a temperaturas de 1400 a 6000 K y presiones de 0,1 a 100 atm.
Según la tabla, la conductividad térmica del vapor de agua a altas temperaturas aumenta notablemente en el rango de 3000 ... 5000 K. A altas presiones, el coeficiente de conductividad térmica máximo se alcanza a temperaturas más altas.
¡Ten cuidado! La conductividad térmica en la tabla se da a la potencia de 10 3 . ¡No olvides dividir por 1000!
El agua es una de las sustancias más asombrosas. A pesar de su amplia distribución y uso generalizado, es un verdadero misterio de la naturaleza. Al ser uno de los compuestos del oxígeno, parecería que el agua debería tener características muy bajas como congelamiento, calor de vaporización, etc. Pero esto no sucede. La capacidad calorífica del agua sola, a pesar de todo, es extremadamente alta.
El agua es capaz de absorber gran cantidad calor, mientras que en sí mismo prácticamente no se calienta - esta es su característica física. el agua es unas cinco veces mayor que la capacidad calorífica de la arena y diez veces mayor que el hierro. Por lo tanto, el agua es un refrigerante natural. Su capacidad de acumular un gran número de la energía le permite suavizar las fluctuaciones de temperatura en la superficie de la Tierra y regular el régimen térmico en todo el planeta, y esto sucede independientemente de la época del año.
eso propiedad única el agua permite su uso como refrigerante en la industria y en la vida cotidiana. Además, el agua es una materia prima ampliamente disponible y relativamente barata.
¿Qué se entiende por capacidad calorífica? Como se sabe por el curso de la termodinámica, la transferencia de calor siempre ocurre de un cuerpo caliente a uno frío. Donde estamos hablando sobre la transición de una cierta cantidad de calor, y la temperatura de ambos cuerpos, siendo una característica de su estado, muestra la dirección de este intercambio. En el proceso de un cuerpo de metal con agua. igual masa a las mismas temperaturas iniciales, el metal cambia su temperatura varias veces más que el agua.
Si tomamos como postulado la declaración principal de la termodinámica: de dos cuerpos (aislados de los demás), durante el intercambio de calor, uno emite y el otro recibe la misma cantidad de calor, entonces queda claro que el metal y el agua tienen un calor completamente diferente. capacidades.
Por lo tanto, la capacidad calorífica del agua (así como cualquier sustancia) es un indicador que caracteriza la capacidad de una sustancia dada para dar (o recibir) algo durante el enfriamiento (calentamiento) por unidad de temperatura.
La capacidad calorífica específica de una sustancia es la cantidad de calor requerida para calentar una unidad de esta sustancia (1 kilogramo) en 1 grado.
La cantidad de calor liberado o absorbido por un cuerpo es igual al producto de la capacidad calorífica específica, la masa y la diferencia de temperatura. Se mide en calorías. Una caloría es exactamente la cantidad de calor que es suficiente para calentar 1 gramo de agua en 1 grado. A modo de comparación: la capacidad calorífica específica del aire es 0,24 cal/g ∙°C, el aluminio es 0,22, el hierro es 0,11 y el mercurio es 0,03.
La capacidad calorífica del agua no es una constante. Con un aumento de temperatura de 0 a 40 grados, disminuye ligeramente (de 1,0074 a 0,9980), mientras que para todas las demás sustancias esta característica aumenta durante el calentamiento. Además, puede disminuir al aumentar la presión (en profundidad).
Como saben, el agua tiene tres estados de agregación: líquido, sólido (hielo) y gaseoso (vapor). Al mismo tiempo, la capacidad calorífica específica del hielo es aproximadamente 2 veces menor que la del agua. Esta es la principal diferencia entre el agua y otras sustancias, cuya capacidad calorífica específica en estado sólido y fundido no cambia. ¿Cuál es el secreto aquí?
El hecho es que el hielo tiene una estructura cristalina, que no colapsa inmediatamente cuando se calienta. El agua contiene pequeñas partículas de hielo, que constan de varias moléculas y se denominan asociados. Cuando el agua se calienta, una parte se gasta en la destrucción de los enlaces de hidrógeno en estas formaciones. Esto explica la inusualmente alta capacidad calorífica del agua. Los enlaces entre sus moléculas se destruyen completamente solo cuando el agua se convierte en vapor.
La capacidad calorífica específica a una temperatura de 100 ° C casi no difiere de la del hielo a 0 ° C. Esto confirma una vez más la exactitud de esta explicación. La capacidad calorífica del vapor, como la capacidad calorífica del hielo, ahora se comprende mucho mejor que la del agua, sobre la cual los científicos aún no han llegado a un consenso.
entalpía es una propiedad de la materia que indica la cantidad de energía que se puede convertir en calor.entalpía es una propiedad termodinámica de una sustancia que indica nivel de energía almacenada en su estructura molecular. Esto significa que aunque la materia puede tener energía basada en , no toda ella puede convertirse en calor. Parte energía interna siempre permanece en la materia y mantiene su estructura molecular. Parte de la sustancia es inaccesible cuando su temperatura se acerca a la temperatura ambiente. Como consecuencia, entalpía es la cantidad de energía que está disponible para convertirla en calor a una temperatura y presión dadas. Unidades de entalpía- Unidad térmica británica o joule para energía y Btu/lbm o J/kg para energía específica.
cantidad de entalpía
Cantidad entalpias de la materia en función de su temperatura dada. temperatura dada es el valor elegido por científicos e ingenieros como base para los cálculos. Esta es la temperatura a la cual la entalpía de una sustancia es cero J. En otras palabras, la sustancia no tiene energía disponible que pueda convertirse en calor. Esta temperatura a varias sustancias diferente. Por ejemplo, esta temperatura del agua es el punto triple (0 °C), el nitrógeno es -150 °C y los refrigerantes a base de metano y etano son -40 °C.Si la temperatura de una sustancia está por encima de su temperatura dada, o cambia de estado a gaseoso a una temperatura dada, la entalpía se expresa como un número positivo. Por el contrario, a una temperatura por debajo de una entalpía dada de una sustancia se expresa numero negativo. La entalpía se usa en los cálculos para determinar la diferencia en los niveles de energía entre dos estados. Esto es necesario para configurar el equipo y determinar acción útil proceso.
entalpía a menudo definido como Energía completa sustancias, ya que es igual a la suma de su energía interna (u) en estado dado junto con su capacidad para hacer el trabajo (pv). Pero en realidad, la entalpía no indica la energía total de una sustancia a una temperatura determinada por encima del cero absoluto (-273°C). Por lo tanto, en lugar de definir entalpía como el calor total de una sustancia, defiéndalo más precisamente como la cantidad total de energía disponible de una sustancia que se puede convertir en calor.
H=U+pV
En este breve material, consideraremos brevemente una de las propiedades más importantes del agua para nuestro planeta, su Capacidad calorífica.
Capacidad calorífica específica del agua.
Hagamos una breve interpretación de este término:
Capacidad calorífica sustancia es su capacidad de acumular calor en sí misma. Este valor se mide por la cantidad de calor absorbido por él, cuando se calienta en 1 ° C. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua es de 1 cal/g, o 4,2 J/g, y la del suelo, a 14,5-15,5 °C (según el tipo de suelo), oscila entre 0,5 y 0,6 cal (2,1-2,5 J). ) por unidad de volumen y de 0,2 a 0,5 cal (o 0,8-2,1 J) por unidad de masa (gramos).
La capacidad calorífica del agua tiene influencia significativa en muchos aspectos de nuestras vidas, pero en este artículo nos centraremos en su papel en la formación régimen de temperatura nuestro planeta, es decir...
La capacidad calorífica del agua y el clima de la Tierra
Capacidad calorífica agua a tu manera valor absoluto lo suficientemente grande. De la definición anterior, vemos que excede significativamente la capacidad calorífica del suelo de nuestro planeta. Debido a esta diferencia en las capacidades caloríficas, el suelo, en comparación con las aguas del océano mundial, se calienta mucho más rápido y, en consecuencia, se enfría más rápido. Debido al océano mundial más inerte, las fluctuaciones en el día y la noche temperaturas estacionales Las tierras no son tan grandes como lo serían en ausencia de océanos y mares. Es decir, en la estación fría, el agua calienta la Tierra y en la estación cálida la enfría. Naturalmente, esta influencia es más notoria en las zonas costeras, pero en promedio global, afecta a todo el planeta.
Naturalmente, muchos factores influyen en las fluctuaciones de las temperaturas diarias y estacionales, pero el agua es uno de los más importantes.
Un aumento en la amplitud de las fluctuaciones de las temperaturas diarias y estacionales cambiaría radicalmente el mundo que nos rodea.
Por ejemplo, todo el mundo está bien. hecho conocido- la piedra con fluctuaciones bruscas de temperatura pierde su fuerza y se vuelve quebradiza. Obviamente, nosotros mismos seríamos “algo” diferentes. Al menos los parámetros físicos de nuestro cuerpo serían exactamente diferentes.
Propiedades anómalas de la capacidad calorífica del agua.
La capacidad calorífica del agua tiene propiedades anómalas. Resulta que con un aumento en la temperatura del agua, su capacidad calorífica disminuye, esta dinámica persiste hasta 37 ° C, con un aumento adicional de la temperatura, la capacidad calorífica comienza a aumentar.
Este hecho contiene una declaración interesante. Relativamente hablando, la propia naturaleza, representada por el Agua, ha determinado 37°C como la temperatura más confortable para el cuerpo humano, siempre y cuando, por supuesto, se respeten todos los demás factores. Con cualquier dinámica de cambio en la temperatura ambiente, la temperatura del agua tiende a 37°C.
Hoy hablaremos sobre qué es la capacidad calorífica (incluida el agua), qué tipos es y dónde se usa este término físico. También mostraremos qué tan útil es este valor para el agua y el vapor, por qué necesita saberlo y cómo afecta nuestra vida diaria.
El concepto de capacidad calorífica.
Este cantidad física se usa con tanta frecuencia en el mundo exterior y en la ciencia que, en primer lugar, es necesario hablar de ello. La primera definición requerirá que el lector tenga cierta preparación, al menos en diferenciales. Entonces, la capacidad calorífica de un cuerpo se define en física como la relación de incrementos de una cantidad infinitesimal de calor a la correspondiente cantidad infinitesimal de temperatura.
cantidad de calor
De una forma u otra, casi todos entienden qué es la temperatura. Recuerde que la "cantidad de calor" no es solo una frase, sino un término que denota la energía que el cuerpo pierde o adquiere al intercambiar con ambiente. Este valor se mide en calorías. Esta unidad es familiar para todas las mujeres que están a dieta. Queridas señoras, ahora saben lo que están quemando en la caminadora y a qué equivale cada trozo de comida que comen (o dejan en un plato). Así, cualquier cuerpo cuya temperatura cambia experimenta un aumento o disminución en la cantidad de calor. La relación de estas cantidades es la capacidad calorífica.
Aplicación de capacidad calorífica
Sin embargo, una definición rigurosa del concepto físico que estamos considerando rara vez se usa por sí sola. Dijimos anteriormente que se usa muy a menudo en La vida cotidiana. Aquellos a quienes no les gustaba la física en la escuela probablemente ahora estén perplejos. Y levantaremos el velo del secreto y le diremos que el agua caliente (e incluso fría) en el grifo y en las tuberías de calefacción aparece solo gracias a los cálculos de capacidad calorífica.
Condiciones climáticas que determinan si ya es posible abrir temporada de baño o si bien vale la pena quedarse en la orilla, también se tiene en cuenta este valor. Cualquier electrodoméstico asociado con la calefacción o la refrigeración (enfriador de aceite, refrigerador), todos los costos de energía para la preparación de alimentos (por ejemplo, en una cafetería) o los helados de la calle se ven afectados por estos cálculos. Como puede comprender, estamos hablando de una cantidad como la capacidad calorífica del agua. Sería una tontería suponer que los vendedores y los consumidores comunes hacen esto, pero los ingenieros, diseñadores y fabricantes han tenido todo en cuenta y han puesto los parámetros apropiados en electrodomésticos. Sin embargo, los cálculos de capacidad calorífica se usan mucho más ampliamente: en turbinas hidráulicas y producción de cemento, en pruebas de aleaciones para aviones o trenes, durante la construcción, fusión, enfriamiento. Incluso la exploración espacial se basa en fórmulas que contienen este valor.
Tipos de capacidad calorífica
así que en todos aplicaciones prácticas utilizar la capacidad calorífica relativa o específica. Se define como la cantidad de calor (sin infinitesimales, eso sí) necesaria para elevar una unidad de cantidad de materia en un grado. Los grados en las escalas Kelvin y Celsius coinciden, pero en física se acostumbra llamar a este valor en las primeras unidades. Dependiendo de cómo se exprese la unidad de cantidad de una sustancia, existen capacidades caloríficas específicas de masa, volumen y molar. Recuerde que un mol es una cantidad de una sustancia que contiene aproximadamente seis veces diez al vigésimo tercer grado de moléculas. Dependiendo de la tarea, se usa la capacidad calorífica correspondiente, su designación en física es diferente. La capacidad calorífica másica se denota como C y se expresa en J / kg * K, volumen - C` (J / m 3 * K), molar - C μ (J / mol * K).
Gas ideal
Si se está resolviendo el problema de un gas ideal, entonces la expresión es diferente. Recuérdese que en esta sustancia que no existe en la realidad, los átomos (o moléculas) no interactúan entre sí. Esta cualidad cambia radicalmente cualquier propiedad de un gas ideal. Por lo tanto, los enfoques tradicionales de los cálculos no darán el resultado deseado. Se necesita un gas ideal como modelo para describir los electrones en un metal, por ejemplo. Su capacidad calorífica se define como el número de grados de libertad de las partículas que lo componen.
Estado de agregación
Parece que para la sustancia todo características físicas lo mismo en todas las condiciones. Pero no lo es. Tras la transición a otro estado de agregación (durante el derretimiento y congelación del hielo, durante la evaporación o solidificación del aluminio fundido), este valor cambia abruptamente. Por lo tanto, la capacidad calorífica del agua y el vapor de agua son diferentes. Como veremos a continuación, significativamente. Esta diferencia afecta en gran medida el uso de componentes líquidos y gaseosos de esta sustancia.
Capacidad de calefacción y calor
Como el lector ya ha notado, la mayoría de las veces en mundo real aparece la capacidad calorífica del agua. Es la fuente de la vida, sin ella nuestra existencia es imposible. Ella necesita una persona. Por ello, desde la antigüedad hasta la actualidad, la tarea de llevar agua a los hogares e industrias o campos siempre ha sido un reto. bueno para los países que tienen todo el año temperatura positiva. Los antiguos romanos construyeron acueductos para abastecer a sus ciudades con este valioso recurso. Pero donde hay invierno, este método no funcionaría. El hielo, como saben, tiene un volumen específico mayor que el agua. Esto quiere decir que, al congelarse en las tuberías, las destruye por dilatación. Así, ante los ingenieros de calefacción central y entrega de calor y agua fría en casa, el desafío es cómo evitarlo.
La capacidad calorífica del agua, teniendo en cuenta la longitud de las tuberías, dará la temperatura requerida a la que se deben calentar las calderas. Sin embargo, nuestros inviernos son muy fríos. Y a cien grados centígrados, ya se está produciendo la ebullición. En esta situación, la capacidad calorífica específica del vapor de agua viene al rescate. Como se señaló anteriormente, el estado de agregación cambia este valor. Pues bien, en las calderas que aportan calor a nuestros hogares, hay vapor fuertemente sobrecalentado. Debido a que tiene una temperatura alta, crea una presión increíble, por lo que las calderas y las tuberías que conducen a ellas deben ser muy resistentes. A este caso incluso un pequeño agujero, una fuga muy pequeña puede provocar una explosión. La capacidad calorífica del agua depende de la temperatura, y no linealmente. Es decir, para calentarlo de veinte a treinta grados se requerirá una cantidad de energía diferente que, digamos, de ciento cincuenta a ciento sesenta.
Con cualquier acción que afecte al calentamiento del agua, esto debe tenerse en cuenta, especialmente cuando se trata de grandes volúmenes. La capacidad calorífica del vapor, como muchas de sus propiedades, depende de la presión. A la misma temperatura que estado liquido, gaseoso tiene una capacidad calorífica casi cuatro veces menor.
Arriba, hemos dado muchos ejemplos de por qué es necesario calentar agua y cómo es necesario tener en cuenta el valor de la capacidad calorífica. Sin embargo, aún no hemos dicho que, entre todos los recursos disponibles del planeta, este líquido tiene una tasa de consumo de energía para calefacción bastante alta. Esta propiedad a menudo se utiliza para la refrigeración.
Dado que la capacidad calorífica del agua es alta, eliminará el exceso de energía de manera eficiente y rápida. Esto se usa en industrias, en equipos de alta tecnología (por ejemplo, en láseres). Sí, y en casa probablemente sabemos que lo más metodo efectivo enfríe los huevos duros o una sartén caliente; enjuague con agua fría del grifo.
Y el principio de funcionamiento de los reactores nucleares atómicos se basa generalmente en la alta capacidad calorífica del agua. La zona caliente, como su nombre indica, tiene una increíble alta temperatura. Al calentarse, el agua enfría el sistema, evitando que la reacción se salga de control. Por lo tanto, recibimos la electricidad necesaria (el vapor calentado hace girar las turbinas) y no hay catástrofe.
