Tabelul prezintă proprietățile termofizice ale vaporilor de apă pe linia de saturație în funcție de temperatură. Proprietățile aburului sunt date în tabel în intervalul de temperatură de la 0,01 la 370°C.
Fiecare temperatură corespunde presiunii la care vaporii de apă sunt în stare de saturație. De exemplu, la o temperatură a vaporilor de apă de 200°C, presiunea acestuia va fi de 1,555 MPa sau aproximativ 15,3 atm.
Capacitatea termică specifică a aburului, conductivitatea termică și aburul cresc pe măsură ce temperatura crește. De asemenea, densitatea vaporilor de apă crește. Vaporii de apă devin fierbinți, grei și vâscoși, cu o capacitate termică specifică mare, ceea ce are un efect pozitiv asupra alegerii aburului ca agent de răcire în unele tipuri de schimbătoare de căldură.
De exemplu, conform tabelului, capacitatea termică specifică a vaporilor de apă C p la o temperatură de 20°C este de 1877 J/(kg grade), iar când este încălzit la 370°C, capacitatea termică a aburului crește la o valoare de 56520 J/(kg grade).
Tabelul prezintă următoarele proprietăți termofizice ale vaporilor de apă pe linia de saturație:
- presiunea vaporilor la temperatura specificată p·10 -5, Pa;
- densitatea vaporilor ρ″ , kg/m3;
- entalpie specifică (de masă). h″, kJ/kg;
- r, kJ/kg;
- capacitatea termică specifică a aburului C p, kJ/(kg grade);
- coeficient de conductivitate termică λ·10 2, W/(m grade);
- coeficientul de difuzivitate termică a·10 6, m2/s;
- vascozitate dinamica μ·10 6, Pa·s;
- vâscozitatea cinematică ν·10 6, m2/s;
- numărul Prandtl Relatii cu publicul.
Căldura specifică de vaporizare, entalpie, difuzivitate termică și vâscozitatea cinematică vaporii de apă scade odată cu creșterea temperaturii. Vâscozitatea dinamică și numărul Prandtl al aburului cresc.
Atenție! Conductivitatea termică din tabel este indicată la puterea de 10 2. Nu uitați să împărțiți la 100! De exemplu, conductivitatea termică a aburului la o temperatură de 100°C este de 0,02372 W/(m deg).
Conductibilitatea termică a vaporilor de apă la diferite temperaturi și presiuni
Tabelul prezintă valorile conductivității termice ale apei și vaporilor de apă la temperaturi de la 0 la 700 ° C și la presiune de la 0,1 la 500 atm. Dimensiunea conductibilității termice W/(m deg).
Linia de sub valorile din tabel înseamnă faza de tranzitie apă în abur, adică numerele de sub linie se referă la abur, iar cele de deasupra se referă la apă. Conform tabelului, se poate observa că valoarea coeficientului și a vaporilor de apă crește pe măsură ce presiunea crește.
Notă: conductivitatea termică din tabel este indicată în puteri de 10 3. Nu uitați să împărțiți la 1000!
Conductibilitatea termică a vaporilor de apă la temperaturi ridicate
Tabelul prezintă valorile conductivității termice ale vaporilor de apă disociați în dimensiunea W/(m deg) la temperaturi de la 1400 la 6000 K și la presiune de la 0,1 la 100 atm.
Conform tabelului, conductivitatea termică a vaporilor de apă la temperaturi ridicate crește considerabil în regiunea de 3000...5000 K. La valori de presiune ridicată, coeficientul maxim de conductivitate termică se realizează la temperaturi mai ridicate.
Atenție! Conductivitatea termică din tabel este indicată la puterea de 10 3. Nu uitați să împărțiți la 1000!
Apa este una dintre cele mai uimitoare substanțe. În ciuda utilizării pe scară largă și pe scară largă, este un adevărat mister al naturii. Fiind unul dintre compușii oxigenului, apa, s-ar părea, ar trebui să aibă caracteristici foarte scăzute, cum ar fi înghețarea, căldura de vaporizare etc. Dar acest lucru nu se întâmplă. Numai capacitatea de căldură a apei este, în ciuda tuturor, extrem de mare.
Apa poate absorbi o cantitate mare căldură, deși practic nu se încălzește - acesta este caracteristică fizică. apa este de aproximativ cinci ori mai mare decât capacitatea termică a nisipului și de zece ori mai mare decât cea a fierului. Prin urmare, apa este un lichid de răcire natural. Capacitatea sa de a acumula un numar mare de energia face posibilă atenuarea fluctuațiilor de temperatură de pe suprafața Pământului și reglarea regimului termic pe întreaga planetă, iar acest lucru se întâmplă indiferent de perioada anului.
Acest proprietate unică apa îi permite să fie folosit ca lichid de răcire în industrie și acasă. În plus, apa este o materie primă disponibilă pe scară largă și relativ ieftină.
Ce se înțelege prin capacitate termică? După cum se știe din cursul termodinamicii, transferul de căldură are loc întotdeauna de la un corp cald la unul rece. în care despre care vorbim despre transferul unei anumite cantități de căldură, iar temperatura ambelor corpuri, fiind o caracteristică a stării lor, arată direcția acestui schimb. În procesul de corp metalic cu apă masa egala la aceleași temperaturi inițiale, metalul își schimbă temperatura de câteva ori mai mult decât apa.
Dacă luăm ca postulat afirmația de bază a termodinamicii - a două corpuri (izolate de celelalte), în timpul schimbului de căldură unul emite și celălalt primește o cantitate egală de căldură, atunci devine clar că metalul și apa au căldură complet diferită. capacități.
Astfel, capacitatea de căldură a apei (precum și a oricărei substanțe) este un indicator care caracterizează capacitatea unei anumite substanțe de a da (sau de a primi) ceva la răcire (încălzire) per unitate de temperatură.
Capacitatea termică specifică a unei substanțe este cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi o unitate a acestei substanțe (1 kilogram) cu 1 grad.
Cantitatea de căldură eliberată sau absorbită de un corp este egală cu produsul dintre capacitatea termică specifică, masa și diferența de temperatură. Se măsoară în calorii. O calorie este exact cantitatea de căldură care este suficientă pentru a încălzi 1 g de apă cu 1 grad. Pentru comparație: capacitatea termică specifică a aerului este de 0,24 cal/g ∙°C, aluminiu - 0,22, fier - 0,11, mercur - 0,03.
Capacitatea termică a apei nu este constantă. Pe măsură ce temperatura crește de la 0 la 40 de grade, aceasta scade ușor (de la 1,0074 la 0,9980), în timp ce pentru toate celelalte substanțe această caracteristică crește în timpul încălzirii. În plus, poate scădea odată cu creșterea presiunii (la adâncime).
După cum știți, apa are trei stări de agregare - lichidă, solidă (gheață) și gazoasă (abur). În același timp, capacitatea termică specifică a gheții este de aproximativ 2 ori mai mică decât cea a apei. Aceasta este principala diferență între apă și alte substanțe, a căror capacitate termică specifică nu se modifică în stare solidă și topită. Care este secretul?
Faptul este că gheața are o structură cristalină, care nu se prăbușește imediat când este încălzită. Apa conține particule mici de gheață formate din mai multe molecule numite asociați. Când apa este încălzită, o parte din ea este cheltuită pentru distrugerea legăturilor de hidrogen din aceste formațiuni. Aceasta explică capacitatea termică neobișnuit de mare a apei. Legăturile dintre moleculele sale sunt complet distruse doar atunci când apa se transformă în abur.
Capacitatea termică specifică la o temperatură de 100° C nu este aproape deloc diferită de cea a gheții la 0° C. Acest lucru confirmă încă o dată corectitudinea acestei explicații. Capacitatea termică a aburului, ca și capacitatea termică a gheții, este în prezent mult mai bine studiată decât apa, în privința căreia oamenii de știință nu au ajuns încă la un consens.
Entalpie este o proprietate a unei substanțe care indică cantitatea de energie care poate fi transformată în căldură.Entalpie este o proprietate termodinamică a unei substanțe care indică nivel de energie, păstrat în structura sa moleculară. Aceasta înseamnă că, deși o substanță poate avea energie bazată pe , nu toată ea poate fi transformată în căldură. Parte energie interna rămâne mereu în substanțăși își menține structura moleculară. O parte din substanță este inaccesibilă atunci când temperatura sa se apropie de temperatura ambiantă. Prin urmare, entalpie este cantitatea de energie disponibilă pentru a fi transformată în căldură la o anumită temperatură și presiune. Unități de entalpie- Unitate termică britanică sau joule pentru energie și Btu/lbm sau J/kg pentru energie specifică.
Cantitatea de entalpie
Cantitate entalpia materiei pe baza temperaturii date. Această temperatură- aceasta este valoarea care este aleasă de oamenii de știință și ingineri ca bază pentru calcule. Este temperatura la care entalpia unei substanțe este zero J. Cu alte cuvinte, substanța nu are energie disponibilă care să poată fi transformată în căldură. Această temperatură este diverse substanțe diferit. De exemplu, această temperatură a apei este punctul triplu (0 °C), azot -150 °C și agenți frigorifici pe bază de metan și etan -40 °C.Dacă temperatura unei substanțe este mai mare decât temperatura dată sau se schimbă starea în stare gazoasă la o anumită temperatură, entalpia este exprimată ca număr pozitiv. În schimb, la o temperatură sub o anumită entalpie a unei substanțe este exprimată număr negativ. Entalpia este utilizată în calcule pentru a determina diferența de niveluri de energie între două stări. Acest lucru este necesar pentru a configura echipamentul și a determina acțiune utilă proces.
Entalpie adesea definit ca energie deplină substante, deoarece este egală cu suma energiei sale interne (u) în această stareîmpreună cu capacitatea sa de a face treaba (pv). Dar, în realitate, entalpia nu indică energia totală a unei substanțe la o temperatură dată peste zero absolut (-273°C). Prin urmare, în loc să definească entalpie ca căldură totală a unei substanțe, este definită mai precis ca cantitatea totală de energie disponibilă a unei substanțe care poate fi transformată în căldură.
H = U + pV
În acest scurt articol vom lua în considerare pe scurt una dintre cele mai importante proprietăți ale apei pentru planeta noastră, ea Capacitate termica.
Capacitatea termică specifică a apei
Să facem o scurtă interpretare a acestui termen:
Capacitate termica o substanță este capacitatea sa de a acumula căldură. Această valoare este măsurată prin cantitatea de căldură absorbită de acesta când este încălzit cu 1°C. De exemplu, capacitatea de căldură a apei este de 1 cal/g sau 4,2 J/g, iar capacitatea de căldură a solului la 14,5-15,5°C (în funcție de tipul de sol) variază de la 0,5 la 0,6 cal (2,1-2,5). J) pe unitate de volum și de la 0,2 la 0,5 cal (sau 0,8-2,1 J) pe unitate de masă (grame).
Capacitatea termică a apei are influenta semnificativa pe multe aspecte ale vieții noastre, dar în acest material ne vom concentra asupra rolului său în formare regim de temperatură a planetei noastre și anume...
Capacitatea termică a apei și clima Pământului
Capacitate termica apă în felul ei valoare absolută suficient de mare. Din definiția de mai sus vedem că depășește semnificativ capacitatea de căldură a solului planetei noastre. Datorită acestei diferențe de capacitate termică, solul, în comparație cu apele oceanelor lumii, se încălzește mult mai repede și, în consecință, se răcește mai repede. Datorită oceanului lumii mai inert, fluctuațiile zilnice și temperaturile sezoniere Pământurile nu sunt atât de mari pe cât ar fi dacă nu ar exista oceane și mări. Adică, în sezonul rece, apa încălzește Pământul, iar în sezonul cald se răcește. Desigur, această influență este cel mai vizibilă în zonele de coastă, dar în termeni medii globale afectează întreaga planetă.
Desigur, fluctuațiile temperaturilor zilnice și sezoniere sunt influențate de mulți factori, dar apa este unul dintre cei mai importanți.
O creștere a amplitudinii fluctuațiilor temperaturilor zilnice și sezoniere ar schimba radical lumea din jurul nostru.
De exemplu, toată lumea este bine fapt cunoscut— piatra își pierde rezistența și devine casantă în timpul fluctuațiilor bruște de temperatură. Evident, noi înșine am fi „oarecum” diferiți. Cel puțin, parametrii fizici ai corpului nostru ar fi diferiți.
Proprietăți anormale ale capacității termice a apei
Capacitatea termică a apei are proprietăți anormale. Se dovedește că, pe măsură ce temperatura apei crește, capacitatea acesteia de căldură scade; această dinamică persistă până la 37 ° C; cu o creștere suplimentară a temperaturii, capacitatea termică începe să crească.
Acest fapt conține o afirmație interesantă. Relativ vorbind, natura însăși, în persoana Apei, a determinat 37°C ca fiind cea mai confortabilă temperatură pentru corpul uman, cu condiția, desigur, să fie respectați toți ceilalți factori. Cu orice dinamică de modificare a temperaturii ambiante, temperatura apei tinde spre 37°C.
Astăzi vom vorbi despre ce este capacitatea de căldură (inclusiv apa), ce tipuri vine și unde este folosit acest termen fizic. De asemenea, vom arăta cât de utilă este valoarea acestei valori pentru apă și abur, de ce trebuie să o cunoașteți și cum ne afectează viața de zi cu zi.
Conceptul de capacitate termică
Acest cantitate fizica este folosit atât de des în lumea exterioară și în știință încât în primul rând trebuie să vorbim despre asta. Prima definiție va cere cititorului să aibă o anumită pregătire, cel puțin în diferențe. Deci, capacitatea de căldură a unui corp este definită în fizică ca raportul dintre creșterile unei cantități infinitezimale de căldură la cantitatea infinitezimală corespunzătoare de temperatură.
Cantitatea de căldură
Aproape toată lumea înțelege ce este temperatura, într-un fel sau altul. Să ne amintim că „cantitatea de căldură” nu este doar o expresie, ci un termen care denotă energia pe care un corp o pierde sau o câștigă atunci când face schimb cu mediu inconjurator. Această valoare este măsurată în calorii. Această unitate este familiară tuturor femeilor care urmează dietă. Dragi doamne, acum știți ce ardeți pe banda de alergare și cât valorează fiecare bucată de mâncare pe care o mâncați (sau o lăsați în farfurie). Astfel, orice corp a cărui temperatură se modifică suferă o creștere sau scădere a cantității de căldură. Raportul dintre aceste cantități este capacitatea termică.
Aplicarea capacității termice
Cu toate acestea, o definiție strictă a conceptului fizic pe care îl luăm în considerare este rareori folosită în sine. Am spus mai sus că este foarte des folosit în Viata de zi cu zi. Cei cărora nu le-a plăcut fizica la școală sunt probabil perplexi acum. Și vom ridica vălul secretului și vă vom spune că apa fierbinte (și chiar rece) din robinet și din conductele de încălzire apare doar datorită calculelor capacității termice.
Condițiile meteorologice care determină dacă este deja posibilă deschiderea sezonul de înot sau deși merită să stai pe mal, se ține cont și de această valoare. Orice dispozitiv asociat cu încălzirea sau răcirea (radiator cu ulei, frigider), toate costurile energetice la prepararea mâncării (de exemplu, într-o cafenea) sau înghețata moale de stradă sunt influențate de aceste calcule. După cum puteți înțelege, vorbim despre o astfel de cantitate precum capacitatea termică a apei. Ar fi o prostie să presupunem că acest lucru este făcut de vânzători și de consumatori obișnuiți, dar inginerii, designerii și producătorii au luat în considerare totul și au pus parametrii corespunzători în aparate electrocasnice. Cu toate acestea, calculele capacității termice sunt utilizate mult mai pe scară largă: în turbine hidraulice și producția de ciment, în testarea aliajelor pentru aeronave sau trenuri, în timpul construcției, topirea, răcirea. Chiar și explorarea spațiului se bazează pe formule care conțin această valoare.
Tipuri de capacitate termică
Deci, în toate aplicații practice utilizați capacitatea termică relativă sau specifică. Este definită ca cantitatea de căldură (rețineți, fără cantități infinitezimale) necesară pentru a încălzi o cantitate unitară a unei substanțe cu un grad. Gradele de pe scara Kelvin și Celsius sunt aceleași, dar în fizică se obișnuiește să se numească această valoare în primele unități. În funcție de modul în care este exprimată unitatea de cantitate a unei substanțe, se disting capacitățile termice specifice de masă, volum și molare. Amintiți-vă că un mol este o cantitate de substanță care conține aproximativ șase până la zece până la douăzeci și trei de molecule de putere. În funcție de sarcină, se utilizează capacitatea termică corespunzătoare; desemnarea lor în fizică este diferită. Capacitatea termică de masă este desemnată ca C și este exprimată în J/kg*K, capacitatea termică volumetrică este C` (J/m 3 *K), capacitatea de căldură molară este C μ (J/mol*K).
Gaz ideal
Dacă se rezolvă problema unui gaz ideal, atunci expresia acestuia este diferită. Să vă reamintim că în această substanță, care nu există în realitate, atomii (sau moleculele) nu interacționează între ei. Această calitate modifică radical orice proprietăți ale unui gaz ideal. Prin urmare, abordările tradiționale ale calculelor nu vor da rezultatul dorit. Un gaz ideal este necesar ca model pentru a descrie electronii dintr-un metal, de exemplu. Capacitatea sa termică este definită ca numărul de grade de libertate ale particulelor din care este compus.
Starea de agregare
Se pare că totul este pentru substanță caracteristici fizice sunt aceleași în toate condițiile. Dar asta nu este adevărat. La trecerea la o altă stare de agregare (în timpul topirii și înghețarii gheții, evaporării sau solidificării aluminiului topit), această valoare se modifică brusc. Astfel, capacitatea termică a apei și a vaporilor de apă sunt diferite. După cum vom vedea mai jos, în mod semnificativ. Această diferență afectează foarte mult utilizarea atât a componentelor lichide, cât și a celor gazoase ale acestei substanțe.
Incalzire si capacitate termica
După cum cititorul a observat deja, cel mai adesea în lumea reala apare capacitatea termică a apei. Ea este sursa vieții, fără ea existența noastră este imposibilă. O persoană are nevoie de el. Prin urmare, din cele mai vechi timpuri și până în prezent, sarcina de a livra apă în case și industrii sau câmpuri a fost întotdeauna o provocare. Bun pentru acele țări care au pe tot parcursul anului temperatura pozitiva. Vechii romani au construit apeducte pentru a-și aproviziona orașele cu această resursă valoroasă. Dar acolo unde este iarnă, această metodă nu ar fi potrivită. Gheața, după cum se știe, are un volum specific mai mare decât apa. Aceasta înseamnă că atunci când îngheață în țevi, le distruge din cauza expansiunii. Astfel, înaintea inginerilor de încălzire centrală și livrare de cald și apă rece Provocarea acasă este cum să evitați acest lucru.
Capacitatea termică a apei, ținând cont de lungimea conductelor, va da temperatura necesară la care trebuie încălzite cazanele. Cu toate acestea, iernile noastre pot fi foarte reci. Și la o sută de grade Celsius, fierberea are loc deja. În această situație, capacitatea termică specifică a vaporilor de apă vine în ajutor. După cum sa menționat mai sus, starea de agregare modifică această valoare. Ei bine, cazanele care aduc căldură în casele noastre conțin abur foarte supraîncălzit. Deoarece are o temperatură ridicată, creează o presiune incredibilă, astfel că cazanele și conductele care duc la ele trebuie să fie foarte rezistente. ÎN în acest caz, chiar și o gaură mică, o scurgere foarte mică poate duce la o explozie. Capacitatea termică a apei depinde de temperatură și neliniar. Adică, încălzirea lui de la douăzeci la treizeci de grade va necesita o cantitate diferită de energie decât, să zicem, de la o sută cincizeci la o sută șaizeci.
Pentru orice acțiuni care implică încălzirea apei, acest lucru trebuie luat în considerare, mai ales când vine vorba de volume mari. Capacitatea termică a aburului, ca multe dintre proprietățile sale, depinde de presiune. La aceeasi temperatura ca stare lichida, gazos are o capacitate termică de aproape patru ori mai mică.
Mai sus am dat multe exemple de ce este necesară încălzirea apei și cum este necesar să se țină cont de mărimea capacității de căldură. Cu toate acestea, încă nu v-am spus că dintre toate resursele disponibile pe planetă, acest lichid are o rată destul de mare de consum de energie pentru încălzire. Această proprietate folosit adesea pentru răcire.
Deoarece capacitatea de căldură a apei este mare, aceasta va absorbi eficient și rapid excesul de energie. Acesta este utilizat în producție, în echipamente de înaltă tehnologie (de exemplu, în lasere). Și acasă probabil știm asta cel mai mult metoda eficienta ouă fierte tari sau o tigaie fierbinte - clătiți sub robinet rece.
Și principiul de funcționare al reactoarelor nucleare atomice se bazează în general pe capacitatea ridicată de căldură a apei. Zona fierbinte, după cum sugerează și numele, are incredibile temperatura ridicata. Încălzindu-se, apa răcește sistemul, împiedicând reacția să scape de sub control. Astfel, primim electricitatea necesară (aburul încălzit rotește turbinele) și nu are loc nicio catastrofă.
