Warmtecapaciteit is het vermogen om bepaalde hoeveelheden warmte op te nemen tijdens verwarming of af te geven bij afkoeling. De warmtecapaciteit van een lichaam is de verhouding van een oneindig kleine hoeveelheid warmte die een lichaam ontvangt tot de overeenkomstige toename van de temperatuurindicatoren. De waarde wordt gemeten in J/K. In de praktijk wordt een iets andere waarde gebruikt - soortelijke warmte.
Definitie
Wat betekent soortelijke warmte? Dit is een hoeveelheid gerelateerd aan een enkele hoeveelheid van een stof. Dienovereenkomstig kan de hoeveelheid van een stof worden gemeten in kubieke meter, kilogram of zelfs in mol. Waar hangt het van af? In de natuurkunde hangt de warmtecapaciteit rechtstreeks af van de kwantitatieve eenheid waarnaar deze verwijst, wat betekent dat ze onderscheid maken tussen molaire, massale en volumetrische warmtecapaciteit. In de bouwsector zie je geen molaire metingen, maar je zult anderen de hele tijd zien.
Wat beïnvloedt de specifieke warmtecapaciteit?
Wat is warmtecapaciteit, weet je, maar welke waarden de indicator beïnvloeden, is nog niet duidelijk. De waarde van de soortelijke warmtecapaciteit wordt rechtstreeks beïnvloed door verschillende componenten:stoftemperatuur, druk en andere thermodynamische kenmerken.
Naarmate de temperatuur van een product stijgt, neemt zijn specifieke warmtecapaciteit toe, maar bepaalde stoffen vertonen in deze relatie een volledig niet-lineaire curve. Bijvoorbeeld, met een toename van temperatuurindicatoren van nul tot zevenendertig graden, begint de specifieke warmtecapaciteit van water af te nemen, en als de limiet tussen zevenendertig en honderd graden ligt, zal de indicator daarentegen verhogen.
Het is vermeldenswaard dat de parameter ook afhangt van hoe de thermodynamische kenmerken van het product (druk, volume, enzovoort) mogen veranderen. De soortelijke warmte bij stabiele druk en bij stabiel volume zal bijvoorbeeld anders zijn.
Hoe de parameter te berekenen?
Bent u geïnteresseerd in wat de warmtecapaciteit is? De berekeningsformule is als volgt: C \u003d Q / (m ΔT). Wat zijn deze waarden? Q is de hoeveelheid warmte die het product ontvangt wanneer het wordt verwarmd (of door het product wordt afgegeven tijdens het afkoelen). m is de massa van het product en ΔT is het verschil tussen de eind- en begintemperatuur van het product. Hieronder staat een tabel met de warmtecapaciteit van sommige materialen.
Hoe zit het met de berekening van de warmtecapaciteit?
Het berekenen van de warmtecapaciteit is geen gemakkelijke taak, vooral als alleen thermodynamische methoden worden gebruikt, is het onmogelijk om het nauwkeuriger te doen. Daarom gebruiken natuurkundigen de methoden van statistische fysica of kennis van de microstructuur van producten. Hoe te berekenen voor gas? Warmtecapaciteit van gaswordt berekend op basis van de berekening van de gemiddelde energie van thermische beweging van individuele moleculen in een stof. De bewegingen van moleculen kunnen van het translatie- en rotatietype zijn, en binnen een molecuul kan er een heel atoom zijn of een trilling van atomen. Klassieke statistiek zegt dat voor elke vrijheidsgraad van rotatie- en translatiebewegingen er een waarde is in de molaire warmtecapaciteit van het gas, die gelijk is aan R / 2, en voor elke trillingsvrijheidsgraad is de waarde gelijk aan R Deze regel wordt ook wel de equipartitiewet genoemd.
Tegelijkertijd verschilt een deeltje van een monoatomisch gas slechts drie translatiegraden van vrijheid, en daarom moet zijn warmtecapaciteit gelijk zijn aan 3R/2, wat uitstekend overeenkomt met het experiment. Elk diatomisch gasmolecuul heeft drie translationele, twee roterende en één vibrationele vrijheidsgraden, wat betekent dat de equipartitiewet 7R/2 zal zijn, en de ervaring heeft geleerd dat de warmtecapaciteit van een mol van een diatomisch gas bij normale temperatuur 5R/ is. 2. Waarom was er zo'n discrepantie in theorie? Alles komt doordat bij het vaststellen van de warmtecapaciteit rekening zal moeten worden gehouden met verschillende kwantumeffecten, oftewel het gebruik van kwantumstatistieken. Zoals je kunt zien, is warmtecapaciteit een nogal ingewikkeld concept.
Quantummechanica zegt dat elk systeem van deeltjes die oscilleren of roteren, inclusief een gasmolecuul, bepaalde discrete energiewaarden kan hebben. Als de energie van thermische beweging in het geïnstalleerde systeem onvoldoende is om oscillaties met de vereiste frequentie op te wekken, dan dragen deze oscillaties niet bij aanwarmtecapaciteit van het systeem.
In vaste stoffen is de thermische beweging van atomen een zwakke oscillatie nabij bepaalde evenwichtsposities, dit geldt voor de knopen van het kristalrooster. Een atoom heeft drie vibrationele vrijheidsgraden en volgens de wet is de molaire warmtecapaciteit van een vaste stof gelijk aan 3nR, waarbij n het aantal bestaande atomen in het molecuul is. In de praktijk is deze waarde de grens waartoe de warmtecapaciteit van het lichaam bij hoge temperaturen neigt. De waarde wordt bereikt bij normale temperatuurveranderingen in veel elementen, dit geldt zowel voor metalen als voor eenvoudige verbindingen. Ook wordt de warmtecapaciteit van lood en andere stoffen bepaald.
Hoe zit het met lage temperaturen?
We weten al wat warmtecapaciteit is, maar als we het hebben over lage temperaturen, hoe wordt de waarde dan berekend? Als we het hebben over lage temperatuurindicatoren, dan blijkt de warmtecapaciteit van een vast lichaam evenredig te zijn met T 3 of de zogenaamde Debye warmtecapaciteitswet. Het belangrijkste criterium voor het onderscheiden van hoge temperaturen van lage is de gebruikelijke vergelijking ervan met een karakteristieke parameter voor een bepaalde stof - dit kan de karakteristieke of Debye-temperatuur qD zijn. De gepresenteerde waarde wordt bepaald door het trillingsspectrum van atomen in het product en hangt sterk af van de kristalstructuur.
In metalen leveren geleidingselektronen een bepaalde bijdrage aan de warmtecapaciteit. Dit deel van de warmtecapaciteit wordt berekend metFermi-Dirac-statistieken, die rekening houden met elektronen. De elektronische warmtecapaciteit van een metaal, die evenredig is met de gebruikelijke warmtecapaciteit, is een relatief kleine waarde en draagt alleen bij aan de warmtecapaciteit van het metaal bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt. Dan wordt de roosterwarmtecapaciteit erg klein en kan deze worden verwaarloosd.
Massa warmtecapaciteit
Massaspecifieke warmte is de hoeveelheid warmte die op een eenheidsmassa van een stof moet worden gebracht om het product per eenheidstemperatuur te verwarmen. Deze waarde wordt aangegeven met de letter C en wordt gemeten in joule gedeeld door een kilogram per kelvin - J / (kg K). Dit heeft alles te maken met de massawarmtecapaciteit.
Wat is de volumetrische warmtecapaciteit?
Volume warmtecapaciteit is een bepaalde hoeveelheid warmte die moet worden toegevoegd aan een eenheidsvolume van een product om het per eenheidstemperatuur te verwarmen. Deze indicator wordt gemeten in joule gedeeld door een kubieke meter per kelvin of J / (m³ K). In veel naslagwerken voor gebouwen wordt rekening gehouden met de massaspecifieke warmtecapaciteit op het werk.
Praktische toepassing van warmtecapaciteit in de bouw
Veel warmte-intensieve materialen worden actief gebruikt bij de constructie van hittebestendige wanden. Dit is uitermate belangrijk voor woningen die worden gekenmerkt door periodieke verwarming. Oven bijvoorbeeld. Warmte-intensieve producten en daaruit opgebouwde wanden accumuleren perfect warmte, slaan deze op tijdens verwarmingsperioden en geven geleidelijk warmte af na het uitschakelensysteem, waardoor een acceptabele temperatuur gedurende de dag kan worden gehandhaafd.
Dus, hoe meer warmte in de structuur wordt opgeslagen, hoe comfortabeler en stabieler de temperatuur in de kamers zal zijn.
Het is vermeldenswaard dat gewone baksteen en beton die in de woningbouw worden gebruikt, een veel lagere warmtecapaciteit hebben dan geëxpandeerd polystyreen. Als we ecowool nemen, dan verbruikt het drie keer meer warmte dan beton. Opgemerkt moet worden dat het in de formule voor het berekenen van de warmtecapaciteit niet tevergeefs is dat er massa is. Vanwege de grote enorme massa beton of baksteen, in vergelijking met ecowool, kan het enorme hoeveelheden warmte in de stenen muren van constructies verzamelen en alle dagelijkse temperatuurschommelingen egaliseren. Slechts een kleine hoeveelheid isolatie in alle framehuizen, ondanks de goede warmtecapaciteit, is het zwakste gebied voor alle frametechnologieën. Om dit probleem op te lossen, zijn in alle huizen indrukwekkende warmteaccumulators geïnstalleerd. Wat het is? Dit zijn constructiedelen die worden gekenmerkt door een grote massa met een redelijk goede warmtecapaciteitsindex.
Voorbeelden van warmteaccumulatoren in het leven
Wat zou het kunnen zijn? Bijvoorbeeld een soort interne bakstenen muren, een grote kachel of open haard, betonnen dekvloeren.
Meubels in elk huis of appartement zijn een uitstekende warmteaccumulator, omdat triplex, spaanplaat en hout drie keer meer warmte kunnen opslaan per kilogram gewicht dan de beruchte baksteen.
Zijn er nadelen aan warmteaccumulators? Het grootste nadeel van deze aanpak is natuurlijk:het feit dat de warmteaccumulator moet worden ontworpen in het stadium van het maken van een kozijnhuisindeling. Allemaal vanwege het feit dat het erg zwaar is, en hiermee moet rekening worden gehouden bij het maken van de fundering, en stel je dan voor hoe dit object in het interieur zal worden geïntegreerd. Het is de moeite waard om te zeggen dat het niet alleen nodig is om rekening te houden met de massa, maar ook om beide kenmerken in het werk te evalueren: massa en warmtecapaciteit. Als je bijvoorbeeld goud met een ongelofelijk gewicht van twintig ton per kubieke meter als warmteopslag gebruikt, dan functioneert het product zoals het hoort maar drieëntwintig procent beter dan een betonnen kubus, die twee en een halve ton weegt.
Welke stof is het meest geschikt voor een warmteopslag?
Het beste product voor een warmteaccumulator is helemaal geen beton en baksteen! Koper, brons en ijzer doen dit goed, maar ze zijn erg zwaar. Vreemd genoeg, maar de beste warmteaccumulator is water! De vloeistof heeft een indrukwekkende warmtecapaciteit, de grootste van de stoffen die ons ter beschikking staan. Alleen heliumgassen (5190 J / (kg K) en waterstof (14300 J / (kg K)) hebben meer warmtecapaciteit, maar zijn in de praktijk lastig toe te passen. Zie indien gewenst en nodig de warmtecapaciteitstabel van de stoffen die u nodig.
