Wärmekapazität ist die Fähigkeit, beim Erhitzen bestimmte Wärmemengen aufzunehmen oder beim Abkühlen abzugeben. Die Wärmekapazität eines Körpers ist das Verhältnis einer infinitesimalen Wärmemenge, die ein Körper aufnimmt, zur entsprechenden Erhöhung seiner Temperaturindikatoren. Der Wert wird in J/K gemessen. In der Praxis wird ein etwas anderer Wert verwendet - spezifische Wärme.
Definition
Was bedeutet spezifische Wärme? Dies ist eine Menge, die sich auf eine einzelne Menge eines Stoffes bezieht. Dementsprechend kann die Menge eines Stoffes in Kubikmetern, Kilogramm oder sogar in Mol gemessen werden. Wovon hängt es ab? In der Physik hängt die Wärmekapazität direkt davon ab, auf welche Mengeneinheit sie sich bezieht, das heißt, man unterscheidet zwischen molarer, massebezogener und volumetrischer Wärmekapazität. In der Bauindustrie werden Sie keine Molarenmessungen sehen, aber Sie werden ständig andere sehen.
Was beeinflusst die spezifische Wärmekapazität?
Was Wärmekapazität ist, wissen Sie, aber welche Werte den Indikator beeinflussen, ist noch nicht klar. Der Wert der spezifischen Wärmekapazität wird direkt von mehreren Komponenten beeinflusst:Stofftemperatur, Druck und andere thermodynamische Eigenschaften.
Mit zunehmender Temperatur eines Produktes steigt dessen spezifische Wärmekapazität, jedoch zeigen bestimmte Stoffe in diesem Zusammenhang einen völlig nichtlinearen Verlauf. Wenn beispielsweise die Temperaturindikatoren von null auf siebenunddreißig Grad ansteigen, beginnt die spezifische Wärmekapazität von Wasser abzunehmen, und wenn die Grenze zwischen siebenunddreißig und einhundert Grad liegt, wird der Indikator das Gegenteil tun erhöhen.
Es ist erwähnenswert, dass der Parameter auch davon abhängt, wie sich die thermodynamischen Eigenschaften des Produkts (Druck, Volumen usw.) ändern dürfen. Beispielsweise ist die spezifische Wärme bei stabilem Druck und bei stabilem Volumen unterschiedlich.
Wie wird der Parameter berechnet?
Interessiert Sie die Wärmekapazität? Die Berechnungsformel lautet wie folgt: C \u003d Q / (m ΔT). Was sind diese Werte? Q ist die Wärmemenge, die das Produkt beim Erhitzen aufnimmt (oder vom Produkt beim Abkühlen freisetzt). m ist die Masse des Produkts und ΔT ist die Differenz zwischen der End- und Anfangstemperatur des Produkts. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle der Wärmekapazität einiger Materialien.
Was ist mit der Wärmekapazitätsberechnung?
Die Berechnung der Wärmekapazität ist keine leichte Aufgabe, insbesondere wenn nur thermodynamische Methoden verwendet werden, ist es unmöglich, es genauer zu machen. Dazu nutzen Physiker Methoden der statistischen Physik oder Kenntnisse über die Mikrostruktur von Produkten. Wie berechnet man Gas? Wärmekapazität von gaswird aus der Berechnung der durchschnittlichen Energie der thermischen Bewegung einzelner Moleküle in einer Substanz berechnet. Die Bewegungen von Molekülen können translatorischer und rotatorischer Art sein, und innerhalb eines Moleküls kann es ein ganzes Atom oder eine Schwingung von Atomen geben. Die klassische Statistik besagt, dass es für jeden Freiheitsgrad von Rotations- und Translationsbewegungen einen Wert in der molaren Wärmekapazität des Gases gibt, der gleich R / 2 ist, und für jeden Schwingungsfreiheitsgrad ist der Wert gleich R. Diese Regel wird auch Gleichverteilungsgesetz genannt.
Gleichzeitig unterscheidet sich ein Teilchen eines einatomigen Gases nur durch drei Translationsfreiheitsgrade, und daher sollte seine Wärmekapazität gleich 3R/2 sein, was in ausgezeichneter Übereinstimmung mit dem Experiment steht. Jedes zweiatomige Gasmolekül hat drei Translations-, zwei Rotations- und einen Vibrationsfreiheitsgrad, was bedeutet, dass das Gleichverteilungsgesetz 7R/2 ist, und die Erfahrung hat gezeigt, dass die Wärmekapazität eines Mols eines zweiatomigen Gases bei gewöhnlicher Temperatur 5R/ 2. Warum gab es eine solche Diskrepanz in der Theorie? Alles ist darauf zurückzuführen, dass bei der Ermittlung der Wärmekapazität verschiedene Quanteneffekte berücksichtigt werden müssen, dh Quantenstatistiken verwendet werden müssen. Wie Sie sehen, ist die Wärmekapazität ein ziemlich kompliziertes Konzept.
Die Quantenmechanik besagt, dass jedes System von Teilchen, die oszillieren oder rotieren, einschließlich eines Gasmoleküls, bestimmte diskrete Energiewerte haben kann. Wenn die Energie der thermischen Bewegung im installierten System nicht ausreicht, um Schwingungen der erforderlichen Frequenz anzuregen, tragen diese Schwingungen nicht beiWärmekapazität des Systems.
In Festkörpern ist die thermische Bewegung von Atomen eine schwache Schwingung in der Nähe bestimmter Gleichgewichtslagen, dies gilt für die Knoten des Kristallgitters. Ein Atom hat drei Schwingungsfreiheitsgrade und gemäß dem Gesetz ist die molare Wärmekapazität eines Festkörpers gleich 3nR, wobei n die Anzahl der im Molekül vorhandenen Atome ist. Dieser Wert ist in der Praxis die Grenze, zu der die Wärmekapazität des Körpers bei hohen Temperaturen tendiert. Der Wert wird bei vielen Elementen bei normalen Temperaturänderungen erreicht, dies gilt für Metalle ebenso wie für einfache Verbindungen. Auch die Wärmekapazität von Blei und anderen Stoffen wird bestimmt.
Was ist mit niedrigen Temperaturen?
Wir wissen bereits, was Wärmekapazität ist, aber wenn wir von niedrigen Temperaturen sprechen, wie wird der Wert dann berechnet? Wenn wir von Tieftemperaturindikatoren sprechen, dann stellt sich heraus, dass die Wärmekapazität eines Festkörpers proportional zu T 3 oder dem sogenannten Debye-Wärmekapazitätsgesetz ist. Das Hauptkriterium für die Unterscheidung hoher von niedrigen Temperaturen ist der übliche Vergleich mit einem charakteristischen Parameter für eine bestimmte Substanz - dies kann die charakteristische oder Debye-Temperatur qD sein. Der dargestellte Wert wird durch das Schwingungsspektrum der Atome im Produkt bestimmt und hängt maßgeblich von der Kristallstruktur ab.
In Metallen leisten Leitungselektronen einen gewissen Beitrag zur Wärmekapazität. Dieser Teil der Wärmekapazität wird mit berechnetFermi-Dirac-Statistik, die Elektronen berücksichtigt. Die elektronische Wärmekapazität eines Metalls, die proportional zur üblichen Wärmekapazität ist, ist ein relativ kleiner Wert und trägt nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zur Wärmekapazität des Metalls bei. Dann wird die Gitterwärmekapazität sehr klein und kann vernachlässigt werden.
Massenwärmekapazität
Massenspezifische Wärme ist die Wärmemenge, die auf eine Masseneinheit eines Stoffes gebracht werden muss, um das Produkt pro Temperatureinheit zu erwärmen. Dieser Wert wird mit dem Buchstaben C bezeichnet und in Joule geteilt durch ein Kilogramm pro Kelvin - J / (kg K) gemessen. Hier dreht sich alles um die Massewärmekapazität.
Was ist die volumetrische Wärmekapazität?
Volumenwärmekapazität ist eine bestimmte Wärmemenge, die einer Volumeneinheit eines Produkts hinzugefügt werden muss, um es pro Temperatureinheit zu erwärmen. Dieser Indikator wird in Joule geteilt durch einen Kubikmeter pro Kelvin oder J / (m³·K) gemessen. In vielen Baufachbüchern wird die massespezifische Wärmekapazität bei der Arbeit berücksichtigt.
Praktische Anwendung der Wärmekapazität im Bauwesen
Viele wärmeintensive Materialien werden aktiv beim Bau von hitzebeständigen Wänden verwendet. Dies ist äußerst wichtig für Häuser, die durch periodisches Heizen gekennzeichnet sind. Backofen zum Beispiel. Wärmeintensive Produkte und daraus gebaute Wände speichern Wärme perfekt, speichern sie während der Heizperioden und geben die Wärme nach dem Aussch alten allmählich abSystem, wodurch den ganzen Tag über eine akzeptable Temperatur aufrechterh alten werden kann.
Je also mehr Wärme in der Struktur gespeichert wird, desto angenehmer und stabiler wird die Temperatur in den Räumen sein.
Es ist erwähnenswert, dass gewöhnliche Ziegel und Beton, die im Wohnungsbau verwendet werden, eine viel geringere Wärmekapazität haben als expandiertes Polystyrol. Wenn wir Ökowolle nehmen, verbraucht sie dreimal mehr Wärme als Beton. Es ist zu beachten, dass in der Formel zur Berechnung der Wärmekapazität nicht umsonst Masse vorhanden ist. Aufgrund der großen Beton- oder Ziegelmasse im Vergleich zu Ökowolle ermöglicht es, große Wärmemengen in den Steinwänden von Bauwerken zu speichern und alle täglichen Temperaturschwankungen auszugleichen. Nur eine geringe Dämmmasse in allen Rahmenhäusern ist trotz der guten Wärmekapazität der schwächste Bereich für alle Rahmentechnologien. Um dieses Problem zu lösen, werden in allen Häusern beeindruckende Wärmespeicher installiert. Was ist das? Dies sind Strukturteile, die sich durch eine große Masse mit einem ziemlich guten Wärmekapazitätsindex auszeichnen.
Beispiele von Wärmespeichern im Leben
Was könnte das sein? Zum Beispiel eine Art Backsteinmauerwerk, ein großer Ofen oder Kamin, Betonestriche.
Möbel in jedem Haus und jeder Wohnung sind hervorragende Wärmespeicher, denn Sperrholz, Spanplatten und Holz können tatsächlich nur pro Kilogramm Gewicht dreimal mehr Wärme speichern als der berüchtigte Ziegel.
Gibt es Nachteile bei Wärmespeichern? Natürlich ist der Hauptnachteil dieses Ansatzesdie Tatsache, dass der Wärmespeicher in der Phase der Erstellung eines Rahmenhauslayouts entworfen werden muss. Alles aufgrund der Tatsache, dass es sehr schwer ist, und dies muss bei der Erstellung des Fundaments berücksichtigt werden, und stellen Sie sich dann vor, wie dieses Objekt in den Innenraum integriert wird. Es ist erwähnenswert, dass nicht nur die Masse berücksichtigt werden muss, sondern auch beide Eigenschaften in der Arbeit bewertet werden müssen: Masse und Wärmekapazität. Wenn Sie zum Beispiel Gold mit einem unglaublichen Gewicht von zwanzig Tonnen pro Kubikmeter als Wärmespeicher verwenden, dann funktioniert das Produkt wie es soll nur dreiundzwanzig Prozent besser als ein Betonwürfel, der zweieinhalb Tonnen wiegt.
Welcher Stoff eignet sich am besten als Wärmespeicher?
Das beste Produkt für einen Wärmespeicher ist überhaupt nicht Beton und Ziegel! Kupfer, Bronze und Eisen machen das gut, sind aber sehr schwer. Seltsamerweise aber der beste Wärmespeicher ist Wasser! Die Flüssigkeit hat eine beeindruckende Wärmekapazität, die größte unter den uns zur Verfügung stehenden Substanzen. Lediglich Heliumgase (5190 J/(kg K) und Wasserstoff (14300 J/(kg K)) haben mehr Wärmekapazität, stellen aber in der Praxis problematisch dar. Falls gewünscht und erforderlich, sehen Sie sich die Wärmekapazitätstabelle der Stoffe an brauchen.
