Теплоаккумулирующая способность материалов
Теплоаккумулирующая способность материалов, то есть способность материала удерживать тепло, оценивается удельной теплоемкостью, т.е. количеством тепла (в кДж), необходимым для повышения температуры одного килограмма материала на один градус. Например, вода имеет удельную теплоемкость, равную 4,19 кДж/(кг*K). Это значит, например, что для повышения температуры 1 кг воды на 1°K требуется 4,19 кДж.
| Материал | Плотность, кг/м 3 | Теплоемкость, кДж/(кг*K) | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*K) | Масса ТАМ для теплоаккумулирования 1 ГДж теплоты при Δ= 20 K, кг | Относительная масса ТАМ по отношению к массе воды, кг/кг | Объем ТАМ для теплоаккумулирования 1 ГДж теплоты при Δ= 20 K, м 3 | Относительный объем ТАМ по отношению к объему воды, м 3 /м 3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Гранит, галька | 1600 | 0,84 | 0,45 | 59500 | 5 | 49,6* | 4,2 |
| Вода | 1000 | 4,2 | 0,6 | 11900 | 1 | 11,9 | 1 |
| Глауберова соль (декагидрат сульфата натрия)* | 14600 т 1300 ж | 1,92 т 3,26 ж | 1,85 т 1,714 ж | 3300 | 0,28 | 2,26 | 0,19 |
| Парафин* | 786 т | 2,89 т | 0,498 т | 3750 | 0,32 | 4,77 | 0,4 |
Плотность аккумулирования теплоты в значительной степени зависит от метода аккумулирования и рода теплоаккумулирующего материала. Она может быть аккумулирована в химически связанном виде в топливе. При этом плотность аккумулирования соответствует теплоте сгорания, кВт*ч/кг:
Удельная теплоемкость вещества
Нагревание и охлаждение
Эти два процесса знакомы каждому. Вот нам захотелось чайку, и мы ставим чайник, чтобы нагреть воду. Или ставим газировку в холодильник, чтобы охладить.
Логично предположить, что нагревание — это увеличение температуры, а охлаждение — ее уменьшение. Все, процесс понятен, едем дальше.
Но не тут-то было: температура меняется не «с потолка». Все завязано на таком понятии, как количество теплоты. При нагревании тело получает количество теплоты, а при нагревании — отдает.
В процессах нагревания и охлаждения формулы для количества теплоты выглядят так:
Нагревание
Охлаждение
Q — количество теплоты [Дж]
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]
tконечная — конечная температура [˚C]
tначальная — начальная температура [˚C]
В этих формулах фигурирует и изменение температуры, о котором мы сказали выше, и удельная теплоемкость, речь о которой пойдет дальше.
А вот теперь поговорим о видах теплопередачи.
Виды теплопередачи
Здесь все совсем несложно, их всего три: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность
Тот вид теплопередачи, который можно охарактеризовать, как способность тел проводить энергию от более нагретого тела к менее нагретому.
Речь о том, чтобы передать тепло с помощью соприкосновения. Признавайтесь, грелись же когда-нибудь возле батареи. Если вы сидели к ней вплотную, то согрелись вы благодаря теплопроводности. Обниматься с котиком, у которого горячее пузо, тоже эффективно.
Порой мы немного перебарщиваем с возможностями этого эффекта, когда на пляже ложимся на горячий песок. Эффект есть, только не очень приятный. Ну а ледяная грелка на лбу дает обратный эффект — ваш лоб отдает тепло грелке.
Конвекция
Когда мы говорили о теплопроводности, мы приводили в пример батарею. Теплопроводность — это когда мы получаем тепло, прикоснувшись к батарее. Но все вещи в комнате к батарее не прикасаются, а комната греется. Здесь вступает конвекция.
Дело в том, что холодный воздух тяжелее горячего (холодный просто плотнее). Когда батарея нагревает некий объем воздуха, он тут же поднимается наверх, проходит вдоль потолка, успевает остыть и спуститься обратно вниз — к батарее, где снова нагревается. Таким образом, вся комната равномерно прогревается, потому что все более горячие потоки сменяют все менее холодные.
Излучение
Пляж мы уже упоминали, но речь шла только о горячем песочке. А вот тепло от солнышка — это излучение. В этом случае тепло передается через волны.
Обоими способами. То тепло, которое мы ощущаем непосредственно от камина (когда лицу горячо, если вы расположились слишком близко к камину) — это излучение. А вот прогревание комнаты в целом — это конвекция.
Удельная теплоемкость: понятие и формула для расчета
Формулы количества теплоты для нагревания и охлаждения мы уже разбирали, но давайте еще раз:
Нагревание
Охлаждение
Q — количество теплоты [Дж]
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]
tконечная — конечная температура [˚C]
tначальная — начальная температура [˚C]
В этих формулах фигурирует такая величина, как удельная теплоемкость. По сути своей — это способность материала получать или отдавать тепло.
С точки зрения математики удельная теплоемкость вещества — это количество теплоты, которое надо к нему подвести, чтобы изменить температуру 1 кг вещества на 1 градус Цельсия:
Удельная теплоемкость вещества
Q — количество теплоты [Дж]
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]
tконечная — конечная температура [˚C]
tначальная — начальная температура [˚C]
Также ее можно рассчитать через теплоемкость вещества:
Удельная теплоемкость вещества
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]
C — теплоемкость вещества [Дж/˚C]
Величины теплоемкость и удельная теплоемкость означают практически одно и то же. Отличие в том, что теплоемкость — это способность всего вещества к передаче тепла. То есть формулу количества теплоты для нагревания тела можно записать в таком виде:
Количество теплоты, необходимое для нагревания тела
Q — количество теплоты [Дж]
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]
tконечная — конечная температура [˚C]
tначальная — начальная температура [˚C]
Таблица удельных теплоемкостей
Удельная теплоемкость — табличная величина. Часто ее указывают в условии задачи, но при отсутствии в условии — можно и нужно воспользоваться таблицей. Ниже приведена таблица удельных теплоемкостей для некоторых (многих) веществ.
Таблицы удельной теплоемкости веществ (газов, жидкостей и др.)
Представлены таблицы удельной теплоемкости веществ: газов, металлов, жидкостей, строительных и теплоизоляционных материалов, а также пищевых продуктов — более 400 веществ и материалов.
Удельной теплоемкостью вещества называется отношение количества тепла, сообщенного единице массы этого вещества в каком-либо процессе, к соответствующему изменению его температуры.
Удельная теплоемкость веществ зависит от их химического состава, термодинамического состояния и способа сообщения им тепла. В Международной системе единиц эта величина измеряется в Дж/(кг·К).
Необходимо отметить, что экспериментальное определение удельной теплоемкости жидкостей и газов производится при постоянном давлении или при постоянном объеме. В первом случае удельная теплоемкость обозначается Cp, во втором — Cv. Для жидкостей и газов наиболее часто применяется удельная теплоемкость при постоянном давлении Cp.
Для твердых веществ теплоемкости Cp и Cv не различаются. Кроме того, по отношению к твердым телам, помимо удельной массовой теплоемкости применяются также удельная атомная и молярная теплоемкости.
Таблица удельной теплоемкости газов
В таблице приведена удельная теплоемкость газов Cp при температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении (101325 Па).
| Газы | Cp, Дж/(кг·К) |
|---|---|
| Азот N2 | 1051 |
| Аммиак NH3 | 2244 |
| Аргон Ar | 523 |
| Ацетилен C2H2 | 1683 |
| Водород H2 | 14270 |
| Воздух | 1005 |
| Гелий He | 5296 |
| Кислород O2 | 913 |
| Криптон Kr | 251 |
| Ксенон Xe | 159 |
| Метан CH4 | 2483 |
| Неон Ne | 1038 |
| Оксид азота N2O | 913 |
| Оксид азота NO | 976 |
| Оксид серы SO2 | 625 |
| Оксид углерода CO | 1043 |
| Пропан C3H8 | 1863 |
| Сероводород H2S | 1026 |
| Углекислый газ CO2 | 837 |
| Хлор Cl | 520 |
| Этан C2H6 | 1729 |
| Этилен C2H4 | 1528 |
Таблица удельной теплоемкости некоторых металлов и сплавов
В таблице даны значения удельной теплоемкости некоторых распространенных металлов и сплавов при температуре 20°С. Значения теплоемкости большинства металлов при других температурах вы можете найти в этой таблице.
| Металлы и сплавы | C, Дж/(кг·К) |
|---|---|
| Алюминий Al | 897 |
| Бронза алюминиевая | 420 |
| Бронза оловянистая | 380 |
| Вольфрам W | 134 |
| Дюралюминий | 880 |
| Железо Fe | 452 |
| Золото Au | 129 |
| Константан | 410 |
| Латунь | 378 |
| Манганин | 420 |
| Медь Cu | 383 |
| Никель Ni | 443 |
| Нихром | 460 |
| Олово Sn | 228 |
| Платина Pt | 133 |
| Ртуть Hg | 139 |
| Свинец Pb | 128 |
| Серебро Ag | 235 |
| Сталь стержневая арматурная | 482 |
| Сталь углеродистая | 468 |
| Сталь хромистая | 460 |
| Титан Ti | 520 |
| Уран U | 116 |
| Цинк Zn | 385 |
| Чугун белый | 540 |
| Чугун серый | 470 |
Таблица удельной теплоемкости жидкостей
В таблице представлены значения удельной теплоемкости Cp распространенных жидкостей при температуре 10…25°С и нормальном атмосферном давлении.
| Жидкости | Cp, Дж/(кг·К) |
|---|---|
| Азотная кислота (100%-ная) NH3 | 1720 |
| Анилин C6H5NH2 | 2641 |
| Антифриз (тосол) | 2990 |
| Ацетон C3H6O | 2160 |
| Бензин | 2090 |
| Бензин авиационный Б-70 | 2050 |
| Бензол C6H6 | 1050 |
| Вода H2O | 4182 |
| Вода морская | 3936 |
| Вода тяжелая D2O | 4208 |
| Водка (40% об.) | 3965 |
| Водный раствор хлорида натрия (25%-ный) | 3300 |
| Газойль | 1900 |
| Гидроксид аммония | 4610 |
| Глицерин C3H5(OH)3 | 2430 |
| Даутерм | 1590 |
| Карборан C2H12B10 | 1720 |
| Керосин | 2085…2220 |
| Кефир | 3770 |
| Мазут | 2180 |
| Масло АМГ-10 | 1840 |
| Масло ВМ-4 | 1480 |
| Масло касторовое | 2219 |
| Масло кукурузное | 1733 |
| Масло МС-20 | 2030 |
| Масло подсолнечное рафинированное | 1775 |
| Масло ТМ-1 | 1640 |
| Масло трансформаторное | 1680 |
| Масло хлопковое рафинированное | 1737 |
| Масло ХФ-22 | 1640 |
| Молоко сгущенное с сахаром | 3936 |
| Молоко цельное | 3906 |
| Нефть | 2100 |
| Парафин жидкий (при 50С) | 3000 |
| Пиво | 3940 |
| Серная кислота (100%-ная) H2SO4 | 1380 |
| Сероуглерод CS2 | 1000 |
| Силикон | 2060 |
| Скипидар | 1800 |
| Сливки (35% жирности) | 3517 |
| Сок виноградный | 2800…3690 |
| Спирт метиловый (метанол) CH3OH | 2470 |
| Спирт этиловый (этанол) C2H5OH | 2470 |
| Сыворотка молочная | 4082 |
| Толуол C7H8 | 1130 |
| Топливо дизельное (солярка) | 2010 |
| Топливо реактивное | 2005 |
| Уротропин C6H12N4 | 1470 |
| Фреон-12 CCl2F2 | 840 |
| Эфир этиловый C4H10O | 2340 |
Таблица удельной теплоемкости твердых веществ
В таблице дана удельная теплоемкость твердых веществ: стройматериалов (песка, асфальта и т.д.), теплоизоляции различных типов и других распространенных материалов в интервале температуры от 0 до 50°С при нормальном атмосферном давлении.
Таблица удельной теплоемкости пищевых продуктов
В таблице приведены значения средней удельной теплоемкости пищевых продуктов (овощей, фруктов, мяса, рыбы, хлеба, вина и т. д.) в диапазоне температуры 5…20°С и нормальном атмосферном давлении.
Кроме таблиц удельной теплоемкости, вы также можете ознакомиться с подробнейшей таблицей плотности веществ и материалов, которая содержит данные по величине плотности более 500 веществ (металлов, пластика, резины, продуктов, стекла и др.).
Удельная теплоемкость воды H2O
Приведены таблицы значений удельной теплоемкости воды H2O и водяного пара в зависимости от температуры и давления. В первой таблице дана удельная теплоемкость воды в жидком состоянии при нормальном атмосферном давлении и температуре от 0,1 до 100°С.
Во второй таблице значения теплоемкости указаны в интервале температуры от 0 до 800°С и давлении от 0,1 до 100 бар. Вода в этих условиях может находится в жидком или газообразном состоянии, поскольку с понижением давления и (или) с ростом температуры она переходит в пар.
Жидкая вода обладает значительной величиной массовой удельной теплоемкости, по сравнению с другими жидкостями. При атмосферном давлении и температуре до 100°С она находится в виде жидкости и ее теплоемкость изменяется в диапазоне от 4174 до 4220 Дж/(кг·град).
При температуре 20 градусов Цельсия и нормальном атмосферном давлении удельная теплоемкость воды равна 4183 Дж/(кг·град). При температуре 100°С эта величина достигает значения 4220 Дж/(кг·град).
Изменение давления и температуры воды существенно влияет на ее удельную теплоемкость. Зависимость теплоемкости воды от температуры при атмосферном давлении не линейна. При нагревании воды до 30°С теплоемкость уменьшается, затем в интервале температуры 30…40°С значение этой величины остается практически постоянным (следует отметить, что в этом диапазоне температуры вода обладает наименьшей теплоемкостью). При температуре выше 40°С ее удельная теплоемкость увеличивается и достигает своего максимума при температуре кипения.
| t, °С | 0,1 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cp, Дж/(кг·град) | 4217 | 4191 | 4187 | 4183 | 4179 | 4174 | 4174 | 4174 | 4177 | 4181 |
| t, °С | 55 | 60 | 65 | 70 | 75 | 80 | 85 | 90 | 95 | 100 |
| Cp, Дж/(кг·град) | 4182 | 4182 | 4185 | 4187 | 4191 | 4195 | 4202 | 4208 | 4214 | 4220 |
Если продолжить нагрев воды до перехода ее в пар, то тогда, при дальнейшем нагреве пара при атмосферном давлении, величина теплоемкости будет снижаться до некоторого предела, а затем снова начнет увеличиваться. Эта точка перегиба кривой теплоемкости определяется значениями соответствующих температуры и давления.
Как видно по данным в таблице, с повышением давления удельная теплоемкость воды уменьшается, но увеличивается также и температура кипения воды, например, при давлении в 100 бар (атмосфер) она находится в жидком состоянии даже при температуре 300°С. Удельная теплоемкость воды при этом составляет величину 5700 Дж/(кг·град). При продолжении нагрева воды, например до 320°С, она переходит в пар, который имеет большую теплоемкость.
Однако, при низких давлениях, вода начинает кипеть и переходит в пар при температурах гораздо ниже 100°С. Например, по данным таблицы, при давлении 0,1 бар и температуре 50°С, вода уже находится в виде водяного пара и его теплоемкость при этих условиях составляет величину, равную 1929 Дж/(кг·град).
| ↓ t, °С | P, бар → | 0,1 | 1 | 10 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 4218 | 4217 | 4212 | 4207 | 4196 | 4186 | 4176 | 4165 |
| 50 | 1929 | 4181 | 4179 | 4176 | 4172 | 4167 | 4163 | 4158 |
| 100 | 1910 | 2038 | 4214 | 4211 | 4207 | 4202 | 4198 | 4194 |
| 120 | 1913 | 2007 | 4243 | 4240 | 4235 | 4230 | 4226 | 4221 |
| 140 | 1918 | 1984 | 4283 | 4280 | 4275 | 4269 | 4263 | 4258 |
| 160 | 1926 | 1977 | 4337 | 4334 | 4327 | 4320 | 4313 | 4307 |
| 180 | 1933 | 1974 | 2613 | 4403 | 4395 | 4386 | 4378 | 4370 |
| 200 | 1944 | 1975 | 2433 | 4494 | 4483 | 4472 | 4461 | 4450 |
| 220 | 1954 | 1979 | 2316 | 2939 | 4601 | 4586 | 4571 | 4557 |
| 240 | 1964 | 1985 | 2242 | 2674 | 4763 | 4741 | 4720 | 4700 |
| 260 | 1976 | 1993 | 2194 | 2505 | 3582 | 4964 | 4932 | 4902 |
| 280 | 1987 | 2001 | 2163 | 2395 | 3116 | 4514 | 5250 | 5200 |
| 300 | 1999 | 2010 | 2141 | 2321 | 2834 | 3679 | 5310 | 5700 |
| 320 | 2011 | 2021 | 2126 | 2268 | 2649 | 3217 | 4118 | 5790 |
| 340 | 2024 | 2032 | 2122 | 2239 | 2536 | 2943 | 3526 | 4412 |
| 350 | 2030 | 2038 | 2125 | 2235 | 2504 | 2861 | 3350 | 4043 |
| 360 | 2037 | 2044 | 2127 | 2231 | 2478 | 2793 | 3216 | 3769 |
| 365 | 2040 | 2048 | 2128 | 2227 | 2462 | 2759 | 3134 | 3655 |
| 370 | 2043 | 2050 | 2128 | 2222 | 2446 | 2725 | 3072 | 3546 |
| 375 | 2046 | 2053 | 2127 | 2218 | 2428 | 2690 | 3018 | 3446 |
| 380 | 2049 | 2056 | 2127 | 2212 | 2412 | 2657 | 2964 | 3356 |
| 385 | 2052 | 2059 | 2126 | 2207 | 2396 | 2627 | 2913 | 3274 |
| 390 | 2056 | 2061 | 2125 | 2202 | 2381 | 2600 | 2867 | 3201 |
| 395 | 2059 | 2065 | 2125 | 2200 | 2369 | 2575 | 2826 | 3137 |
| 400 | 2062 | 2068 | 2126 | 2197 | 2358 | 2553 | 2789 | 3078 |
| 405 | 2066 | 2071 | 2127 | 2195 | 2349 | 2534 | 2756 | 3025 |
| 410 | 2069 | 2074 | 2128 | 2193 | 2340 | 2517 | 2727 | 2979 |
| 415 | 2072 | 2077 | 2129 | 2192 | 2334 | 2501 | 2700 | 2936 |
| 420 | 2076 | 2080 | 2131 | 2192 | 2327 | 2487 | 2675 | 2898 |
| 425 | 2079 | 2083 | 2132 | 2190 | 2321 | 2474 | 2653 | 2863 |
| 430 | 2082 | 2086 | 2134 | 2190 | 2316 | 2462 | 2632 | 2830 |
| 440 | 2089 | 2093 | 2138 | 2190 | 2307 | 2441 | 2596 | 2773 |
| 450 | 2095 | 2099 | 2141 | 2191 | 2300 | 2424 | 2565 | 2726 |
| 460 | 2102 | 2106 | 2146 | 2192 | 2294 | 2409 | 2538 | 2684 |
| 480 | 2116 | 2119 | 2154 | 2196 | 2286 | 2385 | 2496 | 2618 |
| 500 | 2129 | 2132 | 2164 | 2201 | 2281 | 2368 | 2464 | 2569 |
| 520 | 2142 | 2146 | 2175 | 2208 | 2280 | 2357 | 2441 | 2531 |
| 540 | 2156 | 2159 | 2185 | 2216 | 2280 | 2349 | 2423 | 2502 |
| 560 | 2170 | 2173 | 2197 | 2226 | 2285 | 2349 | 2416 | 2487 |
| 580 | 2184 | 2187 | 2208 | 2233 | 2285 | 2342 | 2401 | 2465 |
| 600 | 2198 | 2200 | 2219 | 2240 | 2287 | 2336 | 2389 | 2445 |
| 620 | 2212 | 2213 | 2230 | 2250 | 2291 | 2334 | 2381 | 2431 |
| 640 | 2226 | 2227 | 2243 | 2260 | 2298 | 2337 | 2379 | 2423 |
| 660 | 2240 | 2241 | 2256 | 2272 | 2307 | 2343 | 2381 | 2421 |
| 680 | 2254 | 2255 | 2270 | 2286 | 2317 | 2352 | 2388 | 2424 |
| 700 | 2268 | 2270 | 2283 | 2299 | 2330 | 2362 | 2398 | 2429 |
| 800 | 2339 | 2341 | 2352 | 2364 | 2389 | 2414 | 2440 | 2465 |
Примечание: В таблице синим цветом показаны значения удельной массовой теплоемкости воды в жидком состоянии, а черным – значения теплоемкости водяного пара.