Вода – источник жизни, существования планеты и всего на ней живого. Она – важная часть организма человека. При рассмотрении воды, как физического объекта, ученые пользуются такими ее характеристиками, как плотность и теплоемкость. Но если с первой величиной все более или менее ясно, то по поводу теплоемкости воды возникает масса вопросов.
Понятие теплоемкости
Теплоемкость – это термин, использующийся для указания объема тепла, которое может поглотить или отдать нагретое, или остуженное тело (физический объект). Чтобы определить теплоемкость конкретного вещества или объекта соотносят количество поглощенной или выделенной теплоты в бесконечно минимальный промежуток времени и продолжительность измерения.
В физике этот процесс характеризуется также соотношением между бесконечно малым количеством теплоты и таким же малым количеством температуры.
Теплоемкость измеряют в Джоулях – «Дж», обозначают большой латинской буквой «С». Теплоемкость величина, зависимая и непостоянная, поскольку пропорциональна содержащемуся в нем веществу. Чем больше масса тела, тем больше энергии и тепла нужно для его нагревания. Таким образом, температура и масса – это основные характеристики, которыми нужно владеть для определения теплоемкости тела. При измерении необходимо знать также температуру воздуха и давление.
Применение теплоемкости
Обычные люди редко пользуются понятием теплоемкости. Скорее всего, о нем они слышали только на школьных уроках физики. Те же, кто школу окончил давно и представить себе не могут, что давно позабытая физическая величина напрямую воздействует на их жизнь. От нее зависит, комфортными ли будут условия нашего существования. Дело в том, что теплоемкость является важной характеристикой:
- на нее ссылаются при определении температуры горячей и холодной воды, поступающей по водопроводу в наши дома;
- перед началом купального сезона соответствующие службы также определяют оптимальную температуру воды именно, на основе рассматриваемой величины;
- ее учитывают при создании нагревающих или охлаждающих приборов (радиатор для обогрева, холодильник);
- знание ее позволяет определить затраты на приготовление пищи в больших масштабах (в условиях ресторана, кафе, отеля).
Естественно, что обычные потребители, продавцы и повара в кафе, специальными расчетами не занимаются. За них это уже сделали инженеры, запрограммировав работу техники необходимым образом.
Расчет теплоемкости воды используют:
- при наладке работы гидротурбин;
- в производстве цементов;
- в испытании характеристик сплава металла, из которого производят самолеты и железнодорожные поезда;
- в строительстве;
- при плавке;
- в охлаждении.
Даже при исследовании космического пространства, применяют формулы, в которых задействуется рассматриваемая величина.
Виды теплоемкости
Существует несколько разновидностей теплоемкости. В практических целях чаще всего требуется рассчитать относительную, также известную, как удельную теплоемкость воды. Это количество тепла, извлеченное телом из внешней среды для увеличения его собственной температуры на 1 градус. Величину выражают в Кельвинах. Существует несколько подвидов удельной величины. Все они зависят от выражающей их единицы. Это могут быть физическая или молярная массы, объем. Так возникают:
- массовая;
- объемная;
- молярная удельная теплоемкости.
При этом, 1 моль равен количеству вещества, содержащего 6 на 10 в 23 степени молекул.
Та или иная величины применяются и рассчитываются в зависимости от поставленной цели. В физике их обозначают по-разному:
- массовую записывают латинской буквой С и выражают с помощью Джоулей на кг Дж/кг*К;
- объемную С` (Дж/м3*К);
- молярную Сμ (Дж/моль*К).
При переходе воды из одного агрегатного состояния в другое (она может стать льдом или паром) удельная величина меняется. Интересно, что наиболее стабильной является теплоемкость воды, подогретой до 36-37 градусов. При подогреве от 0 до 37 градусов значение ее уменьшается, а после пересечения этого рубежа повышаться.
Отопление и теплоемкость
Для снабжения римских городов водой использовали акведуки, в современные города она поступает по системе водопровода. При этом, основная задача, которая стоит перед инженерами, занимающимися обустройством центрального отопления, заключается в создании такой конструкции водопровода, благодаря которому вода поставлялась бы в дома беспрепятственно. В теплое время года проблем с поставкой воды нет, но с наступлением зимних заморозков создается угроза промерзания водопровода, перехода содержащей его воды в другое агрегатное состояние – лед, и соответственно разрушение всей конструкции (объем замерзшей воды увеличивается).
Вычислив теплоемкость идущей по трубам воды, и зная длину всего сооружения, инженер может рассчитать температуру, до которой нужно разогреть котел. Вместе с удельной вычисляют теплоемкость водяного пара (при 100 градусах вода закипает и превращается в пар), поскольку в котлах, обеспечивающих движение горячей воды по трубам, находится именно пар. Давление пара выше давления воды, поэтому при создании отопительной системы, и котлов в частности, используют чрезвычайно прочные материалы.
Теплоемкость воды нелинейно связана с температурой. Это значит, что для подогрева ее на 10 градусов, в промежутке от 30 до 40 нужно одно количество энергии, а для подогрева на эти же 10 градусов, но в промежутке от 130 до 140 – другое.
Водяное охлаждение
Поскольку для подогрева воды требуется большое количество энергии, то ее часто используют в качестве естественного охладителя. Благодаря высокой теплоемкости, она быстро отбирает излишки энергии в виде тепла из окружающей среды.
В холодное время года за счет воды происходит обогрев поверхности земного шара, а в теплое, ее охлаждение. Эта способность теплоносителя или воды к изъятию тепла применяется при работе с лазерами и на крупных производствах. На знании теплоемкости основывается работа ядерных реакторов, точнее принцип их охлаждения. Нагретая вода охлаждает всю систему, ядерная реакция постоянно находится под контролем. В результате вращения нагретым паром турбины выделяется электроэнергия и не происходит взрыва.
Наглядно процесс охлаждения водой чего-либо можно наблюдать и в домашних условиях. Для этого достаточно отварить яйца вкрутую и поместить их в холодную воду. Спустя некоторое время жидкость нагреется, а яичная скорлупа остынет.
Теплоемкость воды – интереснейшая из ее особенностей, благодаря наличию которой жизнь на планете происходит по привычной схеме. Зная эту физическую величину, инженеры разрабатывают новое оборудование: холодильники, приборы для обогрева, работающие на масле, котлы, являющиеся частью отопительной системы.
(Пока оценок нет)
Загрузка...