Suyun entalpisinin sıcaklık ve basınca bağımlılığı. Suyun özgül ısı kapasitesi veya neden bu şekilde olduğumuz

Bu kısa yazıda suyun gezegenimiz için en önemli özelliklerinden biri olan özelliğini kısaca ele alacağız. Isı kapasitesi.

Suyun özgül ısı kapasitesi

Bu terimin kısa bir yorumunu yapalım:

Isı kapasitesi Bir madde ısı biriktirme yeteneğidir. Bu değer, 1°C ısıtıldığında emdiği ısı miktarıyla ölçülür. Örneğin suyun ısı kapasitesi 1 cal/g veya 4,2 J/g'dir ve toprağın 14,5-15,5°C'deki ısı kapasitesi (toprak türüne bağlı olarak) 0,5 ile 0,6 cal (2,1-2,5) arasında değişir. J) birim hacim başına ve birim kütle (gram) başına 0,2 ila 0,5 cal (veya 0,8-2,1 J).

Suyun ısı kapasitesi hayatımızın birçok yönü üzerinde önemli bir etkiye sahiptir, ancak bu materyalde suyun oluşumundaki rolüne odaklanacağız. sıcaklık rejimi yani gezegenimizin...

Suyun ısı kapasitesi ve Dünya iklimi

Isı kapasitesi su kendi yolunda mutlak değer yeterince büyük. Yukarıdaki tanımdan, gezegenimizin toprağının ısı kapasitesini önemli ölçüde aştığını görüyoruz. Isı kapasitesindeki bu farklılık nedeniyle toprak, dünya okyanuslarının sularına göre çok daha hızlı ısınır ve dolayısıyla daha hızlı soğur. Okyanusların daha hareketsiz olması sayesinde, Dünya'nın günlük ve mevsimsel sıcaklıklarındaki dalgalanmalar, okyanusların ve denizlerin yokluğunda olacağı kadar büyük değil. Yani soğuk mevsimde su Dünya'yı ısıtır, sıcak mevsimde ise soğur. Doğal olarak, bu etki en çok kıyı bölgelerinde belirgindir, ancak küresel ortalama olarak tüm gezegeni etkilemektedir.

Doğal olarak günlük ve mevsimsel sıcaklıklardaki dalgalanmalar birçok faktörden etkilenir ancak su en önemlilerinden biridir.

Günlük ve mevsimsel sıcaklıklardaki dalgalanmaların büyüklüğündeki bir artış, etrafımızdaki dünyayı kökten değiştirecektir.

Mesela herkes iyi bilinen gerçek— taş, keskin sıcaklık dalgalanmaları sırasında gücünü kaybeder ve kırılgan hale gelir. Açıkçası biz de “biraz” farklı olurduk. En azından vücudumuzun fiziksel parametreleri farklı olacaktır.

Suyun ısı kapasitesinin anormal özellikleri

Suyun ısı kapasitesi anormal özelliklere sahiptir. Suyun sıcaklığı arttıkça ısı kapasitesinin azaldığı, bu dinamiğin 37°C'ye kadar devam ettiği, sıcaklığın daha da artmasıyla ısı kapasitesinin artmaya başladığı ortaya çıktı.

Bu gerçek ilginç bir ifade içeriyor. Nispeten konuşursak, doğanın kendisi Su'da 37°C'yi en yüksek sıcaklık olarak belirlemiştir. konforlu sıcaklık insan vücudu için elbette diğer tüm faktörlerin karşılanması şartıyla. Herhangi bir sıcaklık değişimi dinamiği için çevre Su sıcaklığı 37°C olma eğilimindedir.

Bugün ısı kapasitesinin ne olduğundan (su dahil), türlerinden ve bu fiziksel terimin nerelerde kullanıldığından bahsedeceğiz. Ayrıca bu değerin su ve buhar için ne kadar faydalı olduğunu, neden bilmeniz gerektiğini ve günlük hayatımızı nasıl etkilediğini de göstereceğiz.

Isı kapasitesi kavramı

Bu fiziksel miktar Dış dünyada ve bilimde o kadar sık ​​kullanılıyor ki, öncelikle bundan bahsetmek gerekiyor. İlk tanım, okuyucunun en azından farklılıklar açısından bir miktar hazırlıklı olmasını gerektirecektir. Dolayısıyla, bir cismin ısı kapasitesi fizikte sonsuz küçük miktardaki ısı artışlarının karşılık gelen sonsuz küçük sıcaklık miktarına oranı olarak tanımlanır.

Isı miktarı

Hemen hemen herkes sıcaklığın ne olduğunu öyle ya da böyle anlıyor. Hatırlatalım ki “ısı miktarı” sadece bir tabir değil, bir cismin çevreyle değiş tokuş yaparak kaybettiği veya kazandığı enerjiyi ifade eden bir terimdir. Bu değer kalori cinsinden ölçülür. Bu birim diyet yapan tüm kadınlara aşinadır. sevgili bayanlar Artık koşu bandında ne yaktığınızı ve yediğiniz (veya tabağınızda bıraktığınız) her bir yiyecek parçasının neye eşit olduğunu biliyorsunuz. Böylece sıcaklığı değişen her cismin ısı miktarında bir artış ya da azalma olur. Bu miktarların oranı ısı kapasitesidir.

Isı kapasitesinin uygulanması

Ancak, düşündüğümüz şeyin kesin bir tanımı fiziksel kavram tek başına oldukça nadir kullanılır. Yukarıda çok sık kullanıldığını söylemiştik. Gündelik Yaşam. Okulda fiziği sevmeyenlerin şimdi kafası karışmış olabilir. Ve sır perdesini kaldıracağız ve size musluktaki ve ısıtma borularındaki sıcak (ve hatta soğuk) suyun yalnızca ısı kapasitesi hesaplamaları sayesinde göründüğünü söyleyeceğiz.

Açmanın zaten mümkün olup olmadığını belirleyen hava koşulları yüzme sezonu veya kıyıda kalmaya değerken bu değer de dikkate alınır. Isıtma veya soğutmayla ilgili herhangi bir cihaz (yağlı radyatör, buzdolabı), yiyecek hazırlarken (örneğin bir kafede) veya sokakta sunulan yumuşak dondurmalarda tüm enerji maliyetleri bu hesaplamalardan etkilenir. İnsan nasıl anlayabilir? Hakkında konuşuyoruz suyun ısı kapasitesi kadar bir miktar. Bunun satıcılar ve sıradan tüketiciler tarafından yapıldığını varsaymak aptallık olur, ancak mühendisler, tasarımcılar ve üreticiler her şeyi hesaba kattı ve uygun parametreleri hesaba kattı. Ev aletleri. Bununla birlikte, ısı kapasitesi hesaplamaları çok daha yaygın olarak kullanılmaktadır: hidrolik türbinlerde ve çimento üretiminde, uçak veya demiryolları için alaşımların test edilmesinde, inşaatta, eritme ve soğutmada. Uzay araştırmaları bile bu değeri içeren formüllere dayanır.

Isı kapasitesi türleri

Yani her şeyde pratik uygulamalar bağıl veya spesifik ısı kapasitesini kullanın. Bir maddenin birim miktarını bir derece ısıtmak için gereken ısı miktarı (not, sonsuz küçük miktarlar yoktur) olarak tanımlanır. Kelvin ve Santigrat ölçeklerindeki dereceler aynıdır, ancak fizikte bu değerin ilk birimlerde adlandırılması gelenekseldir. Bir maddenin miktar biriminin nasıl ifade edildiğine bağlı olarak kütle, hacim ve molar özgül ısı kapasiteleri ayırt edilir. Bir molün, yaklaşık altı ila on üzeri yirmi üçüncü güç molekülünü içeren bir madde miktarı olduğunu hatırlayın. Göreve bağlı olarak karşılık gelen ısı kapasitesi kullanılır, fizikteki tanımları farklıdır. Kütlesel ısı kapasitesi C olarak gösterilir ve J/kg*K cinsinden ifade edilir, hacimsel ısı kapasitesi C` (J/m3 *K), molar ısı kapasitesi C μ (J/mol*K)'dir.

Ideal gaz

İdeal gaz problemi çözülüyorsa bunun ifadesi farklıdır. Gerçekte var olmayan bu maddede atomların (veya moleküllerin) birbirleriyle etkileşime girmediğini hatırlatalım. Bu kalite, ideal bir gazın tüm özelliklerini kökten değiştirir. Bu nedenle, hesaplamalara yönelik geleneksel yaklaşımlar İstenen sonuç. Örneğin bir metaldeki elektronları tanımlamak için model olarak ideal bir gaza ihtiyaç vardır. Isı kapasitesi, kendisini oluşturan parçacıkların serbestlik derecesinin sayısı olarak tanımlanır.

Toplama durumu

Görünüşe göre her şey madde için fiziksel özellikler her koşulda aynıdır. Ama bu doğru değil. Başka bir toplanma durumuna geçerken (buzun erimesi ve donması, erimiş alüminyumun buharlaşması veya katılaşması sırasında) bu değer aniden değişir. Bu nedenle suyun ve su buharının ısı kapasiteleri farklıdır. Aşağıda göreceğimiz gibi, önemli ölçüde. Bu fark, bu maddenin hem sıvı hem de gaz halindeki bileşenlerinin kullanımını büyük ölçüde etkiler.

Isıtma ve ısı kapasitesi

Okuyucunun zaten fark ettiği gibi, çoğunlukla gerçek dünya suyun ısı kapasitesi ortaya çıkar. O yaşamın kaynağıdır, onsuz varlığımız imkansızdır. Bir kişinin buna ihtiyacı var. Bu nedenle, antik çağlardan günümüze kadar evlere, endüstrilere veya tarlalara su ulaştırma görevi her zaman zorlu olmuştur. olan ülkeler için iyi bütün sene boyunca pozitif sıcaklık. Antik Romalılar şehirlerine bu değerli kaynağı sağlamak için su kemerleri inşa ettiler. Ancak kışın olduğu yerde bu yöntem uygun olmaz. Bilindiği gibi buzun özgül hacmi sudan daha büyüktür. Yani boruların içinde donduğunda genleşerek onları yok eder. Bu nedenle mühendislerin önünde Merkezi ısıtma ve teslimat sıcak ve soğuk su Evdeki zorluk bundan nasıl kaçınılacağıdır.

Boruların uzunluğu dikkate alınarak suyun ısı kapasitesi, kazanların ısıtılması gereken gerekli sıcaklığı verecektir. Ancak kışlarımız çok soğuk olabiliyor. Ve yüz santigrat derecede kaynama zaten meydana geliyor. Bu durumda su buharının özgül ısı kapasitesi imdada yetişir. Yukarıda belirtildiği gibi toplama durumu bu değeri değiştirir. Evlerimize ısı getiren kazanlar yüksek derecede kızgın buhar içerir. Yüksek sıcaklığa sahip olduğundan inanılmaz bir basınç oluşturur, dolayısıyla kazanların ve onlara giden boruların çok dayanıklı olması gerekir. Bu durumda küçük bir delik veya çok küçük bir sızıntı bile patlamaya neden olabilir. Suyun ısı kapasitesi sıcaklığa bağlıdır ve doğrusal değildir. Yani onu yirmi ila otuz derecede ısıtmak, örneğin yüz elli ila yüz altmış dereceden farklı miktarda enerji gerektirecektir.

Suyun ısıtılmasını içeren herhangi bir işlem için, özellikle büyük hacimlerden bahsediyorsak, bu dikkate alınmalıdır. Buharın ısı kapasitesi, birçok özelliği gibi basınca bağlıdır. Sıvı hal ile aynı sıcaklıkta, gaz hal neredeyse dört kat daha az ısı kapasitesine sahiptir.

Yukarıda suyu ısıtmanın neden gerekli olduğuna ve ısı kapasitesinin büyüklüğünü dikkate almanın nasıl gerekli olduğuna dair birçok örnek verdik. Ancak henüz gezegendeki mevcut kaynaklar arasında bu sıvının ısınma amaçlı enerji tüketiminin oldukça yüksek olduğunu söylemedik. Bu özellik genellikle soğutma için kullanılır.

Suyun ısı kapasitesi yüksek olduğundan fazla enerjiyi etkili ve hızlı bir şekilde emecektir. Bu, üretimde, yüksek teknolojili ekipmanlarda (örneğin lazerlerde) kullanılır. Ve evde muhtemelen en çok bunu biliyoruz etkili yöntem haşlanmış yumurtaları veya sıcak kızartma tavasını soğutun - soğuk akan musluk altında durulayın.

Atomik nükleer reaktörlerin çalışma prensibi ise genel olarak suyun yüksek ısı kapasitesine dayanmaktadır. Sıcak bölge, adından da anlaşılacağı gibi inanılmaz derecede yüksek bir sıcaklığa sahiptir. Su kendini ısıtarak sistemi soğutur ve reaksiyonun kontrolden çıkmasını önler. Böylece gerekli elektriği alıyoruz (ısıtılmış buhar türbinleri döndürüyor) ve hiçbir felaket olmuyor.

Su en şaşırtıcı maddelerden biridir. Yaygın ve yaygın kullanımına rağmen doğanın gerçek bir gizemidir. Oksijen bileşiklerinden biri olan suyun donma, buharlaşma ısısı vb. gibi özelliklerinin çok düşük olması gerekir gibi görünüyor. Ancak bu olmuyor. Tek başına suyun ısı kapasitesi her şeye rağmen son derece yüksektir.

Su, pratikte ısınmamasına rağmen büyük miktarda ısıyı emebilir - bu onun özelliğidir. fiziksel özellik. suyun ısı kapasitesi kumun ısı kapasitesinden yaklaşık beş kat, demirin ısı kapasitesinden ise on kat daha yüksektir. Bu nedenle su doğal bir soğutucudur. Biriktirme yeteneği çok sayıda enerji, Dünya yüzeyindeki sıcaklık dalgalanmalarını yumuşatmayı ve tüm gezegendeki termal rejimi düzenlemeyi mümkün kılar ve bu, yılın zamanından bağımsız olarak gerçekleşir.

Bu benzersiz özellik su, endüstride ve evde soğutucu olarak kullanılmasına olanak tanır. Ayrıca su, yaygın olarak bulunabilen ve nispeten ucuz bir hammaddedir.

Isı kapasitesi ne anlama geliyor? Termodinamiğin seyrinden bilindiği gibi ısı transferi her zaman sıcak bir cisimden soğuk bir cisme doğru gerçekleşir. Bu durumda belli bir miktarda ısının transferinden bahsediyoruz ve her iki cismin sıcaklığı, durumlarının bir özelliği olarak bu alışverişin yönünü gösteriyor. Aynı başlangıç ​​​​sıcaklıklarında eşit kütleli suya sahip bir metal gövdenin işlenmesi sırasında metal, sıcaklığını sudan birkaç kat daha fazla değiştirir.

Termodinamiğin temel ifadesini - iki gövdenin (diğerlerinden izole edilmiş), ısı değişimi sırasında biri verir ve diğeri eşit miktarda ısı alırsa, o zaman metal ve suyun tamamen farklı ısıya sahip olduğu ortaya çıkar. kapasiteler.

Bu nedenle, suyun (ve herhangi bir maddenin) ısı kapasitesi, belirli bir maddenin birim sıcaklık başına soğurken (ısıtırken) bir şeyler verme (veya alma) yeteneğini karakterize eden bir göstergedir.

Bir maddenin özgül ısı kapasitesi, bu maddenin bir birimini (1 kilogram) 1 derece ısıtmak için gereken ısı miktarıdır.

Bir cisim tarafından salınan veya emilen ısı miktarı, özgül ısı kapasitesi, kütle ve sıcaklık farkının çarpımına eşittir. Kalori cinsinden ölçülür. Bir kalori, tam olarak 1 gr suyu 1 derece ısıtmaya yetecek ısı miktarıdır. Karşılaştırma için: havanın özgül ısı kapasitesi 0,24 cal/g ∙°C, alüminyum - 0,22, demir - 0,11, cıva - 0,03'tür.

Suyun ısı kapasitesi sabit değildir. Sıcaklık 0'dan 40 dereceye yükseldikçe biraz düşer (1,0074'ten 0,9980'e), diğer tüm maddeler için bu özellik ısıtma sırasında artar. Ayrıca artan basınçla (derinlikte) azalabilir.

Bildiğiniz gibi suyun üç toplanma durumu vardır: sıvı, katı (buz) ve gaz (buhar). Aynı zamanda buzun özgül ısı kapasitesi suyunkinden yaklaşık 2 kat daha düşüktür. Bu, su ile özgül ısı kapasitesi katı ve erimiş halde değişmeyen diğer maddeler arasındaki temel farktır. İşin sırrı nedir?

Gerçek şu ki buz, ısıtıldığında hemen çökmeyen kristal bir yapıya sahiptir. Su, ortak adı verilen birkaç molekülden oluşan küçük buz parçacıkları içerir. Su ısıtıldığında bir kısmı bu oluşumlardaki hidrojen bağlarının yok edilmesine harcanır. Bu, suyun alışılmadık derecede yüksek ısı kapasitesini açıklar. Molekülleri arasındaki bağlar ancak suyun buhara dönüşmesiyle tamamen yok olur.

100°C sıcaklıktaki özgül ısı kapasitesi, buzun 0°C sıcaklıktaki özgül ısı kapasitesinden neredeyse hiç farklı değildir. Bu, bu açıklamanın doğruluğunu bir kez daha teyit etmektedir. Buzun ısı kapasitesi gibi buharın ısı kapasitesi de şu anda sudan çok daha iyi araştırılıyor ve bilim adamları bu konuda henüz bir fikir birliğine varamadı.

Tablo, sıcaklığa bağlı olarak doyma çizgisi üzerindeki su buharının termofiziksel özelliklerini göstermektedir. Buharın özellikleri tabloda 0,01 ila 370°C sıcaklık aralığında verilmiştir.

Her sıcaklık, su buharının doygunluk durumunda olduğu basınca karşılık gelir. Örneğin 200°C su buharı sıcaklığında basıncı 1,555 MPa veya yaklaşık 15,3 atm olacaktır.

Sıcaklık arttıkça buharın özgül ısı kapasitesi, ısı iletkenliği ve buhar artar. Su buharının yoğunluğu da artar. Su buharı, yüksek özgül ısı kapasitesiyle sıcak, ağır ve viskoz hale gelir; bu, bazı ısı eşanjörlerinde soğutucu olarak buharın seçimini olumlu yönde etkiler.

Örneğin tabloya göre su buharının özgül ısı kapasitesi Cp 20°C sıcaklıkta 1877 J/(kg derece) olup, 370°C'ye ısıtıldığında buharın ısı kapasitesi 56520 J/(kg derece) değerine yükselir.

Tablo, doyma çizgisi üzerindeki su buharının aşağıdaki termofiziksel özelliklerini göstermektedir:

• belirtilen sıcaklıkta buhar basıncı s.10 -5, Pa;
• buhar yoğunluğu ρ″ , kg/m3;
• spesifik (kütle) entalpi H", kJ/kg;
• R, kJ/kg;
• buharın özgül ısı kapasitesi Cp, kJ/(kg derece);
• termal iletkenlik katsayısı λ·10 2, W/(m derece);
• termal yayılma katsayısı a·10 6, m2 /s;
• dinamik viskozite μ·10 6, Pa·s;
• kinematik viskozite ν·10 6, m2 /s;
• Prandtl numarası PR.

Su buharının özgül buharlaşma ısısı, entalpisi, termal yayılımı ve kinematik viskozitesi artan sıcaklıkla azalır. Buharın dinamik viskozitesi ve Prandtl sayısı artar.

Dikkat olmak! Tablodaki ısıl iletkenlik 10 2'nin kuvvetiyle gösterilmiştir. 100'e bölmeyi unutmayın! Örneğin, 100°C sıcaklıkta buharın ısıl iletkenliği 0,02372 W/(m derece)'dir.

Çeşitli sıcaklık ve basınçlarda su buharının termal iletkenliği

Tablo, 0 ila 700°C sıcaklıkta ve 0,1 ila 500 atm basınçta su ve su buharının ısıl iletkenlik değerlerini göstermektedir. Isıl iletkenlik boyutu W/(m derece).

Tablodaki değerlerin altındaki çizgi suyun buhara faz geçişini ifade eder, yani çizginin altındaki sayılar buharı, üstündeki sayılar ise suyu ifade eder. Tabloya göre basınç arttıkça katsayı ve su buharı değerinin arttığı görülmektedir.

Not: Tablodaki ısıl iletkenlik 10 3'ün kuvvetleriyle gösterilmiştir. 1000'e bölmeyi unutmayın!

Yüksek sıcaklıklarda su buharının termal iletkenliği

Tablo, 1400 ila 6000 K arasındaki sıcaklıklarda ve 0,1 ila 100 atm arasındaki basınçta W/(m derece) boyutunda ayrışmış su buharının ısıl iletkenlik değerlerini göstermektedir.

Tabloya göre su buharının ısıl iletkenliği yüksek sıcaklıklar 3000...5000 K civarında gözle görülür biçimde artar. yüksek değerler basınçta maksimum ısıl iletkenlik katsayısına daha yüksek sıcaklıklarda ulaşılır.

Dikkat olmak! Tablodaki ısıl iletkenlik 10 3'ün kuvvetiyle gösterilmiştir. 1000'e bölmeyi unutmayın!

Entalpi bir maddenin ısıya dönüştürülebilecek enerji miktarını gösteren bir özelliğidir.

Entalpi gösteren bir maddenin termodinamik özelliğidir. enerji seviyesi moleküler yapısında korunmuştur. Bu, bir maddenin enerjiye dayalı olmasına rağmen tamamının ısıya dönüşemeyeceği anlamına gelir. İç enerjinin bir kısmı her zaman maddenin içinde kalır ve moleküler yapısını korur. Maddenin bir kısmına sıcaklığı ortam sıcaklığına yaklaştığında erişilemez. Buradan, entalpi belirli bir sıcaklık ve basınçta ısıya dönüştürülebilen enerji miktarıdır. Entalpi birimleri- Enerji için İngiliz termal birimi veya joule ve spesifik enerji için Btu/lbm veya J/kg.

Entalpi miktarı

Miktar maddenin entalpisi verilen sıcaklığına göre. Bu sıcaklık- bilim adamları ve mühendisler tarafından hesaplamaların temeli olarak seçilen değerdir. Bir maddenin entalpisinin sıfır J olduğu sıcaklıktır. Başka bir deyişle, maddenin ısıya dönüştürülebilecek kullanılabilir enerjisi yoktur. Bu sıcaklık farklı maddeler için farklıdır. Örneğin, verilen sıcaklık su üçlü noktadır (0 °C), nitrojen -150 °C ve metan ve etan bazlı soğutucu akışkanlar -40 °C'dir.

Bir maddenin sıcaklığı verilen sıcaklıktan yüksekse veya belirli bir sıcaklıkta gaz haline dönüşüyorsa entalpi ifade edilir. pozitif sayı. Tersine, bunun altındaki bir sıcaklıkta bir maddenin entalpisi negatif bir sayı olarak ifade edilir. Entalpi, iki durum arasındaki enerji seviyelerindeki farkı belirlemek için hesaplamalarda kullanılır. Ekipmanı kurmak ve sürecin faydalı etkisini belirlemek için bu gereklidir.

Entalpi sıklıkla şu şekilde tanımlanır: maddenin toplam enerjisi, çünkü belirli bir durumdaki iç enerjisinin (u) iş yapma yeteneğinin (pv) toplamına eşittir. Ancak gerçekte entalpi, bir maddenin mutlak sıfırın (-273°C) üzerindeki belirli bir sıcaklıktaki toplam enerjisini göstermez. Bu nedenle tanımlamak yerine entalpi Bir maddenin toplam ısısı olarak, bir maddenin ısıya dönüştürülebilen toplam enerjisinin toplam miktarı olarak daha doğru bir şekilde tanımlanır.
H = U + pV