Что значит теплоемкость воды

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.

Удельная теплоемкость воды при температуре 0,1…100°С

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).

Таблица значений удельной теплоемкости воды и водяного пара

↓ 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.

Источник

Теплоемкость воды и пара. Определение и применение

Сегодня расскажем о том, что такое теплоемкость (воды в том числе), каких видов она бывает и где используется этот физический термин. Также покажем, насколько полезно значение этой величины для воды и пара, зачем нужно ее знать и как она влияет на нашу повседневную жизнь.

Понятие теплоемкости

Эта физическая величина настолько часто используется в окружающем мире и науке, что прежде всего надо рассказать о ней. Самое первое определение потребует от читателя некоторой подготовленности как минимум в дифференциалах. Итак, теплоемкость тела определяется в физике как отношение приращений бесконечно малого количества теплоты к соответствующему ему бесконечно малому количеству температуры.

Количество теплоты

Что такое температура, так или иначе, понимают почти все. Напомним, что «количество теплоты» – не просто словосочетание, а термин, обозначающий ту энергию, которую тело теряет или приобретает при обмене с окружающей средой. Измеряется эта величина в калориях. Данная единица знакома всем женщинам, которые сидят на диетах. Дорогие дамы, теперь вы знаете, что сжигаете на беговой дорожке и чему равен каждый съеденный (или оставленный на тарелке) кусок еды. Таким образом, любое тело, чья температура изменяется, испытывает увеличение или уменьшение количества теплоты. Соотношение этих величин и есть теплоемкость.

Применение теплоемкости

Однако строгое определение рассматриваемого нами физического понятия достаточно редко используется само по себе. Выше мы говорили, что оно весьма часто применяется в повседневной жизни. Те, кто в школе физику не любили, сейчас, наверное, недоумевают. А мы приподнимем завесу тайны и расскажем, что горячая (и даже холодная) вода в кране и в трубах отопления появляется только благодаря расчетам теплоемкости.

Погодные условия, которые определяют, можно ли уже открыть купальный сезон или пока стоит остаться на берегу, тоже учитывают эту величину. Любой прибор, связанный с нагревом или охлаждением (масляный радиатор, холодильник), все затраты на энергию при приготовлении еды (например, в кафе) или уличного мягкого мороженого оказываются под влиянием этих расчетов. Как можно понять, речь идет о такой величине, как теплоемкость воды. Глупо было бы предполагать, что это делают продавцы и обычные потребители, а вот инженеры, проектировщики, производители все учли и вложили соответствующие параметры в бытовую технику. Однако расчеты теплоемкости используются гораздо шире: в гидротурбинах и производстве цементов, в испытаниях сплавов для самолетов или железнодорожных составов, при строительстве, плавке, охлаждении. Даже исследования космоса опираются на формулы, содержащие эту величину.

Виды теплоемкости

Итак, во всех практических применениях используют относительную или удельную теплоемкость. Она определяется как количество теплоты (заметьте, никаких бесконечно малых величин), необходимое, чтобы нагреть единицу количества вещества на один градус. Градусы по шкале Кельвина и Цельсия совпадают, однако в физике принято называть эту величину в первых единицах. В зависимости от того, как выражается единица количества вещества, различают массовую, объемную и молярную удельную теплоемкости. Напомним, что один моль – это такое количество вещества, которое содержит примерно шесть на десять в двадцать третьей степени молекул. В зависимости от задачи применяется соответствующая теплоемкость, их обозначение в физике различно. Массовая теплоемкость обозначается как С и выражается в Дж/кг*К, объемная – С` (Дж/м 3 *К), молярная – С_μ (Дж/моль*К).

Идеальный газ

Если решается задача об идеальном газе, то для него выражение другое. Напомним, у этого несуществующего в реальности вещества атомы (или молекулы) не взаимодействуют между собой. Данное качество кардинально меняет любые свойства идеального газа. Поэтому традиционные подходы к расчетам не дадут нужного результата. Идеальный газ нужен как модель для описания электронов в металле, например. Его теплоемкость определяется как число степеней свободы частиц, из которых он состоит.

Агрегатное состояние

Кажется, что для вещества все физические характеристики одинаковы во всех условиях. Но это не так. При переходе в другое агрегатное состояние (при таянии и замерзании льда, при испарении или застывании расплавленного алюминия), эта величина меняется рывком. Таким образом, теплоемкость воды и водяного пара различаются. Как мы увидим ниже, значительно. Эта разница сильно влияет на использование как жидкого, так и газообразного составляющего этого вещества.

Отопление и теплоемкость

Как уже заметил читатель, чаще всего в реальном мире фигурирует теплоемкость воды. Она источник жизни, без нее наше существование невозможно. Она нужна человеку. Поэтому с древних времен до современности всегда стояла задача доставки воды в дома и на производства или поля. Хорошо тем странам, у которых круглый год положительная температура. Древние римляне строили акведуки, чтобы снабжать этим ценным ресурсом свои города. А вот там, где есть зима, этот способ не подошел бы. Лед, как известно, имеет больший удельный объем, чем вода. Это значит, что, замерзая в трубах, она их разрушает вследствие расширения. Таким образом, перед инженерами центрального отопления и доставки горячей и холодной воды в дома стоит задача – как этого избежать.

Теплоемкость воды при учете длины труб даст необходимую температуру, до которой надо нагреть котлы. Однако зимы у нас бывают очень холодными. А при ста градусах Цельсия уже происходит кипение. В данной ситуации на помощь приходит удельная теплоемкость водяного пара. Как уже отмечалось выше, агрегатное состояние меняет эту величину. Ну а в котлах, которые несут нашим домам тепло, находится сильно перегретый пар. Из-за того, что у него высокая температура, он создает невероятное давление, поэтому котлы и ведущие к ним трубы должны быть очень прочными. В данном случае даже маленькая дырочка, совсем небольшая утечка способны привести к взрыву. Теплоемкость воды зависит от температуры, причем нелинейно. То есть для нагревания ее с двадцати до тридцати градусов потребуется другое количество энергии, чем, скажем, со ста пятидесяти до ста шестидесяти.

При любых действиях, которые затрагивают нагревание воды, это стоит учитывать, особенно если речь идет о больших объемах. Теплоемкость пара, как и многие его свойства, зависит от давления. При той же температуре, что и жидкое состояние, газообразное обладает почти в четыре раза меньшей теплоемкостью.

Водяное охлаждение

Выше мы привели много примеров о том, зачем требуется нагревать воду и как при этом необходимо учитывать величину теплоемкости. Однако мы еще не рассказали, что среди всех доступных ресурсов планеты эта жидкость обладает достаточно высоким показателем затраты энергии на нагревание. Данное свойство часто применяется для охлаждения.

Так как теплоемкость воды высока, то она эффективно и быстро заберет излишки энергии. Применяется это на производствах, в высокотехнологичном оборудовании (например, в лазерах). Да и дома мы наверняка знаем, что самый эффективный способ охладить сваренные вкрутую яйца или горячую сковородку – ополоснуть под холодной струей из-под крана.

А принцип действия атомных ядерных реакторов вообще строится на высокой теплоемкости воды. Горячая зона, как уже видно из названия, имеет невероятно высокую температуру. Нагреваясь сама, вода тем самым охлаждает систему, не давая реакции выйти из-под контроля. Таким образом, мы получаем необходимую электроэнергию (нагретый пар вращает турбины), и не происходит катастрофы.

Источник

Удельная теплоемкость воды

Всего получено оценок: 176.

Всего получено оценок: 176.

Удельная теплоемкость — это физическая величина, которая используется для расчета количества теплоты, необходимого для нагревания вещества до определенной температуры. При понижении температуры значение этой величины применяется для оценки количества теплоты, которое выделится в процессе охлаждения, а удельные теплоемкости различных веществ могут иметь значения, отличающиеся в десятки раз. Повседневная жизнь человека в значительной степени зависит от качества воды и ее параметров, в ряду которых удельная теплоемкость воды занимает важное место.

Общее определение удельной теплоемкости

Напомним, что передача энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплопередачей или теплообменом. Теплообмен происходит, когда тела имеют разные температуры. Величина энергии, переданная телу в результате теплообмена, называется количеством теплоты Q. В соответствии с первым законом термодинамики количество теплоты Q равно изменению внутренней энергии тела ΔU:

Следует помнить, что количество теплоты определяет только изменение внутренней энергии, а не его конкретное значение. Полная величина внутренней энергии — это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц, из которых состоит физическое тело, и кинетической энергии их беспорядочного движения.

Изменение внутренней энергии пропорционально массе тела m и изменению температуры:

Коэффициент пропорциональности c в формуле (2) называется удельной теплоемкостью вещества:

В Международной системе СИ количество теплоты измеряется в джоулях, масса — в килограммах, а разница температур — в градусах Кельвина. Значит единица измерения удельной теплоемкости будет:

Из формул (3), (4) следует, что величина удельной теплоемкости показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 0 K.

Раньше, до принятия в системе СИ в качестве единицы измерения энергии джоуля, использовалась специальная единица — калория (кал), равная количеству теплоты, которое нагревает 1 грамм воды на 1 градус Цельсия. Опытным путем определен, так называемый, механический эквивалент теплоты — соотношение между джоулем и калорией:

В настоящее время данную единицу используют при определении количества потребленной тепловой энергии в жилых домах и на предприятиях.

Значения удельных теплоемкостей для твердых, жидких и газообразных веществ определены с помощью физических измерений и сведены в справочные таблицы.

Рис. 2. Таблица значений удельной теплоемкости

Особенности удельной теплоемкости воды

Из приведенной таблицы видно, что у металлов значения теплоемкостей довольно низкие (например у свинца это 140 Дж/кг* 0 K), поэтому для нагрева металлических предметов требуются немного тепла. Удельная теплоемкость воды равна 4200 Дж/кг* 0 K, что на много больше аналогичных металлических параметров. Исследования показали, что это одно из самых высоких значений среди жидких материалов.

В твердом агрегатном состоянии вода (лед) имеет в два раза меньшее значение удельной теплоемкости — 2100 Дж/кг* 0 K, а в газообразном состоянии (водяной пар) — 2200 Дж/кг* 0 K.

Табличные значения для удельных теплоемкостей приводятся, как правило, для фиксированных температур в диапазоне 20-25 0 С (нормальная или комнатная температура). Это связано с тем, что величина удельной теплоемкости зависит от температуры, что характерно не только для воды, но и для других веществ. На приведенном ниже графике показана экспериментально полученная зависимость удельной теплоемкости воды при различных температурах. Видно, что 0 0 С до 37 0 С теплоемкость воды снижается, а затем снова растет. Точное определение удельной теплоемкости воды производится с помощью приборов, называемых калориметрами.

Рис. 3. График зависимости удельной теплоемкости воды от температуры

Обладание водой максимальной величиной удельной теплоемкости приводит к следующим полезным применениям в различных сферах человеческой деятельности:

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что величина удельной теплоемкости показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 0 K. Значение удельной теплоемкости воды равно 4200 Дж/кг* 0 K при нормальных температурах. Имеется температурная зависимость теплоемкости воды от температуры. Точные значения этой величины получены экспериментально и приведены в справочниках в виде таблиц и графиков.

Источник