Свойства материалов. Удельная теплоемкость

Изучение тепловых явлений потребовало от физиков введения понятия удельная теплоемкость. Несмотря на свою переменчивость и зависимость от многих факторов, эта величина позволяет облегчить проведение расчётов не только в ходе экспериментов, но и в процессе практической производственной деятельности.

Физический смысл удельной теплоемкости, которая в системе СИ измеряется в джоулях на килограмм-кельвин, заключается в количестве тепла (тепловой энергии), необходимого, чтобы вещество массой в один килограмм изменило свою температуру на один кельвин (градус).

На величину удельной теплоёмкости оказывает влияние реальная температура вещества. Вода, нагретая до 20 °C и до 60 °C, имеет разные значения данного характеризующего показателя. Для основных веществ в ходе экспериментальных исследований была подсчитана их удельная теплоемкость. Формула была выведена для определения зависимости между несколькими величинами. Математическое выражение объединяет несколько физических величин. Первой является сама удельная теплоемкость, которая для простоты исследования принимается за постоянную величину в стандартных условиях. Иногда она рассчитывается для отдельных условий, к примеру, для водяного пара (нагретая вода до температуры 373 Кельвинов или 100 °C). Далее следуют значение, определяющее количество теплоты, полученное (отданное) веществом при нагреве (охлаждении), масса нагреваемого (охлаждаемого) вещества, разность температур перед началом и после завершения процесса.

Видео: Количество теплоты. Удельная теплоемкость. Урок 37

Удельная теплоемкость имеет большое значение при выборе определённого вещества в качестве строительного материала, для использования его в различных холодильных установках или отопительных системах. Давно замечено, что материалы, имеющие одинаковую массу, для нагревания используют различное количество тепловой энергии. Алюминиевые покрытия, к примеру, получая одинаковый подвод тепла от естественного солнечного излучения, нагреваются сильнее и быстрее, чем те же конструкции из дерева или обычная штукатурка.

Рассматривая бетон с удельной теплоемкостью 1000 Дж/кг-К, можно сделать вывод, что нагревание одного килограмма этого материала на один кельвин потребует количество энергии в 1000 Дж. Древесина для получения того же эффекта использует в два раза больше тепла, чем такая же масса газобетона. Это сказывается не только на микроклиматическом комфорте помещений, но и на различных показателях температурного удлинения конструкций.

Видео: Весёлая наука #10 - Удельная теплоёмкость, закон Бернулли.

Особый интерес в плане осуществления теплообменных процессов вызывает обычная вода. На её примере можно ярко проследить, что на показатель «удельная теплоемкость» каждого вещества играет огромное влияние его агрегатное состояние. Продолжая пример с водой, выявляется интересная закономерность. При 0°С в жидком состоянии она обладает удельной теплоёмкостью 4,218, а при повышении температуры до 40°С уже 4,178 кДж/(кг*К). А вот для льда на температурной ступеньке 0° С теплоемкость падает до отметки 2,11 кДж/(кг*К).

Вода является жидкостью с самым высоким показателем удельной теплоемкости. Для очередного скачка на один градус она поглощает или отдает большое по объёму количество тепла, чем любое другое вещество. Именно воду используют в случаях необходимости обеспечить искусственный теплообмен.

Видео: Упражнение №9(1) § 10. Энергия топлива. Удельная теплота сгорания - Физика 8 класс (Перышкин)

Для удобства расчётов таблица удельной теплоемкости кроме графы с рассчитанными показателями на один килограмм массы, имеет дополнительную колонку с выражениями данной характеристики на один литр (или дм3) вещества. Пользуясь данными таблицы, инженеры и конструкторы производят подбор наиболее оптимальных материалов для воплощения в жизнь своих замыслов и идей. С появлением новейших материалов с уникальными свойствами значительно расширился диапазон для выбора, но даже простые и доступные вещества иногда способны составить им достойную конкуренцию.