La capacité calorifique est la capacité d'absorber une certaine quantité de chaleur pendant le chauffage ou de la dégager lorsqu'elle est refroidie. La capacité calorifique d'un corps est le rapport entre une quantité infinitésimale de chaleur qu'un corps reçoit et l'augmentation correspondante de ses indicateurs de température. La valeur est mesurée en J/K. En pratique, une valeur légèrement différente est utilisée - chaleur spécifique.
Définition
Qu'est-ce que la chaleur spécifique signifie ? Il s'agit d'une quantité liée à une seule quantité d'une substance. En conséquence, la quantité d'une substance peut être mesurée en mètres cubes, en kilogrammes ou même en moles. De quoi dépend-il ? En physique, la capacité thermique dépend directement de l'unité quantitative à laquelle elle se réfère, ce qui signifie qu'ils distinguent la capacité thermique molaire, massique et volumétrique. Dans l'industrie de la construction, vous ne verrez pas de mesures molaires, mais vous en verrez d'autres tout le temps.
Qu'est-ce qui influence la capacité calorifique spécifique ?
Qu'est-ce que la capacité thermique, vous savez, mais quelles valeurs affectent l'indicateur n'est pas encore clair. La valeur de la capacité thermique spécifique est directement affectée par plusieurs composants:température de la substance, pression et autres caractéristiques thermodynamiques.
Lorsque la température d'un produit augmente, sa capacité thermique spécifique augmente, mais certaines substances présentent une courbe complètement non linéaire dans cette relation. Par exemple, avec une augmentation des indicateurs de température de zéro à trente-sept degrés, la capacité thermique spécifique de l'eau commence à diminuer, et si la limite se situe entre trente-sept et cent degrés, alors l'indicateur, au contraire, sera augmenter.
Il convient de noter que le paramètre dépend également de la façon dont les caractéristiques thermodynamiques du produit (pression, volume, etc.) sont autorisées à changer. Par exemple, la chaleur spécifique à pression stable et à volume stable sera différente.
Comment calculer le paramètre ?
Êtes-vous intéressé par la capacité calorifique ? La formule de calcul est la suivante: C \u003d Q / (m ΔT). Quelles sont ces valeurs ? Q est la quantité de chaleur que le produit reçoit lorsqu'il est chauffé (ou libérée par le produit pendant le refroidissement). m est la masse du produit et ΔT est la différence entre les températures finale et initiale du produit. Vous trouverez ci-dessous un tableau de la capacité calorifique de certains matériaux.
Qu'en est-il du calcul de la capacité calorifique ?
Calculer la capacité calorifique n'est pas une tâche facile, surtout si seules des méthodes thermodynamiques sont utilisées, il est impossible de le faire plus précisément. Les physiciens utilisent donc les méthodes de la physique statistique ou la connaissance de la microstructure des produits. Comment calculer pour le gaz? Capacité calorifique du gazest calculé à partir du calcul de l'énergie moyenne du mouvement thermique des molécules individuelles dans une substance. Les mouvements des molécules peuvent être de type translationnel et rotationnel, et à l'intérieur d'une molécule il peut y avoir un atome entier ou une vibration d'atomes. La statistique classique dit que pour chaque degré de liberté des mouvements de rotation et de translation, il existe une valeur de la capacité calorifique molaire du gaz, qui est égale à R / 2, et pour chaque degré de liberté vibratoire, la valeur est égale à R Cette règle est aussi appelée loi d'équipartition.
Dans le même temps, une particule d'un gaz monoatomique ne diffère que de trois degrés de liberté en translation, et donc sa capacité calorifique devrait être égale à 3R/2, ce qui est en excellent accord avec l'expérience. Chaque molécule de gaz diatomique a trois degrés de liberté en translation, deux en rotation et un degré de liberté en vibration, ce qui signifie que la loi d'équipartition sera de 7R/2, et l'expérience a montré que la capacité calorifique d'une mole de gaz diatomique à température ordinaire est de 5R/ 2. Pourquoi y avait-il un tel écart dans la théorie? Tout est dû au fait que lors de l'établissement de la capacité calorifique, il faudra tenir compte de divers effets quantiques, en d'autres termes, utiliser des statistiques quantiques. Comme vous pouvez le constater, la capacité calorifique est un concept plutôt compliqué.
La mécanique quantique dit que tout système de particules qui oscille ou tourne, y compris une molécule de gaz, peut avoir certaines valeurs d'énergie discrètes. Si l'énergie du mouvement thermique dans le système installé est insuffisante pour exciter des oscillations de la fréquence requise, alors ces oscillations ne contribuent pas àcapacité calorifique du système.
Dans les solides, le mouvement thermique des atomes est une faible oscillation près de certaines positions d'équilibre, cela s'applique aux nœuds du réseau cristallin. Un atome a trois degrés de liberté vibratoire et, selon la loi, la capacité calorifique molaire d'un solide est égale à 3nR, où n est le nombre d'atomes existants dans la molécule. En pratique, cette valeur est la limite vers laquelle tend la capacité calorifique du corps aux hautes températures. La valeur est obtenue avec des changements de température normaux dans de nombreux éléments, cela s'applique aux métaux, ainsi qu'aux composés simples. La capacité calorifique du plomb et d'autres substances est également déterminée.
Qu'en est-il des basses températures ?
Nous savons déjà ce qu'est la capacité calorifique, mais si nous parlons de basses températures, comment la valeur sera-t-elle alors calculée ? Si nous parlons d'indicateurs de basse température, la capacité thermique d'un corps solide s'avère alors être proportionnelle à T 3 ou la loi dite de capacité thermique de Debye. Le critère principal pour distinguer les températures élevées des basses est la comparaison habituelle de celles-ci avec un paramètre caractéristique pour une substance particulière - cela peut être la température caractéristique ou Debye qD. La valeur présentée est définie par le spectre de vibration des atomes dans le produit et dépend de manière significative de la structure cristalline.
Dans les métaux, les électrons de conduction apportent une certaine contribution à la capacité calorifique. Cette partie de la capacité calorifique est calculée en utilisantStatistique de Fermi-Dirac, qui tient compte des électrons. La capacité thermique électronique d'un métal, qui est proportionnelle à la capacité thermique habituelle, est une valeur relativement faible, et elle ne contribue à la capacité thermique du métal qu'à des températures proches du zéro absolu. Ensuite, la capacité thermique du réseau devient très petite et peut être négligée.
Capacité thermique massique
La chaleur spécifique de masse est la quantité de chaleur qui doit être apportée à une unité de masse d'une substance afin de chauffer le produit par unité de température. Cette valeur est désignée par la lettre C et elle est mesurée en joules divisé par un kilogramme par kelvin - J / (kg K). Tout est question de capacité thermique massique.
Qu'est-ce que la capacité calorifique volumétrique ?
La capacité thermique volumique est une certaine quantité de chaleur qui doit être ajoutée à une unité de volume d'un produit afin de le chauffer par unité de température. Cet indicateur est mesuré en joules divisé par un mètre cube par kelvin ou J / (m³ K). Dans de nombreux ouvrages de référence sur le bâtiment, c'est la capacité thermique spécifique de la masse au travail qui est prise en compte.
Application pratique de la capacité calorifique dans l'industrie de la construction
De nombreux matériaux à forte intensité de chaleur sont activement utilisés dans la construction de murs résistants à la chaleur. Ceci est extrêmement important pour les maisons caractérisées par un chauffage périodique. Par exemple, four. Les produits à forte intensité de chaleur et les murs construits à partir de ceux-ci accumulent parfaitement la chaleur, la stockent pendant les périodes de chauffage et libèrent progressivement la chaleur après s'être éteintssystème, permettant ainsi de maintenir une température acceptable tout au long de la journée.
Ainsi, plus il y a de chaleur stockée dans la structure, plus la température dans les pièces sera confortable et stable.
Il convient de noter que la brique et le béton ordinaires utilisés dans la construction de logements ont une capacité calorifique bien inférieure à celle du polystyrène expansé. Si nous prenons l'ecowool, il consomme trois fois plus de chaleur que le béton. Il convient de noter que dans la formule de calcul de la capacité calorifique, ce n'est pas en vain qu'il y a de la masse. En raison de la grande masse énorme de béton ou de brique, par rapport à ecowool, il permet d'accumuler d'énormes quantités de chaleur dans les murs de pierre des structures et de lisser toutes les fluctuations de température quotidiennes. Seule une petite masse d'isolant dans toutes les maisons à ossature, malgré la bonne capacité calorifique, est la zone la plus faible pour toutes les technologies d'ossature. Pour résoudre ce problème, des accumulateurs de chaleur impressionnants sont installés dans toutes les maisons. Ce que c'est? Ce sont des pièces structurelles qui se caractérisent par une masse importante avec un assez bon indice de capacité calorifique.
Exemples d'accumulateurs de chaleur dans la vie
Qu'est-ce que cela pourrait être ? Par exemple, une sorte de murs intérieurs en briques, un grand poêle ou une cheminée, des chapes en béton.
Les meubles de n'importe quelle maison ou appartement sont d'excellents accumulateurs de chaleur, car le contreplaqué, les panneaux de particules et le bois ne peuvent réellement stocker la chaleur que par kilogramme de poids trois fois plus que la fameuse brique.
Y a-t-il des inconvénients aux accumulateurs de chaleur ? Bien sûr, le principal inconvénient de cette approche estle fait que l'accumulateur de chaleur doit être conçu au stade de la création d'un aménagement de maison à ossature. Tout cela en raison du fait qu'il est très lourd, et cela devra être pris en compte lors de la création de la fondation, puis imaginez comment cet objet sera intégré à l'intérieur. Il vaut la peine de dire qu'il faut prendre en compte non seulement la masse, il faudra évaluer les deux caractéristiques du travail: la masse et la capacité calorifique. Par exemple, si vous utilisez de l'or avec un poids incroyable de vingt tonnes par mètre cube comme stockage de chaleur, alors le produit fonctionnera comme il se doit seulement vingt-trois pour cent mieux qu'un cube de béton, qui pèse deux tonnes et demie.
Quelle substance convient le mieux pour un stockage de chaleur ?
Le meilleur produit pour un accumulateur de chaleur n'est pas du tout du béton et de la brique ! Le cuivre, le bronze et le fer font du bon travail, mais ils sont très lourds. Curieusement, mais le meilleur accumulateur de chaleur est l'eau ! Le liquide a une capacité calorifique impressionnante, la plus grande parmi les substances dont nous disposons. Seuls les gaz d'hélium (5190 J / (kg K) et d'hydrogène (14300 J / (kg K)) ont plus de capacité calorifique, mais ils sont problématiques à appliquer dans la pratique. Si vous le souhaitez et si nécessaire, consultez le tableau des capacités calorifiques des substances que vous besoin.
