קיבולת חום היא היכולת לספוג כמויות מסוימות של חום במהלך החימום או להתנתק בעת קירור. קיבולת החום של גוף היא היחס בין כמות אינסופית של חום שגוף מקבל לעלייה המקבילה במחווני הטמפרטורה שלו. הערך נמדד ב-J/K. בפועל משתמשים בערך קצת שונה - חום ספציפי.
הגדרה
מה המשמעות של חום ספציפי? זוהי כמות הקשורה לכמות בודדת של חומר. בהתאם לכך, ניתן למדוד את כמות החומר במטר מעוקב, קילוגרמים או אפילו בשומות. במה זה תלוי? בפיזיקה, קיבולת החום תלויה ישירות באיזו יחידה כמותית היא מתייחסת, מה שאומר שהם מבחינים בין קיבולת חום טוחנת, מסה ונפח. בענף הבנייה, לא תראה מידות טוחנות, אבל תראה אחרים כל הזמן.
מה משפיע על קיבולת החום הספציפית?
מהי קיבולת החום, אתה יודע, אבל עדיין לא ברור אילו ערכים משפיעים על המחוון. הערך של קיבולת חום ספציפית מושפע ישירות ממספר מרכיבים:טמפרטורת החומר, לחץ ומאפיינים תרמודינמיים אחרים.
ככל שהטמפרטורה של מוצר עולה, קיבולת החום הספציפית שלו עולה, אך חומרים מסוימים מציגים עקומה לא ליניארית לחלוטין ביחס זה. לדוגמה, עם עלייה באינדיקטורים של טמפרטורה מאפס לשלושים ושבע מעלות, קיבולת החום הסגולית של המים מתחילה לרדת, ואם הגבול הוא בין שלושים ושבע למאה מעלות, אז המחוון, להיפך, להגדיל.
כדאי לציין שהפרמטר תלוי גם בשינוי המאפיינים התרמודינמיים של המוצר (לחץ, נפח וכדומה). לדוגמה, החום הסגולי בלחץ יציב ובנפח יציב יהיה שונה.
איך לחשב את הפרמטר?
האם אתה מתעניין מהי קיבולת החום? נוסחת החישוב היא כדלקמן: C \u003d Q / (m ΔT). מהם הערכים הללו? Q היא כמות החום שהמוצר מקבל בעת חימום (או משתחרר על ידי המוצר במהלך הקירור). m היא המסה של המוצר, ו-ΔT הוא ההבדל בין הטמפרטורה הסופית וההתחלתית של המוצר. להלן טבלה של קיבולת החום של חומרים מסוימים.
מה לגבי חישוב קיבולת החום?
חישוב קיבולת החום אינו משימה קלה, במיוחד אם משתמשים רק בשיטות תרמודינמיות, אי אפשר לעשות זאת בצורה מדויקת יותר. לכן, פיזיקאים משתמשים בשיטות של פיזיקה סטטיסטית או בידע של מבנה המיקרו של מוצרים. איך לחשב גז? קיבולת חום של גזמחושב מתוך חישוב האנרגיה הממוצעת של תנועה תרמית של מולקולות בודדות בחומר. התנועות של מולקולות יכולות להיות מסוג טרנסלציוני וסיבובי, ובתוך מולקולה יכול להיות אטום שלם או רטט של אטומים. הסטטיסטיקה הקלאסית אומרת שלכל דרגת חופש של תנועות סיבוב ותרגולת, יש ערך בקיבולת החום המולארית של הגז, השווה ל-R/2, ולכל דרגת חופש רטט, הערך שווה ל-R כלל זה נקרא גם חוק שווי החלוקה.
במקביל, חלקיק של גז מונוטומי שונה בשלוש דרגות חופש תרגום בלבד, ולכן קיבולת החום שלו צריכה להיות שווה ל- 3R/2, מה שמתאים מצוין לניסוי. לכל מולקולת גז דו-אטומי יש שלוש דרגות חופש טרנסציונליות, שתיים סיבוביות ואחת רטט, מה שאומר שחוק החלוקה השוויונית יהיה 7R/2, והניסיון הראה כי קיבולת החום של שומה של גז דו-אטומי בטמפרטורה רגילה היא 5R/ 2. מדוע הייתה סתירה כזו בתיאוריה? הכל נובע מכך שבעת הקמת קיבולת החום, יהיה צורך לקחת בחשבון השפעות קוונטיות שונות, במילים אחרות, להשתמש בסטטיסטיקה קוונטית. כפי שאתה יכול לראות, קיבולת חום היא מושג מסובך למדי.
מכניקת הקוונטים אומרת שלכל מערכת של חלקיקים שמתנדנדים או מסתובבים, כולל מולקולת גז, יכולה להיות ערכי אנרגיה נפרדים מסוימים. אם אנרגיית התנועה התרמית במערכת המותקנת אינה מספיקה כדי לעורר תנודות בתדר הנדרש, אזי תנודות אלו אינן תורמות לקיבולת החום של המערכת.
במוצקים, התנועה התרמית של אטומים היא תנודה חלשה ליד עמדות שיווי משקל מסוימות, זה חל על הצמתים של סריג הגביש. לאטום יש שלוש דרגות רטט של חופש, ולפי החוק, קיבולת החום המולארית של מוצק שווה ל- 3nR, כאשר n הוא מספר האטומים הקיימים במולקולה. בפועל, ערך זה הוא הגבול אליו נוטה יכולת החום של הגוף בטמפרטורות גבוהות. הערך מושג עם שינויי טמפרטורה רגילים באלמנטים רבים, זה חל על מתכות, כמו גם תרכובות פשוטות. כמו כן נקבעת יכולת החום של עופרת וחומרים אחרים.
מה לגבי טמפרטורות נמוכות?
אנחנו כבר יודעים מהי קיבולת חום, אבל אם נדבר על טמפרטורות נמוכות, איך יחושב הערך אז? אם אנחנו מדברים על אינדיקטורים של טמפרטורה נמוכה, אז קיבולת החום של גוף מוצק מתבררת כפרופורציונלית ל-T 3 או למה שנקרא חוק קיבולת החום של Debye. הקריטריון העיקרי להבחנה בין טמפרטורות גבוהות לטמפרטורות נמוכות הוא ההשוואה הרגילה שלהן עם פרמטר אופייני לחומר מסוים - זו יכולה להיות הטמפרטורה האופיינית או Debye qD. הערך המוצג נקבע על ידי ספקטרום הרטט של האטומים במוצר ותלוי באופן משמעותי במבנה הגבישי.
במתכות, אלקטרונים הולכה תורמים תרומה מסוימת ליכולת החום. חלק זה של קיבולת החום מחושב באמצעותסטטיסטיקות פרמי-דיראק, שלוקחת בחשבון אלקטרונים. קיבולת החום האלקטרונית של מתכת, שהיא פרופורציונלית ליכולת החום הרגילה, היא ערך קטן יחסית, והיא תורמת ליכולת החום של המתכת רק בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט. אז קיבולת החום של הסריג הופכת קטנה מאוד וניתן להזניח.
קיבולת חום המונית
חום סגולי הוא כמות החום שצריך להביא ליחידת מסה של חומר כדי לחמם את המוצר ליחידת טמפרטורה. ערך זה מסומן באות C והוא נמדד בג'אול חלקי קילוגרם לכל קלווין - J / (ק ג K). זה הכל על קיבולת החום המונית.
מהי קיבולת חום נפח?
נפח חום הוא כמות מסוימת של חום שצריך להוסיף ליחידת נפח של מוצר כדי לחמם אותו ליחידת טמפרטורה. מחוון זה נמדד בג'אול חלקי מטר מעוקב לקלווין או J / (m³ K). בספרי עיון רבים לבניינים, קיבולת החום הסגולית במסה בעבודה נחשבת.
יישום מעשי של קיבולת חום בענף הבנייה
חומרים עתירי חום רבים נמצאים בשימוש פעיל בבניית קירות עמידים בחום. זה חשוב ביותר עבור בתים המאופיינים בחימום תקופתי. למשל, תנור. מוצרים עתירי חום וקירות הבנויים מהם צוברים חום בצורה מושלמת, מאחסנים אותו בתקופות חימום ומשחררים חום בהדרגה לאחר כיבוימערכת, ובכך מאפשרת לשמור על טמפרטורה מקובלת לאורך כל היום.
לכן, ככל שיאוגר יותר חום במבנה, כך הטמפרטורה בחדרים תהיה נוחה ויציבה יותר.
ראוי לציין שלבנים ובטון רגילים המשמשים בבניית דיור יש יכולת חום נמוכה בהרבה מפוליסטירן מורחב. אם ניקח ecowool, אז הוא צורך חום פי שלושה מבטון. יש לציין כי בנוסחה לחישוב קיבולת החום, לא בכדי יש מסה. בשל המסה העצומה הגדולה של בטון או לבנים, בהשוואה ל-ecowool, הוא מאפשר צבירת כמויות אדירות של חום בקירות האבן של מבנים והחלקת כל תנודות הטמפרטורה היומיומיות. רק מסה קטנה של בידוד בכל בתי המסגרת, למרות יכולת החום הטובה, היא האזור החלש ביותר עבור כל טכנולוגיות המסגרת. כדי לפתור בעיה זו מותקנים מצברי חום מרשימים בכל הבתים. מה זה? אלו חלקים מבניים המאופיינים במסה גדולה עם מדד קיבולת חום טוב למדי.
דוגמאות של מצברי חום בחיים
מה זה יכול להיות? לדוגמה, סוג של קירות לבנים פנימיים, תנור גדול או אח, מגהץ בטון.
ריהוט בכל בית או דירה הוא מצבר חום מצוין, כי דיקט, סיבית ועץ יכולים למעשה לאגור חום רק לכל קילוגרם משקל פי שלושה מהלבנה הידועה לשמצה.
האם יש חסרונות בצוברי חום? כמובן, החיסרון העיקרי של גישה זו הואהעובדה שצובר החום צריך להיות מתוכנן בשלב של יצירת פריסת בית מסגרת. הכל בשל העובדה שהוא כבד מאוד, ויש לקחת זאת בחשבון בעת יצירת הבסיס, ואז לדמיין כיצד האובייקט הזה ישולב בפנים. ראוי לומר כי יש צורך לקחת בחשבון לא רק את המסה, יהיה צורך להעריך את שני המאפיינים בעבודה: מסה וקיבולת חום. לדוגמה, אם אתה משתמש בזהב במשקל מדהים של עשרים טון למטר מעוקב כמחסן חום, אז המוצר יתפקד כמו שצריך רק בעשרים ושלושה אחוז טוב יותר מקוביית בטון, ששוקלת שניים וחצי טון.
איזה חומר הכי מתאים לאחסון חום?
המוצר הטוב ביותר עבור מצבר חום אינו בטון ולבנים כלל! נחושת, ברונזה וברזל עושים עבודה טובה עם זה, אבל הם כבדים מאוד. באופן מוזר, אבל מצבר החום הטוב ביותר הוא מים! לנוזל יכולת חום מרשימה, הגדולה מבין החומרים העומדים לרשותנו. רק לגזי הליום (5190 J / (ק"ג K) ומימן (14300 J / (ק"ג K)) יש יותר קיבולת חום, אך הם בעייתיים ליישום בפועל. אם רוצים וצריכים, ראו טבלת קיבולת החום של החומרים שאתם צריך.
