السعة الحرارية هي القدرة على امتصاص كميات معينة من الحرارة أثناء التسخين أو تنبعث منها عند التبريد. السعة الحرارية للجسم هي نسبة كمية الحرارة المتناهية الصغر التي يتلقاها الجسم إلى الزيادة المقابلة في مؤشرات درجة الحرارة. تقاس القيمة بـ J / K. في الممارسة العملية ، يتم استخدام قيمة مختلفة قليلاً - حرارة محددة.
التعريف
ماذا تعني الحرارة النوعية؟ هذه كمية مرتبطة بكمية واحدة من مادة ما. وفقًا لذلك ، يمكن قياس كمية المادة بالأمتار المكعبة أو الكيلوجرامات أو حتى بالمولات. على ماذا تعتمد؟ في الفيزياء ، تعتمد السعة الحرارية بشكل مباشر على الوحدة الكمية التي تشير إليها ، مما يعني أنها تميز بين السعة الحرارية المولية والكتلة والحجمية. في صناعة البناء ، لن ترى قياسات الأضراس ، لكنك سترى قياسات أخرى طوال الوقت.
ما الذي يؤثر على السعة الحرارية المحددة؟
ما هي السعة الحرارية ، كما تعلم ، لكن القيم التي تؤثر على المؤشر ليست واضحة بعد. تتأثر قيمة السعة الحرارية المحددة بشكل مباشر بعدة مكونات:درجة حرارة المادة والضغط وخصائص الديناميكا الحرارية الأخرى.
مع زيادة درجة حرارة المنتج ، تزداد سعته الحرارية المحددة ، لكن بعض المواد تظهر منحنى غير خطي تمامًا في هذه العلاقة. على سبيل المثال ، مع زيادة مؤشرات درجة الحرارة من صفر إلى 37 درجة ، تبدأ السعة الحرارية النوعية للماء في الانخفاض ، وإذا كان الحد بين 37 ومائة درجة ، فإن المؤشر ، على العكس من ذلك ، سوف زيادة
تجدر الإشارة إلى أن المعلمة تعتمد أيضًا على كيفية السماح بتغيير الخصائص الديناميكية الحرارية للمنتج (الضغط والحجم وما إلى ذلك). على سبيل المثال ، ستكون الحرارة النوعية عند الضغط المستقر والحجم المستقر مختلفة.
كيف تحسب المعلمة؟
هل انت مهتم بما هي السعة الحرارية؟ صيغة الحساب كالتالي: C \u003d Q / (m ΔT). ما هي هذه القيم؟ Q هي كمية الحرارة التي يتلقاها المنتج عند تسخينه (أو إطلاقه بواسطة المنتج أثناء التبريد). m كتلة المنتج ، و T هو الفرق بين درجة الحرارة الأولية ودرجة الحرارة النهائية للمنتج. يوجد أدناه جدول السعة الحرارية لبعض المواد.
ماذا عن حساب السعة الحرارية؟
حساب السعة الحرارية ليس بالمهمة السهلة ، خاصة إذا تم استخدام الطرق الديناميكية الحرارية فقط ، فمن المستحيل القيام بذلك بشكل أكثر دقة. لذلك ، يستخدم الفيزيائيون طرق الفيزياء الإحصائية أو معرفة البنية المجهرية للمنتجات. كيف تحسب الغاز؟ السعة الحرارية للغازيتم حسابها من حساب متوسط طاقة الحركة الحرارية للجزيئات الفردية في مادة ما. يمكن أن تكون حركات الجزيئات من النوع الانتقالي والدوراني ، ويمكن أن توجد داخل الجزيء ذرة كاملة أو اهتزاز ذرات. تقول الإحصائيات الكلاسيكية أنه لكل درجة من درجات حرية الحركة الدورانية والترجمة ، توجد قيمة في السعة الحرارية المولية للغاز ، والتي تساوي R / 2 ، ولكل درجة اهتزازية من الحرية ، تكون القيمة مساوية لـ R وتسمى هذه القاعدة أيضًا قانون التقسيم.
في نفس الوقت ، يختلف جزيء الغاز الأحادي بثلاث درجات فقط من الحرية ، وبالتالي يجب أن تكون سعته الحرارية مساوية لـ 3R / 2 ، وهو ما يتوافق بشكل ممتاز مع التجربة. يحتوي كل جزيء غاز ثنائي الذرة على ثلاث درجات انتقالية ودرجتين دورانيتين ودرجة اهتزازية واحدة ، مما يعني أن قانون التقسيم المتساوي سيكون 7R / 2 ، وقد أظهرت التجربة أن السعة الحرارية لخلد غاز ثنائي الذرة عند درجة حرارة عادية هي 5R / 2. لماذا كان هناك مثل هذا التناقض من الناحية النظرية؟ كل شيء يرجع إلى حقيقة أنه عند إنشاء السعة الحرارية ، سيكون من الضروري مراعاة التأثيرات الكمية المختلفة ، وبعبارة أخرى ، لاستخدام الإحصائيات الكمية. كما ترون ، السعة الحرارية مفهوم معقد نوعًا ما.
ميكانيكا الكم تقول أن أي نظام من الجسيمات التي تتأرجح أو تدور ، بما في ذلك جزيء الغاز ، يمكن أن يكون لها قيم طاقة منفصلة معينة. إذا كانت طاقة الحركة الحرارية في النظام المركب غير كافية لإثارة اهتزازات التردد المطلوب ، فإن هذه التذبذبات لا تساهم فيالسعة الحرارية للنظام
في المواد الصلبة ، تعتبر الحركة الحرارية للذرات تذبذبًا ضعيفًا بالقرب من مواضع توازن معينة ، وهذا ينطبق على عقد الشبكة البلورية. تتمتع الذرة بثلاث درجات اهتزازية من الحرية ، ووفقًا للقانون ، فإن السعة الحرارية المولية للمادة الصلبة تساوي 3nR ، حيث n هو عدد الذرات الموجودة في الجزيء. من الناحية العملية ، هذه القيمة هي الحد الذي تميل إليه السعة الحرارية للجسم عند درجات حرارة عالية. تتحقق القيمة مع تغيرات درجة الحرارة العادية في العديد من العناصر ، وهذا ينطبق على المعادن ، وكذلك المركبات البسيطة. يتم أيضًا تحديد السعة الحرارية للرصاص والمواد الأخرى.
ماذا عن درجات الحرارة المنخفضة؟
نعلم بالفعل ما هي السعة الحرارية ، لكن إذا تحدثنا عن درجات حرارة منخفضة ، فكيف سيتم حساب القيمة إذن؟ إذا كنا نتحدث عن مؤشرات درجات الحرارة المنخفضة ، فإن السعة الحرارية لجسم صلب يتبين أن السعة الحرارية لجسم صلب تتناسب مع T3أو ما يسمى بقانون ديباي للسعة الحرارية. المعيار الرئيسي للتمييز بين درجات الحرارة المرتفعة والدرجات المنخفضة هو المقارنة المعتادة بينها بمعامل مميز لمادة معينة - يمكن أن تكون هذه الخاصية أو درجة حرارة ديباي qD. يتم تعيين القيمة المعروضة بواسطة طيف اهتزاز الذرات في المنتج وتعتمد بشكل كبير على التركيب البلوري.
في المعادن ، تساهم إلكترونات التوصيل مساهمة معينة في السعة الحرارية. يتم حساب هذا الجزء من السعة الحرارية باستخدامإحصائيات فيرمي ديراك ، والتي تأخذ الإلكترونات في الاعتبار. السعة الحرارية الإلكترونية للمعدن ، والتي تتناسب مع السعة الحرارية المعتادة ، هي قيمة صغيرة نسبيًا ، وتساهم في السعة الحرارية للمعدن فقط عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. ثم تصبح السعة الحرارية للشبكة صغيرة جدًا ويمكن إهمالها.
السعة الحرارية الجماعية
الحرارة النوعية للكتلة هي كمية الحرارة التي يجب إحضارها إلى وحدة كتلة من مادة لتسخين المنتج لكل وحدة درجة حرارة. يُشار إلى هذه القيمة بالحرف C ويتم قياسها بالجول مقسومًا على كيلوغرام لكل كلفن - J / (كجم K). هذا هو كل شيء عن السعة الحرارية الجماعية.
ما هي السعة الحرارية الحجمية؟
السعة الحرارية للحجم هي كمية معينة من الحرارة يجب إضافتها إلى وحدة حجم المنتج من أجل تسخينها لكل وحدة درجة حرارة. يُقاس هذا المؤشر بالجول مقسومًا على متر مكعب لكل كلفن أو J / (m³ K). في العديد من كتب المراجع الخاصة بالبناء ، تعتبر السعة الحرارية النوعية للكتلة في العمل هي التي تؤخذ في الاعتبار.
تطبيق عملي للسعة الحرارية في صناعة البناء
العديد من المواد كثيفة الحرارة تستخدم بنشاط في بناء الجدران المقاومة للحرارة. هذا مهم للغاية بالنسبة للمنازل التي تتميز بالتدفئة الدورية. على سبيل المثال ، الفرن. تعمل المنتجات والجدران كثيفة الحرارة المبنية منها على تجميع الحرارة بشكل مثالي وتخزينها أثناء فترات التسخين وإطلاق الحرارة تدريجياً بعد إيقاف التشغيلمما يسمح بالحفاظ على درجة حرارة مقبولة طوال اليوم.
لذا ، كلما زادت الحرارة المخزنة في الهيكل ، كلما كانت درجة الحرارة في الغرف أكثر راحة واستقرارًا.
تجدر الإشارة إلى أن الطوب العادي والخرسانة المستخدمة في بناء المساكن لها سعة حرارية أقل بكثير من البوليسترين الموسع. إذا أخذنا ecowool ، فإنه يستهلك حرارة أكثر بثلاث مرات من الخرسانة. وتجدر الإشارة إلى أنه في معادلة حساب السعة الحرارية ، ليس عبثًا وجود كتلة. نظرًا للكتلة الضخمة من الخرسانة أو الطوب ، بالمقارنة مع ecowool ، فإنه يسمح بتراكم كميات هائلة من الحرارة في الجدران الحجرية للهياكل وتخفيف جميع التقلبات اليومية في درجات الحرارة. فقط كتلة صغيرة من العزل في جميع المنازل الهيكلية ، على الرغم من السعة الحرارية الجيدة ، هي أضعف منطقة لجميع تقنيات الهياكل. لحل هذه المشكلة ، تم تركيب مراكم حرارة رائعة في جميع المنازل. ما هذا؟ هذه أجزاء هيكلية تتميز بكتلة كبيرة مع مؤشر سعة حرارية جيد إلى حد ما.
أمثلة على المراكم الحرارية في الحياة
ماذا يمكن أن يكون؟ على سبيل المثال ، نوع من الجدران الداخلية من الطوب ، موقد كبير أو مدفأة ، قدد خرسانية.
الأثاث في أي منزل أو شقة هو تراكم ممتاز للحرارة ، لأن الخشب الرقائقي واللوح والخشب يمكن أن يخزن في الواقع الحرارة فقط لكل كيلوغرام من الوزن أكثر بثلاث مرات من الطوب سيئ السمعة.
هل هناك عيوب في المراكم الحرارية؟ بطبيعة الحال ، فإن العيب الرئيسي لهذا النهج هوحقيقة أن تراكم الحرارة يحتاج إلى التصميم في مرحلة إنشاء تخطيط منزل الإطار. كل ذلك يرجع إلى حقيقة أنه ثقيل جدًا ، وسيتعين أخذ ذلك في الاعتبار عند إنشاء الأساس ، ثم تخيل كيف سيتم دمج هذا الكائن في الداخل. تجدر الإشارة إلى أنه من الضروري مراعاة ليس فقط الكتلة ، بل سيكون من الضروري تقييم كلتا الخاصيتين في العمل: الكتلة والحرارة. على سبيل المثال ، إذا كنت تستخدم الذهب بوزن لا يُصدق يبلغ عشرين طنًا لكل متر مكعب كمخزن للحرارة ، فسيعمل المنتج كما يجب أن يكون أفضل بنسبة 23 بالمائة فقط من مكعب الخرسانة ، الذي يزن طنين ونصف طن.
ما هي المادة الأنسب لتخزين الحرارة؟
أفضل منتج للمراكم الحراري ليس الخرسانة والطوب على الإطلاق! يقوم النحاس والبرونز والحديد بعمل جيد في هذا الأمر ، لكنها ثقيلة جدًا. الغريب أن الماء هو أفضل مجمع للحرارة! يتمتع السائل بقدرة حرارية مذهلة ، وهي الأكبر بين المواد المتاحة لنا. فقط غازات الهليوم (5190 جول / (كجم كلفن) والهيدروجين (14300 جول / (كجم كلفن)) تتمتع بسعة حرارية أكبر ، ولكن من الصعب تطبيقها عمليًا. إذا رغبت في ذلك وضروريًا ، راجع جدول السعة الحرارية للمواد التي تحتاجها حاجة
