Агрегатное состояние и теплоемкость

Агрегатное состояние тела влияет на его теплоемкость. Известно, что при переходе тела из твердого состояния в жидкое теплоемкость увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела:

С_р = (dН/dТ)

где Н — энтальпия (внутренняя энергия тела при Р = соnst)

Если сравнивать удельные теплоемкости разных веществ с одинаковыми химическими соединениями в различных агрегатных состояниях, то их значения будут очень близки. Главным фактором является химический состав. Приведем некоторые результаты сравнительной оценки:

- газы (за исключением инертных), такие, как воздух, кислород, водород и азот, имеют равную удельную теплоемкость с ~ 0,92 кДж/кг°С, т.е. как у известняка;

- жидкости ряда от бензола (с = 1,35 кДж/кг^.оС — минимальное значение) до этилового спирта (с = 2,42 кДж/кг^.оС — максимальное значение) имеют примерно такую же удельную теплоемкость, как органические полимерные материалы ряда от пенопластов (с = 1,26 кДж/кг^.°С) до древесины (с = 2,30 кДж/кг^.оС). У металлов даже крайние значения «с» для жидкости (ртуть) и твердого тела (свинец) равны и составляют всего 0,13 кДж/кг^.°С.

Необходимо отметить аномально высокую удельную теплоемкость воды: с = 4,18 кДж/кг что следует учитывать при проектировании и расчете тепловых установок для сушки и тепловлажностной обработки строительных материалов. Увлажнение материалов приводит к значительному повышению их удельной теплоемкости и, как следствие, к увеличению расхода энергии при тепловой обработке.

Удельную теплоемкость влажных материалов рассчитывают по формуле

с = (с_о + с_в^. 0,0IW) / (1+0,01W);

где с_о — удельная теплоемкость материала в сухом состоянии, кДж/кг°С;

с_в — удельная теплоемкость воды, кДж/кг°С;

W - влажность материала, % по массе.

Теплоемкость и ее практическое использование

Теплоемкость тела учитывают:

- при изучении строения веществ и их свойств;

- исследовании фазовых переходов и критических явлений;

- расчете суммарного количества примеси в веществе;

- определении тепловых эффектов химических реакций.

Выражая, например, С_p = (ΔH /ΔТ) в дифференциальной форме ΔС_p = [d(ΔH)/dT], получаем уравнение Кирхгофа: общее изменение теплоемкости системы в результате реакции есть разность сумм теплоемкостей продуктов реакции и исходных веществ:

ΔС_p = Σn^.ΔC_p^пр- Σm^.ΔС_р^ив;

где n и m — количество исходных веществ и продуктов реакции.

Тепловой эффект реакции в зависимости от температуры определяется из уравнения

ΔH = ΔH₂ – ΔH₁ или ΔH = ∫ ΔС_p dT.

Уравнение Кирхгофа позволяет вычислить тепловой эффект реакции при любой температуре, исходя из известных величин теплового эффекта реакции при какой-либо температуре и изменения теплоемкости процесса. Чем больше ΔС_p тем в большей степени температура влияет на тепловой эффект реакции.

Удельная теплоемкость с является также важнейшей характеристикой при расчете тепловых потерь ограждающих конструкций и составлении балансов тепловых агрегатов.

Следует заметить, что теплоемкость, так же, как и плотность, не зависит от анизотропии кристаллов.

Тепловое расширение

Основные понятия, термины, определения

Тепловое расширение — это физическое свойство вещества и материала, характеризующееся изменением размеров тела в процессе его нагревания.

С точки зрения термодинамики тепловое расширение следует рассматривать как изобарический процесс, при котором теплота при нагревании затрачивается на производство работы по расширению и на увеличение внутренней энергии тела. Количественно оно характеризуется изобарным коэффициентом расширения или коэффициентом объемного теплового расширения β:

β = (1/ V)(dV/dТ)_p,

где: V — объем тела (твердого, жидкого или газообразного);

Т — его абсолютная температура.

Практически значение β определяется по формуле:

β = (V₁ –V₂)/V₁(T₂-T₁);

где: Т₁ и Т₂ — температуры соответственно до и после нагревания;

V₁ и V₂ — объемы тела соответственно при Т₁ и Т₂.