La capacidad calorífica es la habilidad de absorber ciertas cantidades de calor durante el calentamiento o emitir cuando se enfría. La capacidad calorífica de un cuerpo es la relación entre una cantidad infinitesimal de calor que recibe un cuerpo y el aumento correspondiente en sus indicadores de temperatura. El valor se mide en J/K. En la práctica, se utiliza un valor ligeramente diferente: calor específico.
Definición
¿Qué significa calor específico? Esta es una cantidad relacionada con una sola cantidad de una sustancia. En consecuencia, la cantidad de una sustancia se puede medir en metros cúbicos, kilogramos o incluso en moles. ¿De qué depende? En física, la capacidad calorífica depende directamente de a qué unidad cuantitativa se refiere, lo que significa que se distingue entre capacidad calorífica molar, másica y volumétrica. En la industria de la construcción, no verá medidas molares, pero verá otras todo el tiempo.
¿Qué influye en la capacidad calorífica específica?
¿Qué es la capacidad calorífica? Ya sabes, pero aún no está claro qué valores afectan al indicador. El valor de la capacidad calorífica específica se ve afectado directamente por varios componentes:temperatura de la sustancia, presión y otras características termodinámicas.
A medida que aumenta la temperatura de un producto, aumenta su capacidad calorífica específica, pero ciertas sustancias exhiben una curva completamente no lineal en esta relación. Por ejemplo, con un aumento en los indicadores de temperatura de cero a treinta y siete grados, la capacidad calorífica específica del agua comienza a disminuir, y si el límite está entre treinta y siete y cien grados, entonces el indicador, por el contrario, lo hará. aumentar.
Vale la pena señalar que el parámetro también depende de cómo se permite que cambien las características termodinámicas del producto (presión, volumen, etc.). Por ejemplo, el calor específico a presión estable y a volumen estable serán diferentes.
¿Cómo calcular el parámetro?
¿Está interesado en saber cuál es la capacidad calorífica? La fórmula de cálculo es la siguiente: C \u003d Q / (m ΔT). ¿Cuáles son estos valores? Q es la cantidad de calor que recibe el producto cuando se calienta (o que libera el producto durante el enfriamiento). m es la masa del producto y ΔT es la diferencia entre las temperaturas final e inicial del producto. A continuación se muestra una tabla de la capacidad calorífica de algunos materiales.
¿Qué pasa con el cálculo de la capacidad calorífica?
Calcular la capacidad calorífica no es una tarea fácil, especialmente si solo se utilizan métodos termodinámicos, es imposible hacerlo con mayor precisión. Por lo tanto, los físicos utilizan los métodos de la física estadística o el conocimiento de la microestructura de los productos. ¿Cómo calcular el gas? Capacidad calorífica del gasse calcula a partir del cálculo de la energía media del movimiento térmico de las moléculas individuales de una sustancia. Los movimientos de las moléculas pueden ser de tipo traslacional y rotacional, y dentro de una molécula puede haber un átomo completo o vibración de átomos. La estadística clásica dice que por cada grado de libertad de los movimientos de rotación y traslación, existe un valor en la capacidad calorífica molar del gas, que es igual a R/2, y por cada grado de libertad vibracional, el valor es igual a R Esta regla también se llama la ley de equipartición.
Al mismo tiempo, una partícula de un gas monoatómico difiere en solo tres grados de libertad de traslación y, por lo tanto, su capacidad calorífica debe ser igual a 3R/2, lo que está en excelente acuerdo con el experimento. Cada molécula de gas diatómico tiene tres grados de libertad traslacionales, dos rotacionales y uno vibratorio, lo que significa que la ley de equipartición será 7R/2, y la experiencia ha demostrado que la capacidad calorífica de un mol de un gas diatómico a temperatura ordinaria es 5R/ 2. ¿Por qué había tal discrepancia en la teoría? Todo se debe a que a la hora de establecer la capacidad calorífica será necesario tener en cuenta diversos efectos cuánticos, es decir, utilizar estadísticas cuánticas. Como puede ver, la capacidad calorífica es un concepto bastante complicado.
La mecánica cuántica dice que cualquier sistema de partículas que oscilan o giran, incluida una molécula de gas, puede tener ciertos valores discretos de energía. Si la energía del movimiento térmico en el sistema instalado es insuficiente para excitar oscilaciones de la frecuencia requerida, entonces estas oscilaciones no contribuyen acapacidad calorífica del sistema.
En los sólidos, el movimiento térmico de los átomos es una oscilación débil cerca de ciertas posiciones de equilibrio, esto se aplica a los nodos de la red cristalina. Un átomo tiene tres grados de libertad vibratorios y, según la ley, la capacidad calorífica molar de un sólido es igual a 3nR, donde n es el número de átomos existentes en la molécula. En la práctica, este valor es el límite al que tiende la capacidad calorífica del cuerpo a altas temperaturas. El valor se logra con cambios de temperatura normales en muchos elementos, esto se aplica a los metales, así como a los compuestos simples. También se determina la capacidad calorífica del plomo y otras sustancias.
¿Qué pasa con las bajas temperaturas?
Ya sabemos qué es la capacidad calorífica, pero si hablamos de bajas temperaturas, ¿cómo se calculará entonces el valor? Si estamos hablando de indicadores de baja temperatura, entonces la capacidad calorífica de un cuerpo sólido resulta ser proporcional a T 3 o la llamada ley de capacidad calorífica de Debye. El criterio principal para distinguir las temperaturas altas de las bajas es la comparación habitual de las mismas con un parámetro característico de una sustancia en particular, que puede ser la temperatura característica o de Debye qD. El valor presentado lo establece el espectro de vibración de los átomos en el producto y depende significativamente de la estructura del cristal.
En los metales, los electrones de conducción contribuyen en cierta medida a la capacidad calorífica. Esta parte de la capacidad calorífica se calcula usandoEstadística de Fermi-Dirac, que tiene en cuenta los electrones. La capacidad calorífica electrónica de un metal, que es proporcional a la capacidad calorífica habitual, es un valor relativamente pequeño y contribuye a la capacidad calorífica del metal solo a temperaturas cercanas al cero absoluto. Entonces la capacidad calorífica de la red se vuelve muy pequeña y puede despreciarse.
Capacidad calorífica total
El calor específico de masa es la cantidad de calor que debe llevarse a una unidad de masa de una sustancia para calentar el producto por unidad de temperatura. Este valor se denota con la letra C y se mide en julios divididos por un kilogramo por kelvin - J / (kg K). Esto se trata de la capacidad calorífica de la masa.
¿Qué es la capacidad calorífica volumétrica?
La capacidad calorífica por volumen es una cierta cantidad de calor que debe agregarse a una unidad de volumen de un producto para calentarlo por unidad de temperatura. Este indicador se mide en julios divididos por un metro cúbico por kelvin o J / (m³ K). En muchos libros de referencia sobre construcción, lo que se considera es la capacidad calorífica específica de masa en el trabajo.
Aplicación práctica de la capacidad calorífica en la industria de la construcción
Muchos materiales intensivos en calor se utilizan activamente en la construcción de paredes resistentes al calor. Esto es extremadamente importante para casas que se caracterizan por calefacción periódica. Por ejemplo, horno. Los productos intensivos en calor y las paredes construidas con ellos acumulan perfectamente el calor, lo almacenan durante los períodos de tiempo de calefacción y lo liberan gradualmente después de apagarsesistema, permitiendo así mantener una temperatura aceptable durante todo el día.
Entonces, cuanto más calor se almacene en la estructura, más cómoda y estable será la temperatura en las habitaciones.
Vale la pena señalar que el ladrillo y el hormigón ordinarios utilizados en la construcción de viviendas tienen una capacidad calorífica mucho menor que el poliestireno expandido. Si tomamos ecowool, entonces consume tres veces más calor que el concreto. Cabe señalar que en la fórmula para calcular la capacidad calorífica, no en vano hay masa. Debido a la gran masa de hormigón o ladrillo, en comparación con la lana ecológica, permite acumular grandes cantidades de calor en las paredes de piedra de las estructuras y suavizar todas las fluctuaciones diarias de temperatura. Solo una pequeña masa de aislamiento en todas las casas de armazón, a pesar de la buena capacidad calorífica, es el área más débil para todas las tecnologías de armazón. Para resolver este problema, se instalan impresionantes acumuladores de calor en todas las casas. ¿Lo que es? Son piezas estructurales que se caracterizan por una gran masa con un índice de capacidad calorífica bastante bueno.
Ejemplos de acumuladores de calor en la vida real
¿Qué podría ser? Por ejemplo, algún tipo de paredes internas de ladrillo, una estufa o chimenea grande, soleras de hormigón.
Los muebles en cualquier casa o departamento son excelentes acumuladores de calor, porque el contrachapado, el aglomerado y la madera en realidad pueden almacenar calor solo por kilogramo de peso tres veces más que el notorio ladrillo.
¿Hay alguna desventaja en los acumuladores de calor? Por supuesto, la principal desventaja de este enfoque esel hecho de que el acumulador de calor debe diseñarse en la etapa de creación de un diseño de casa de madera. Todo debido al hecho de que es muy pesado, y esto deberá tenerse en cuenta al crear la base, y luego imagine cómo se integrará este objeto en el interior. Vale la pena decir que es necesario tener en cuenta no solo la masa, será necesario evaluar ambas características en el trabajo: masa y capacidad calorífica. Por ejemplo, si usa oro con un peso increíble de veinte toneladas por metro cúbico como almacenamiento de calor, entonces el producto funcionará como debería solo un veintitrés por ciento mejor que un cubo de hormigón, que pesa dos toneladas y media.
¿Qué sustancia es la más adecuada para almacenar calor?
¡El mejor producto para un acumulador de calor no es el hormigón ni el ladrillo! El cobre, el bronce y el hierro hacen un buen trabajo, pero son muy pesados. Por extraño que parezca, ¡pero el mejor acumulador de calor es el agua! El líquido tiene una capacidad calorífica impresionante, la más grande entre las sustancias disponibles para nosotros. Solo los gases de helio (5190 J / (kg K) e hidrógeno (14300 J / (kg K)) tienen más capacidad calorífica, pero su aplicación en la práctica es problemática. Si lo desea y es necesario, consulte la tabla de capacidad calorífica de las sustancias que desee. necesidad.
