Теплоемкость воды и пара. Определение и применение

Сегодня расскажем о том, что такое теплоемкость (воды в том числе), каких видов она бывает и где используется этот физический термин. Также покажем, насколько полезно значение этой величины для воды и пара, зачем нужно ее знать и как она влияет на нашу повседневную жизнь.

Понятие теплоемкости

Эта физическая величина настолько часто используется в окружающем мире и науке, что прежде всего надо рассказать о ней. Самое первое определение потребует от читателя некоторой подготовленности как минимум в дифференциалах. Итак, теплоемкость тела определяется в физике как отношение приращений бесконечно малого количества теплоты к соответствующему ему бесконечно малому количеству температуры.

Количество теплоты

Что такое температура, так или иначе, понимают почти все. Напомним, что «количество теплоты» – не просто словосочетание, а термин, обозначающий ту энергию, которую тело теряет или приобретает при обмене с окружающей средой. Измеряется эта величина в калориях. Данная единица знакома всем женщинам, которые сидят на диетах. Дорогие дамы, теперь вы знаете, что сжигаете на беговой дорожке и чему равен каждый съеденный (или оставленный на тарелке) кусок еды. Таким образом, любое тело, чья температура изменяется, испытывает увеличение или уменьшение количества теплоты. Соотношение этих величин и есть теплоемкость.

Применение теплоемкости

Однако строгое определение рассматриваемого нами физического понятия достаточно редко используется само по себе. Выше мы говорили, что оно весьма часто применяется в повседневной жизни. Те, кто в школе физику не любили, сейчас, наверное, недоумевают. А мы приподнимем завесу тайны и расскажем, что горячая (и даже холодная) вода в кране и в трубах отопления появляется только благодаря расчетам теплоемкости.

Погодные условия, которые определяют, можно ли уже открыть купальный сезон или пока стоит остаться на берегу, тоже учитывают эту величину. Любой прибор, связанный с нагревом или охлаждением (масляный радиатор, холодильник), все затраты на энергию при приготовлении еды (например, в кафе) или уличного мягкого мороженого оказываются под влиянием этих расчетов. Как можно понять, речь идет о такой величине, как теплоемкость воды. Глупо было бы предполагать, что это делают продавцы и обычные потребители, а вот инженеры, проектировщики, производители все учли и вложили соответствующие параметры в бытовую технику. Однако расчеты теплоемкости используются гораздо шире: в гидротурбинах и производстве цементов, в испытаниях сплавов для самолетов или железнодорожных составов, при строительстве, плавке, охлаждении. Даже исследования космоса опираются на формулы, содержащие эту величину.

Виды теплоемкости

Итак, во всех практических применениях используют относительную или удельную теплоемкость. Она определяется как количество теплоты (заметьте, никаких бесконечно малых величин), необходимое, чтобы нагреть единицу количества вещества на один градус. Градусы по шкале Кельвина и Цельсия совпадают, однако в физике принято называть эту величину в первых единицах. В зависимости от того, как выражается единица количества вещества, различают массовую, объемную и молярную удельную теплоемкости. Напомним, что один моль – это такое количество вещества, которое содержит примерно шесть на десять в двадцать третьей степени молекул. В зависимости от задачи применяется соответствующая теплоемкость, их обозначение в физике различно. Массовая теплоемкость обозначается как С и выражается в Дж/кг*К, объемная – С` (Дж/м³*К), молярная – С_μ (Дж/моль*К).

Идеальный газ

Если решается задача об идеальном газе, то для него выражение другое. Напомним, у этого несуществующего в реальности вещества атомы (или молекулы) не взаимодействуют между собой. Данное качество кардинально меняет любые свойства идеального газа. Поэтому традиционные подходы к расчетам не дадут нужного результата. Идеальный газ нужен как модель для описания электронов в металле, например. Его теплоемкость определяется как число степеней свободы частиц, из которых он состоит.

Агрегатное состояние

Кажется, что для вещества все физические характеристики одинаковы во всех условиях. Но это не так. При переходе в другое агрегатное состояние (при таянии и замерзании льда, при испарении или застывании расплавленного алюминия), эта величина меняется рывком. Таким образом, теплоемкость воды и водяного пара различаются. Как мы увидим ниже, значительно. Эта разница сильно влияет на использование как жидкого, так и газообразного составляющего этого вещества.

Отопление и теплоемкость

Как уже заметил читатель, чаще всего в реальном мире фигурирует теплоемкость воды. Она источник жизни, без нее наше существование невозможно. Она нужна человеку. Поэтому с древних времен до современности всегда стояла задача доставки воды в дома и на производства или поля. Хорошо тем странам, у которых круглый год положительная температура. Древние римляне строили акведуки, чтобы снабжать этим ценным ресурсом свои города. А вот там, где есть зима, этот способ не подошел бы. Лед, как известно, имеет больший удельный объем, чем вода. Это значит, что, замерзая в трубах, она их разрушает вследствие расширения. Таким образом, перед инженерами центрального отопления и доставки горячей и холодной воды в дома стоит задача – как этого избежать.

Теплоемкость воды при учете длины труб даст необходимую температуру, до которой надо нагреть котлы. Однако зимы у нас бывают очень холодными. А при ста градусах Цельсия уже происходит кипение. В данной ситуации на помощь приходит удельная теплоемкость водяного пара. Как уже отмечалось выше, агрегатное состояние меняет эту величину. Ну а в котлах, которые несут нашим домам тепло, находится сильно перегретый пар. Из-за того, что у него высокая температура, он создает невероятное давление, поэтому котлы и ведущие к ним трубы должны быть очень прочными. В данном случае даже маленькая дырочка, совсем небольшая утечка способны привести к взрыву. Теплоемкость воды зависит от температуры, причем нелинейно. То есть для нагревания ее с двадцати до тридцати градусов потребуется другое количество энергии, чем, скажем, со ста пятидесяти до ста шестидесяти.

При любых действиях, которые затрагивают нагревание воды, это стоит учитывать, особенно если речь идет о больших объемах. Теплоемкость пара, как и многие его свойства, зависит от давления. При той же температуре, что и жидкое состояние, газообразное обладает почти в четыре раза меньшей теплоемкостью.

Водяное охлаждение

Выше мы привели много примеров о том, зачем требуется нагревать воду и как при этом необходимо учитывать величину теплоемкости. Однако мы еще не рассказали, что среди всех доступных ресурсов планеты эта жидкость обладает достаточно высоким показателем затраты энергии на нагревание. Данное свойство часто применяется для охлаждения.

Так как теплоемкость воды высока, то она эффективно и быстро заберет излишки энергии. Применяется это на производствах, в высокотехнологичном оборудовании (например, в лазерах). Да и дома мы наверняка знаем, что самый эффективный способ охладить сваренные вкрутую яйца или горячую сковородку – ополоснуть под холодной струей из-под крана.

А принцип действия атомных ядерных реакторов вообще строится на высокой теплоемкости воды. Горячая зона, как уже видно из названия, имеет невероятно высокую температуру. Нагреваясь сама, вода тем самым охлаждает систему, не давая реакции выйти из-под контроля. Таким образом, мы получаем необходимую электроэнергию (нагретый пар вращает турбины), и не происходит катастрофы.