Dalam artikel singkat ini kita akan membahas secara singkat salah satu sifat terpenting air bagi planet kita, yaitu Kapasitas panas.
Kapasitas panas spesifik air
Mari kita buat interpretasi singkat tentang istilah ini:
Kapasitas panas suatu zat adalah kemampuannya mengakumulasi panas. Nilai ini diukur dengan jumlah panas yang diserapnya ketika dipanaskan sebesar 1°C. Misalnya, kapasitas panas air adalah 1 kal/g, atau 4,2 J/g, dan kapasitas panas tanah pada 14,5-15,5°C (tergantung pada jenis tanah) berkisar antara 0,5 hingga 0,6 kal (2 ,1 -2,5 J) per satuan volume dan dari 0,2 hingga 0,5 kal (atau 0,8-2,1 J) per satuan massa (gram).
Kapasitas panas air mempunyai dampak yang signifikan terhadap banyak aspek kehidupan kita, namun pada materi kali ini kita akan fokus pada perannya dalam pembentukan rezim suhu planet kita, yaitu...
Kapasitas panas air dan iklim bumi
Kapasitas panas air dengan caranya sendiri nilai mutlak Cukup besar. Dari definisi di atas kita melihat bahwa kapasitas panas tanah di planet kita jauh melebihi kapasitas panasnya. Karena perbedaan kapasitas panas ini, tanah, dibandingkan dengan perairan lautan di dunia, memanas lebih cepat dan, karenanya, mendingin lebih cepat. Berkat lautan yang lebih lembam, fluktuasi suhu harian dan musiman di bumi tidak sebesar jika tidak ada samudra dan lautan. Artinya, pada musim dingin, air menghangatkan bumi, dan pada musim panas mendinginkannya. Tentu saja, pengaruh ini paling terlihat di daerah pesisir, namun dalam dimensi rata-rata global, hal ini berdampak pada seluruh planet.
Secara alami, fluktuasi suhu harian dan musiman dipengaruhi oleh banyak faktor, namun air adalah salah satu faktor terpenting.
Peningkatan amplitudo fluktuasi suhu harian dan musiman akan mengubah dunia di sekitar kita secara radikal.
Misalnya, semua orang baik-baik saja fakta yang diketahui— batu kehilangan kekuatannya dan menjadi rapuh selama fluktuasi suhu yang tajam. Tentu saja, kita sendiri akan “agak” berbeda. Minimal parameter fisik tubuh kita akan berbeda.
Sifat anomali kapasitas panas air
Kapasitas panas air memiliki sifat yang tidak normal. Ternyata seiring dengan peningkatan suhu air, kapasitas panasnya menurun; dinamika ini berlanjut hingga 37°C;
Fakta ini mengandung satu pernyataan menarik. Secara relatif, alam sendiri, dalam bentuk Air, telah menetapkan 37°C sebagai suhu paling nyaman bagi tubuh manusia, asalkan semua faktor lainnya diperhatikan. Untuk setiap dinamika perubahan suhu lingkungan Suhu air cenderung 37°C.
Tabel tersebut menunjukkan sifat termofisik uap air pada garis saturasi tergantung suhu. Sifat-sifat uap diberikan dalam tabel dalam kisaran suhu dari 0,01 hingga 370°C.
Setiap suhu berhubungan dengan tekanan di mana uap air berada dalam keadaan jenuh. Misalnya, pada suhu uap air 200°C, tekanannya akan menjadi 1,555 MPa atau sekitar 15,3 atm.
Kapasitas panas spesifik uap, konduktivitas termal, dan uap meningkat seiring dengan kenaikan suhu. Kepadatan uap air juga meningkat. Uap air menjadi panas, berat dan kental, dengan kapasitas panas spesifik yang tinggi, yang berdampak positif pada pemilihan uap sebagai pendingin pada beberapa jenis penukar panas.
Misalnya, menurut tabel, panas spesifik uap air C hal pada suhu 20°C adalah 1877 J/(kg derajat), dan bila dipanaskan sampai 370°C, kapasitas panas uap meningkat hingga nilai 56520 J/(kg derajat).
Tabel berikut menunjukkan sifat termofisik uap air pada garis saturasi:
- tekanan uap pada suhu tertentu hal·10 -5, Pa;
- kepadatan uap ρ″ , kg/m 3 ;
- entalpi spesifik (massa). H", kJ/kg;
- R, kJ/kg;
- kapasitas panas spesifik uap C hal, kJ/(kg derajat);
- koefisien konduktivitas termal λ·10 2, W/(m derajat);
- koefisien difusivitas termal a·10 6, m 2 /dtk;
- viskositas dinamis μ·10 6, Pa·s;
- viskositas kinematik ν·10 6, m 2 /dtk;
- Nomor Prandtl PR.
Panas spesifik penguapan, entalpi, difusivitas termal, dan viskositas kinematik uap air menurun seiring dengan meningkatnya suhu. Viskositas dinamis dan bilangan Prandtl uap meningkat.
Hati-hati! Konduktivitas termal dalam tabel ditunjukkan dengan pangkat 10 2. Jangan lupa bagi dengan 100! Misalnya, konduktivitas termal uap pada suhu 100°C adalah 0,02372 W/(m derajat).
Konduktivitas termal uap air pada berbagai suhu dan tekanan
Tabel menunjukkan nilai konduktivitas termal air dan uap air pada suhu 0 hingga 700°C dan tekanan 0,1 hingga 500 atm. Dimensi konduktivitas termal W/(m derajat).
Garis di bawah nilai pada tabel artinya transisi fase air menjadi uap, yaitu angka di bawah garis menunjukkan uap, dan angka di atasnya menunjukkan air. Berdasarkan tabel terlihat bahwa nilai koefisien dan uap air semakin besar seiring dengan meningkatnya tekanan.
Catatan: konduktivitas termal dalam tabel ditunjukkan dalam pangkat 10 3. Jangan lupa bagi dengan 1000!
Konduktivitas termal uap air pada suhu tinggi
Tabel menunjukkan nilai konduktivitas termal uap air terdisosiasi dalam dimensi W/(m derajat) pada suhu 1400 hingga 6000 K dan tekanan 0,1 hingga 100 atm.
Berdasarkan tabel, konduktivitas termal uap air pada suhu tinggi meningkat secara nyata sekitar 3000...5000 K. Pada nilai-nilai tinggi tekanan, koefisien konduktivitas termal maksimum dicapai pada suhu yang lebih tinggi.
Hati-hati! Konduktivitas termal dalam tabel ditunjukkan dengan pangkat 10 3. Jangan lupa bagi dengan 1000!
Air adalah salah satu zat yang paling menakjubkan. Meskipun penggunaannya tersebar luas dan luas, namun demikian sebuah misteri yang nyata alam. Sebagai salah satu senyawa oksigen, air tampaknya memiliki karakteristik yang sangat rendah seperti pembekuan, panas penguapan, dll. Namun hal ini tidak terjadi. Kapasitas panas air saja, bagaimanapun juga, sangatlah tinggi.
Air mampu menyerap panas dalam jumlah besar, namun praktis tidak memanas - inilah miliknya fitur fisik. air kira-kira lima kali lebih tinggi dari kapasitas panas pasir, dan sepuluh kali lebih tinggi dari kapasitas panas besi. Oleh karena itu, air merupakan pendingin alami. Kemampuannya untuk terakumulasi sejumlah besar energi memungkinkan untuk menghaluskan fluktuasi suhu di permukaan bumi dan mengatur rezim termal di seluruh planet, dan ini terjadi kapan pun sepanjang tahun.
Ini properti unik air memungkinkan untuk digunakan sebagai pendingin di industri dan di rumah. Selain itu, air merupakan bahan baku yang banyak tersedia dan relatif murah.
Apa yang dimaksud dengan kapasitas panas? Sebagaimana diketahui dari mata kuliah termodinamika, perpindahan panas selalu terjadi dari benda panas ke benda dingin. Di mana yang sedang kita bicarakan tentang perpindahan sejumlah panas, dan suhu kedua benda, yang merupakan karakteristik keadaannya, menunjukkan arah pertukaran ini. Dalam proses tubuh logam dengan air massa yang sama pada suhu awal yang sama, logam mengubah suhunya beberapa kali lebih banyak daripada air.
Jika kita mengambil pernyataan dasar termodinamika sebagai postulat - dua benda (terisolasi dari yang lain), selama pertukaran panas, yang satu melepaskan dan yang lain menerima jumlah panas yang sama, maka menjadi jelas bahwa logam dan air memiliki panas yang sama sekali berbeda. kapasitas.
Jadi, kapasitas panas air (dan juga zat apa pun) merupakan indikator yang mencirikan kemampuan suatu zat untuk memberi (atau menerima) sesuatu ketika didinginkan (dipanaskan) per satuan suhu.
Kapasitas kalor jenis suatu zat adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan satu satuan zat tersebut (1 kilogram) sebesar 1 derajat.
Jumlah kalor yang dilepaskan atau diserap suatu benda sama dengan hasil kali kapasitas kalor jenis, massa, dan perbedaan suhu. Itu diukur dalam kalori. Satu kalori sama dengan jumlah panas yang cukup untuk memanaskan 1 g air sebesar 1 derajat. Sebagai perbandingan: kapasitas kalor jenis udara adalah 0,24 kal/g ∙°C, aluminium - 0,22, besi - 0,11, merkuri - 0,03.
Kapasitas panas air tidak konstan. Ketika suhu meningkat dari 0 hingga 40 derajat, suhunya sedikit menurun (dari 1,0074 menjadi 0,9980), sedangkan untuk semua zat lain, karakteristik ini meningkat selama pemanasan. Selain itu, dapat berkurang seiring dengan meningkatnya tekanan (di kedalaman).
Seperti yang Anda ketahui, air memiliki tiga keadaan agregasi - cair, padat (es) dan gas (uap). Pada saat yang sama, kapasitas panas spesifik es kira-kira 2 kali lebih rendah dibandingkan air. Inilah perbedaan utama antara air dan zat lain, yang nilai kalor jenisnya tidak berubah dalam wujud padat dan cair. Apa rahasianya?
Faktanya es memiliki struktur kristal yang tidak langsung hancur saat dipanaskan. Air mengandung partikel es kecil yang terdiri dari beberapa molekul yang disebut asosiasi. Ketika air dipanaskan, sebagiannya dihabiskan untuk penghancuran ikatan hidrogen dalam formasi ini. Hal ini menjelaskan kapasitas panas air yang luar biasa tinggi. Ikatan antar molekulnya hancur total hanya ketika air berubah menjadi uap.
Kapasitas kalor jenis pada suhu 100° C hampir tidak berbeda dengan kapasitas kalor jenis es pada suhu 0° C. Hal ini sekali lagi menegaskan kebenarannya. penjelasan ini. Kapasitas panas uap, seperti kapasitas panas es, saat ini dipelajari jauh lebih baik daripada air, yang mana para ilmuwan belum mencapai konsensus.
Hari ini kita akan membahas tentang apa itu kapasitas panas (termasuk air), apa saja jenisnya, dan di mana istilah fisika ini digunakan. Kami juga akan menunjukkan betapa bermanfaatnya nilai ini bagi air dan uap, mengapa Anda perlu mengetahuinya dan bagaimana pengaruhnya terhadap kehidupan kita sehari-hari.
Konsep kapasitas panas
Ini kuantitas fisik ini sering digunakan di dunia luar dan sains sehingga pertama-tama kita perlu membicarakannya. Definisi pertama mengharuskan pembaca untuk mempunyai kesiapan, setidaknya dalam hal perbedaan. Jadi, kapasitas panas suatu benda didefinisikan dalam fisika sebagai rasio kenaikan jumlah panas yang sangat kecil terhadap jumlah suhu yang sangat kecil.
Jumlah panas
Hampir semua orang memahami apa itu suhu, dengan satu atau lain cara. Mari kita ingat kembali bahwa “jumlah panas” bukan hanya sebuah ungkapan, namun sebuah istilah yang menunjukkan energi yang hilang atau diperoleh tubuh sebagai akibat dari lingkungan. Nilai ini diukur dalam kalori. Satuan ini akrab bagi semua wanita yang sedang diet. Para wanita terkasih, sekarang Anda tahu apa yang Anda bakar di treadmill dan berapa nilai setiap makanan yang Anda makan (atau tinggalkan di piring Anda). Jadi, setiap benda yang suhunya berubah akan mengalami peningkatan atau penurunan jumlah panas. Perbandingan besaran-besaran ini adalah kapasitas panas.
Penerapan kapasitas panas
Namun definisi yang ketat dipertimbangkan oleh kami konsep fisik sangat jarang digunakan sendiri. Kami katakan di atas bahwa ini sangat sering digunakan Kehidupan sehari-hari. Mereka yang tidak menyukai fisika di sekolah mungkin sekarang bingung. Dan kami akan membuka tabir kerahasiaan dan memberi tahu Anda bahwa air panas (dan bahkan dingin) di keran dan pipa pemanas hanya muncul berkat perhitungan kapasitas panas.
Kondisi cuaca, yang menentukan apakah musim berenang sudah bisa dibuka atau layak untuk tetap berada di pantai untuk saat ini, juga mempertimbangkan nilai ini. Perangkat apa pun yang terkait dengan pemanasan atau pendinginan (radiator oli, lemari es), semua biaya energi saat menyiapkan makanan (misalnya, di kafe) atau es krim sajian ringan di jalanan dipengaruhi oleh perhitungan ini. Seperti yang dapat Anda pahami, kita berbicara tentang besaran seperti kapasitas panas air. Adalah bodoh untuk berasumsi bahwa hal ini dilakukan oleh penjual dan konsumen biasa, tetapi para insinyur, perancang, dan produsen memperhitungkan semuanya dan memasukkan parameter yang sesuai ke dalam peralatan rumah tangga. Namun, penghitungan kapasitas panas digunakan lebih luas: dalam turbin hidrolik dan produksi semen, dalam pengujian paduan untuk pesawat terbang atau kereta api, dalam konstruksi, peleburan, dan pendinginan. Bahkan eksplorasi luar angkasa pun mengandalkan formula yang mengandung nilai tersebut.
Jenis kapasitas panas
Jadi, secara keseluruhan aplikasi praktis menggunakan kapasitas panas relatif atau spesifik. Ini didefinisikan sebagai jumlah panas (perhatikan, tidak ada jumlah yang sangat kecil) yang diperlukan untuk memanaskan sejumlah satuan zat sebesar satu derajat. Derajat pada skala Kelvin dan Celcius adalah sama, tetapi dalam fisika nilai ini biasa disebut dalam satuan pertama. Bergantung pada bagaimana satuan kuantitas suatu zat dinyatakan, massa, volume, dan kapasitas panas spesifik molar dibedakan. Ingatlah bahwa satu mol adalah jumlah zat yang mengandung kira-kira enam sampai sepuluh pangkat dua puluh tiga molekul. Tergantung pada tugasnya, kapasitas panas yang sesuai digunakan; sebutannya dalam fisika berbeda. Kapasitas kalor massa dinyatakan sebagai C dan dinyatakan dalam J/kg*K, kapasitas kalor volumetrik adalah C` (J/m 3 *K), kapasitas kalor molar adalah C μ (J/mol*K).
gas ideal
Jika persoalan gas ideal diselesaikan, maka persamaannya akan berbeda. Mari kita ingat bahwa dalam zat ini, yang pada kenyataannya tidak ada, atom (atau molekul) tidak berinteraksi satu sama lain. Kualitas ini secara radikal mengubah sifat-sifat gas ideal. Oleh karena itu, pendekatan perhitungan tradisional tidak akan memberikan hasil yang diinginkan. gas ideal diperlukan sebagai model untuk mendeskripsikan elektron dalam logam, misalnya. Kapasitas panasnya didefinisikan sebagai jumlah derajat kebebasan partikel penyusunnya.
Keadaan agregasi
Tampaknya semuanya untuk substansi karakter fisik adalah sama pada semua kondisi. Tapi itu tidak benar. Saat pindah ke yang lain keadaan agregasi(selama pencairan dan pembekuan es, selama penguapan atau pemadatan aluminium cair), nilai ini berubah secara tiba-tiba. Jadi, kapasitas panas air dan uap air berbeda. Seperti yang akan kita lihat di bawah, secara signifikan. Perbedaan ini sangat mempengaruhi penggunaan komponen cair dan gas dari zat ini.
Kapasitas pemanasan dan panas
Seperti yang telah diketahui pembaca, paling sering di dunia nyata kapasitas panas air muncul. Dia adalah sumber kehidupan, tanpa dia keberadaan kita tidak mungkin. Seseorang membutuhkannya. Oleh karena itu, sejak dahulu kala hingga saat ini, tugas mengalirkan air ke rumah, industri atau ladang selalu menjadi tantangan. Baik bagi negara-negara yang memilikinya sepanjang tahun suhu positif. Bangsa Romawi kuno membangun saluran air untuk memasok sumber daya berharga ini ke kota mereka. Namun jika musim dingin, metode ini tidak cocok. Es diketahui memiliki volume spesifik lebih besar dibandingkan air. Artinya ketika membeku di dalam pipa, ia akan menghancurkannya karena pemuaian. Jadi, di hadapan para insinyur pemanas sentral dan pengiriman panas dan air dingin Tantangan di rumah adalah bagaimana menghindari hal ini.
Kapasitas panas air, dengan mempertimbangkan panjang pipa, akan memberikan suhu yang diperlukan untuk memanaskan boiler. Namun, musim dingin di negara kita bisa sangat dingin. Dan pada suhu seratus derajat Celcius, sudah terjadi perebusan. Dalam situasi ini, kapasitas panas spesifik uap air berperan penting. Seperti disebutkan di atas, keadaan agregasi mengubah nilai ini. Nah, ketel uap yang membawa panas ke rumah kita mengandung uap super panas. Karena mempunyai suhu yang tinggi sehingga menimbulkan tekanan yang luar biasa, sehingga boiler dan pipa-pipa yang menuju ke sana harus sangat tahan lama. DI DALAM pada kasus ini walaupun lubangnya kecil, kebocoran yang sangat kecil dapat menyebabkan ledakan. Kapasitas panas air bergantung pada suhu, dan bersifat nonlinier. Artinya, memanaskannya dari dua puluh menjadi tiga puluh derajat akan membutuhkan jumlah energi yang berbeda dibandingkan, katakanlah, dari seratus lima puluh menjadi seratus enam puluh derajat.
Untuk tindakan apa pun yang melibatkan pemanasan air, hal ini harus diperhitungkan, terutama jika menyangkut volume besar. Kapasitas panas uap, seperti banyak sifat lainnya, bergantung pada tekanan. Pada suhu yang sama dengan keadaan cair, gas memiliki kapasitas panas hampir empat kali lebih sedikit.
Di atas kami telah memberikan banyak contoh mengapa air perlu dipanaskan dan bagaimana perlu memperhitungkan besarnya kapasitas panas. Namun, kami belum memberi tahu Anda bahwa di antara semua sumber daya yang tersedia di planet ini, cairan ini memiliki jumlah yang cukup tingkat tinggi biaya energi untuk pemanasan. Properti ini sering digunakan untuk pendinginan.
Karena kapasitas panas air tinggi, maka air akan menyerap kelebihan energi secara efektif dan cepat. Ini digunakan dalam produksi, pada peralatan berteknologi tinggi (misalnya, pada laser). Dan di rumah kita mungkin paling tahu itu metode yang efektif dinginkan telur rebus atau penggorengan panas - bilas dengan air keran dingin.
Dan prinsip pengoperasian reaktor nuklir atom umumnya didasarkan pada kapasitas panas air yang tinggi. Zona panas, seperti namanya, memiliki suhu yang luar biasa tinggi. Dengan memanaskan dirinya sendiri, air mendinginkan sistem, mencegah reaksi menjadi tidak terkendali. Dengan demikian, kita mendapatkan listrik yang diperlukan (uap panas memutar turbin), dan tidak ada bencana yang terjadi.
Entalpi adalah sifat suatu zat yang menunjukkan jumlah energi yang dapat diubah menjadi panas.Entalpi- Ini properti termodinamika zat yang menunjukkan tingkat energi, diawetkan dalam struktur molekulnya. Artinya, meskipun suatu zat mempunyai energi berdasarkan , tidak semuanya dapat diubah menjadi panas. Bagian energi dalam selalu tertinggal dalam substansi dan mempertahankan struktur molekulnya. Beberapa zat tidak dapat diakses ketika suhunya mendekati suhu lingkungan. Karena itu, entalpi adalah jumlah energi yang tersedia untuk diubah menjadi panas pada suhu dan tekanan tertentu. Satuan entalpi- Satuan termal British atau joule untuk energi dan Btu/lbm atau J/kg untuk energi spesifik.
Kuantitas entalpi
Kuantitas entalpi materi berdasarkan suhu tertentu. Suhu ini- inilah nilai yang dipilih oleh para ilmuwan dan insinyur sebagai dasar perhitungan. Ini adalah suhu di mana entalpi suatu zat adalah nol J. Dengan kata lain, zat tersebut tidak memiliki energi yang dapat diubah menjadi panas. Suhu ini adalah berbagai zat berbeda. Misalnya, suhu air ini adalah titik tripel (0 °C), nitrogen -150 °C, dan zat pendingin berbahan dasar metana dan etana adalah -40 °C.Jika suhu suatu zat lebih tinggi dari suhu tertentu atau berubah wujud menjadi gas pada suhu tertentu, entalpinya dinyatakan nomor positif. Sebaliknya, pada suhu di bawah suhu tersebut, entalpi suatu zat dinyatakan sebagai bilangan negatif. Entalpi digunakan dalam perhitungan untuk menentukan perbedaan tingkat energi antara dua keadaan. Hal ini diperlukan untuk menyiapkan peralatan dan menentukan efek menguntungkan dari proses tersebut.
Entalpi sering didefinisikan sebagai energi total materi, karena sama dengan jumlah energi dalam (u) in negara bagian ini beserta kemampuannya dalam menyelesaikan pekerjaan (pv). Namun kenyataannya, entalpi tidak menunjukkan energi total suatu zat pada suhu tertentu di atas nol mutlak(-273°C). Oleh karena itu, alih-alih mendefinisikan entalpi sebagai panas total suatu zat, lebih tepat didefinisikan sebagai total energi yang tersedia suatu zat yang dapat diubah menjadi panas.
H = U + pV
