ความจุความร้อนคือความสามารถในการดูดซับความร้อนจำนวนหนึ่งในระหว่างการให้ความร้อนหรือปล่อยออกเมื่อเย็นลง ความจุความร้อนของร่างกายคืออัตราส่วนของความร้อนจำนวนเล็กน้อยที่ร่างกายได้รับต่อการเพิ่มขึ้นของตัวบ่งชี้อุณหภูมิที่สอดคล้องกัน ค่าถูกวัดเป็น J/K ในทางปฏิบัติ ใช้ค่าที่แตกต่างกันเล็กน้อย - ความร้อนจำเพาะ
คำจำกัดความ
ความร้อนจำเพาะหมายความว่าอย่างไร? นี่คือปริมาณที่เกี่ยวข้องกับปริมาณของสารเดียว ดังนั้น ปริมาณของสารสามารถวัดได้เป็นลูกบาศก์เมตร กิโลกรัม หรือแม้แต่ในโมล มันขึ้นอยู่กับอะไร? ในวิชาฟิสิกส์ ความจุความร้อนขึ้นอยู่กับหน่วยเชิงปริมาณโดยตรง ซึ่งหมายความว่าความจุความร้อนเหล่านี้แยกความแตกต่างระหว่างความจุความร้อนโมลาร์ มวล และปริมาตร ในอุตสาหกรรมก่อสร้าง คุณจะไม่เห็นการวัดขนาดฟันกราม แต่คุณจะเห็นค่าอื่นๆ ตลอดเวลา
สิ่งที่มีอิทธิพลต่อความจุความร้อนจำเพาะ
ความจุความร้อนคืออะไร รู้ไหม แต่ค่าที่ส่งผลต่อตัวบ่งชี้ยังไม่ชัดเจน ค่าความจุความร้อนจำเพาะได้รับผลกระทบโดยตรงจากส่วนประกอบหลายอย่าง:อุณหภูมิของสาร ความดัน และลักษณะทางอุณหพลศาสตร์อื่นๆ
เมื่ออุณหภูมิของผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้น ความจุความร้อนจำเพาะจะเพิ่มขึ้น แต่สารบางชนิดแสดงเส้นโค้งที่ไม่เป็นเส้นตรงในความสัมพันธ์นี้ ตัวอย่างเช่น เมื่อตัวบ่งชี้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นจากศูนย์เป็น 37 องศา ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำเริ่มลดลง และหากขีดจำกัดอยู่ระหว่าง 37 ถึง 100 องศา ในทางกลับกัน ตัวบ่งชี้จะ เพิ่มขึ้น
เป็นที่น่าสังเกตว่าพารามิเตอร์ยังขึ้นอยู่กับลักษณะทางอุณหพลศาสตร์ของผลิตภัณฑ์ (ความดัน ปริมาตร และอื่นๆ) ที่ได้รับอนุญาตให้เปลี่ยนแปลงได้ ตัวอย่างเช่น ความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่และที่ปริมาตรคงที่จะแตกต่างกัน
วิธีคำนวณพารามิเตอร์
สนใจความจุความร้อนเท่าไหร่คะ? สูตรการคำนวณมีดังนี้: C \u003d Q / (m ΔT) ค่าเหล่านี้คืออะไร? Q คือปริมาณความร้อนที่ผลิตภัณฑ์ได้รับเมื่อได้รับความร้อน (หรือปล่อยโดยผลิตภัณฑ์ระหว่างการทำความเย็น) m คือมวลของผลิตภัณฑ์ และ ΔT คือความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิสุดท้ายและอุณหภูมิเริ่มต้นของผลิตภัณฑ์ ด้านล่างเป็นตารางความจุความร้อนของวัสดุบางชนิด
แล้วการคำนวณความจุความร้อนล่ะ
การคำนวณความจุความร้อนไม่ใช่เรื่องง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากใช้เฉพาะวิธีทางเทอร์โมไดนามิกส์เท่านั้น ก็ไม่สามารถทำได้อย่างแม่นยำมากขึ้น ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงใช้วิธีฟิสิกส์สถิติหรือความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างจุลภาคของผลิตภัณฑ์ วิธีการคำนวณก๊าซ? ความจุความร้อนของแก๊สคำนวณจากการคำนวณพลังงานเฉลี่ยของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของแต่ละโมเลกุลในสาร การเคลื่อนที่ของโมเลกุลสามารถเป็นแบบแปลและหมุนได้ และภายในโมเลกุลอาจมีทั้งอะตอมหรือการสั่นสะเทือนของอะตอม สถิติคลาสสิกระบุว่าสำหรับแต่ละระดับของอิสระในการหมุนและการเคลื่อนที่เชิงแปล มีค่าในความจุความร้อนโมลของก๊าซ ซึ่งเท่ากับ R / 2 และสำหรับระดับความอิสระในการสั่นสะเทือนแต่ละระดับ ค่าจะเท่ากับ R กฎนี้เรียกอีกอย่างว่ากฎหมายว่าด้วยการแบ่งส่วน
ในขณะเดียวกัน อนุภาคของก๊าซโมโนอะตอมมีความแตกต่างกันเพียงสามองศาอิสระในการแปล ดังนั้นความจุความร้อนของมันจึงควรเท่ากับ 3R/2 ซึ่งสอดคล้องกับการทดลองอย่างดีเยี่ยม โมเลกุลของก๊าซไดอะตอมแต่ละตัวมีการแปลสามแบบ การหมุนสองครั้งและหนึ่งองศาอิสระในการสั่นสะเทือน ซึ่งหมายความว่ากฎการเท่ากันทุกประการจะเป็น 7R/2 และประสบการณ์ได้แสดงให้เห็นว่าความจุความร้อนของโมลของก๊าซไดอะตอมที่อุณหภูมิปกติคือ 5R/ 2. ทำไมจึงมีความคลาดเคลื่อนในทางทฤษฎี? ทุกอย่างเกิดจากความจริงที่ว่าเมื่อสร้างความจุความร้อนจะต้องคำนึงถึงเอฟเฟกต์ควอนตัมต่าง ๆ กล่าวคือใช้สถิติควอนตัม อย่างที่คุณเห็น ความจุความร้อนเป็นแนวคิดที่ค่อนข้างซับซ้อน
กลศาสตร์ควอนตัมกล่าวว่าระบบของอนุภาคใดๆ ที่แกว่งหรือหมุน ซึ่งรวมถึงโมเลกุลของแก๊สสามารถมีค่าพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องได้ หากพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนในระบบที่ติดตั้งไม่เพียงพอที่จะกระตุ้นการสั่นของความถี่ที่ต้องการ การสั่นเหล่านี้จะไม่ส่งผลต่อความจุความร้อนของระบบ
ในของแข็ง การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอะตอมเป็นการสั่นที่อ่อนแอใกล้กับตำแหน่งสมดุลบางตำแหน่ง ซึ่งจะมีผลกับโหนดของโครงตาข่ายคริสตัล อะตอมมีระดับความอิสระในการสั่นสะเทือนสามระดับ และตามกฎหมาย ความจุความร้อนโมลาร์ของของแข็งเท่ากับ 3nR, โดยที่ n คือจำนวนอะตอมที่มีอยู่ในโมเลกุล ในทางปฏิบัติ ค่านี้เป็นขีดจำกัดที่ความจุความร้อนของร่างกายมีแนวโน้มที่อุณหภูมิสูง ค่านี้ได้มาจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิปกติในองค์ประกอบหลายอย่าง ซึ่งใช้ได้กับโลหะและสารประกอบทั่วไป นอกจากนี้ยังกำหนดความจุความร้อนของตะกั่วและสารอื่นๆ
อุณหภูมิต่ำเป็นอย่างไร
เรารู้แล้วว่าความจุความร้อนคืออะไร แต่ถ้าพูดถึงอุณหภูมิต่ำแล้วจะคำนวณค่าได้อย่างไร? หากเรากำลังพูดถึงตัวบ่งชี้อุณหภูมิต่ำ ความจุความร้อนของวัตถุแข็งจะกลายเป็นสัดส่วนกับ T 3 หรือที่เรียกว่ากฎหมายความจุความร้อนของ Debye เกณฑ์หลักในการแยกแยะอุณหภูมิสูงจากอุณหภูมิต่ำคือการเปรียบเทียบตามปกติกับพารามิเตอร์ลักษณะเฉพาะสำหรับสารเฉพาะ ซึ่งอาจเป็นลักษณะเฉพาะหรืออุณหภูมิ Debye qD ค่าที่นำเสนอถูกกำหนดโดยสเปกตรัมการสั่นสะเทือนของอะตอมในผลิตภัณฑ์และขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลึกอย่างมีนัยสำคัญ
ในโลหะ อิเล็กตรอนนำไฟฟ้ามีส่วนทำให้เกิดความจุความร้อน ความจุความร้อนส่วนนี้คำนวณโดยใช้สถิติ Fermi-Dirac ซึ่งคำนึงถึงอิเล็กตรอน ความจุความร้อนแบบอิเล็กทรอนิกส์ของโลหะซึ่งแปรผันตามความจุความร้อนปกติเป็นค่าที่ค่อนข้างน้อย และมีส่วนทำให้ความจุความร้อนของโลหะมีเฉพาะที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้น จากนั้นความจุความร้อนตาข่ายจะเล็กมากและสามารถละเลยได้
ความจุความร้อนมวล
ความร้อนจำเพาะมวลคือปริมาณความร้อนที่ต้องทำให้มีมวลหน่วยของสารเพื่อให้ความร้อนต่อผลิตภัณฑ์ต่ออุณหภูมิหน่วย ค่านี้แสดงด้วยตัวอักษร C และวัดเป็นจูลหารด้วยกิโลกรัมต่อเคลวิน - J / (กก. K) นี่คือทั้งหมดที่เกี่ยวกับความจุความร้อนมวล
ความจุความร้อนเชิงปริมาตรคืออะไร
ความจุความร้อนของปริมาตรคือความร้อนจำนวนหนึ่งที่ต้องเพิ่มในปริมาตรหนึ่งหน่วยของผลิตภัณฑ์เพื่อให้ความร้อนต่อหน่วยอุณหภูมิ ตัวบ่งชี้นี้วัดเป็นจูลหารด้วยลูกบาศก์เมตรต่อเคลวินหรือ J / (m³ K) ในหนังสืออ้างอิงอาคารหลายๆ เล่ม จะพิจารณาความจุความร้อนจำเพาะมวลในที่ทำงาน
การประยุกต์ใช้ความจุความร้อนในทางปฏิบัติในอุตสาหกรรมก่อสร้าง
วัสดุที่ใช้ความร้อนสูงจำนวนมากถูกนำมาใช้อย่างแข็งขันในการสร้างผนังทนความร้อน นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับบ้านที่มีความร้อนเป็นระยะ ตัวอย่างเช่นเตาอบ ผลิตภัณฑ์และผนังที่เน้นความร้อนมากจะสะสมความร้อนไว้อย่างสมบูรณ์ เก็บไว้ในช่วงระยะเวลาการให้ความร้อน และค่อยๆ ปล่อยความร้อนหลังจากปิดเครื่องระบบจึงช่วยให้รักษาอุณหภูมิที่ยอมรับได้ตลอดทั้งวัน
ยิ่งเก็บความร้อนในโครงสร้างมากเท่าไหร่ อุณหภูมิในห้องก็จะยิ่งสบายและเสถียรมากขึ้นเท่านั้น
ควรสังเกตว่าอิฐธรรมดาและคอนกรีตที่ใช้ในการก่อสร้างที่อยู่อาศัยมีความจุความร้อนต่ำกว่าโพลีสไตรีนที่ขยายตัวมาก หากเราใช้อีโควูล มันจะกินความร้อนมากกว่าคอนกรีตถึงสามเท่า ควรสังเกตว่าในสูตรการคำนวณความจุความร้อนนั้นไม่ไร้ประโยชน์ที่มีมวล เนื่องจากคอนกรีตหรืออิฐมีมวลมหาศาล เมื่อเปรียบเทียบกับอีโควูล จะทำให้เกิดการสะสมความร้อนจำนวนมากในผนังหินของโครงสร้าง และทำให้ความผันผวนของอุณหภูมิในแต่ละวันเป็นไปอย่างราบรื่น ฉนวนกันความร้อนเพียงเล็กน้อยในโครงบ้านทุกหลัง แม้ว่าจะมีความจุความร้อนที่ดี แต่ก็เป็นพื้นที่ที่อ่อนแอที่สุดสำหรับเทคโนโลยีเฟรมทั้งหมด เพื่อแก้ปัญหานี้ บ้านทุกหลังจึงติดตั้งตัวสะสมความร้อนที่น่าประทับใจ มันคืออะไร? เหล่านี้เป็นชิ้นส่วนโครงสร้างที่มีมวลขนาดใหญ่และมีดัชนีความจุความร้อนค่อนข้างดี
ตัวอย่างเครื่องสะสมความร้อนในชีวิต
มันจะเป็นอะไรไป? ตัวอย่างเช่น ผนังอิฐภายในบางชนิด เตาหรือเตาผิงขนาดใหญ่ ปาดคอนกรีต
เฟอร์นิเจอร์ในบ้านหรืออพาร์ตเมนต์ทุกหลังเป็นตัวสะสมความร้อนที่ดีเยี่ยม เพราะไม้อัด แผ่นไม้อัด และไม้สามารถเก็บความร้อนได้จริงต่อน้ำหนัก 1 กิโลกรัม มากกว่าอิฐฉาวโฉ่ถึง 3 เท่า
มีข้อเสียในตัวสะสมความร้อนหรือไม่? แน่นอนว่าข้อเสียเปรียบหลักของวิธีนี้คือความจริงที่ว่าตัวสะสมความร้อนจะต้องได้รับการออกแบบในขั้นตอนของการสร้างเค้าโครงบ้านแบบเฟรม ทั้งหมดเกิดจากการที่มันหนักมากและสิ่งนี้จะต้องนำมาพิจารณาเมื่อสร้างรากฐานแล้วลองจินตนาการว่าวัตถุนี้จะรวมเข้ากับการตกแต่งภายในได้อย่างไร เป็นมูลค่าที่กล่าวว่าจำเป็นต้องคำนึงถึงมวลไม่เพียง แต่จะต้องประเมินทั้งสองลักษณะในการทำงาน: มวลและความจุความร้อน ตัวอย่างเช่น หากคุณใช้ทองคำที่มีน้ำหนักมากอย่างไม่น่าเชื่อ 20 ตันต่อลูกบาศก์เมตรในการจัดเก็บความร้อน ผลิตภัณฑ์จะทำงานตามที่ควรดีกว่าก้อนคอนกรีตเพียง 23 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น ซึ่งมีน้ำหนักสองตันครึ่ง
สารชนิดใดเหมาะที่สุดสำหรับเก็บความร้อน
ผลิตภัณฑ์ที่ดีที่สุดสำหรับตัวสะสมความร้อนไม่ใช่คอนกรีตและอิฐเลย! ทองแดง ทองแดง และเหล็กทำงานได้ดี แต่หนักมาก ผิดปกติพอสมควร แต่ตัวสะสมความร้อนที่ดีที่สุดคือน้ำ! ของเหลวมีความจุความร้อนที่น่าประทับใจ ซึ่งใหญ่ที่สุดในบรรดาสารที่มีสำหรับเรา เฉพาะก๊าซฮีเลียม (5190 J / (kg K) และไฮโดรเจน (14300 J / (kg K)) เท่านั้นที่มีความจุความร้อนมากขึ้น แต่ก็มีปัญหาในการใช้งานในทางปฏิบัติ หากต้องการและจำเป็น โปรดดูตารางความจุความร้อนของสารที่คุณ ต้องการ