Вспоминаем физику – что такое теплоемкость воды? Свойства теплоемкость воды

таблицы при различных температуре и давлении

Приведены таблицы значений удельной теплоемкости воды h3O и водяного пара в зависимости от температуры и давления. В первой таблице дана удельная теплоемкость воды в жидком состоянии при нормальном атмосферном давлении и температуре от 0,1 до 100°С.

Во второй таблице значения теплоемкости указаны в интервале температуры от 0 до 800°С и давлении от 0,1 до 100 бар. Вода в этих условиях может находится в жидком или газообразном состоянии, поскольку с понижением давления и (или) с ростом температуры она переходит в пар.

Жидкая вода обладает значительной величиной массовой удельной теплоемкости, по сравнению с другими жидкостями. При атмосферном давлении и температуре до 100°С она находится в виде жидкости и ее теплоемкость изменяется в диапазоне от 4174 до 4220 Дж/(кг·град).

При температуре 20 градусов Цельсия и нормальном атмосферном давлении удельная теплоемкость воды равна 4183 Дж/(кг·град). При температуре 100°С эта величина достигает значения 4220 Дж/(кг·град).

Изменение давления и температуры воды существенно влияет на ее удельную теплоемкость. Зависимость теплоемкости воды от температуры при атмосферном давлении не линейна. При нагревании воды до 30°С теплоемкость уменьшается, затем в интервале температуры 30…40°С значение этой величины остается практически постоянным (следует отметить, что в этом диапазоне температуры вода обладает наименьшей теплоемкостью). При температуре выше 40°С ее удельная теплоемкость увеличивается и достигает своего максимума при температуре кипения.

Удельная теплоемкость воды при температуре 0,1…100°С t, °С 0,1 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Cp, Дж/(кг·град) t, °С 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Cp, Дж/(кг·град)

4217	4191	4187	4183	4179	4174	4174	4174	4177	4181
4182	4182	4185	4187	4191	4195	4202	4208	4214	4220

Если продолжить нагрев воды до перехода ее в пар, то тогда, при дальнейшем нагреве пара при атмосферном давлении, величина теплоемкости будет снижаться до некоторого предела, а затем снова начнет увеличиваться. Эта точка перегиба кривой теплоемкости определяется значениями соответствующих температуры и давления.

Как видно по данным в таблице, с повышением давления удельная теплоемкость воды уменьшается, но увеличивается также и температура кипения воды, например, при давлении в 100 бар (атмосфер) она находится в жидком состоянии даже при температуре 300°С. Удельная теплоемкость воды при этом составляет величину 5700 Дж/(кг·град). При продолжении нагрева воды, например до 320°С, она переходит в пар, который имеет большую теплоемкость.

Однако, при низких давлениях, вода начинает кипеть и переходит в пар при температурах гораздо ниже 100°С. Например, по данным таблицы, при давлении 0,1 бар и температуре 50°С, вода уже находится в виде водяного пара и его теплоемкость при этих условиях составляет величину, равную 1929 Дж/(кг·град).

Таблица значений удельной теплоемкости воды и водяного пара ↓ t, °С | P, бар → 0,1 1 10 20 40 60 80 100

0	4218	4217	4212	4207	4196	4186	4176	4165
50	1929	4181	4179	4176	4172	4167	4163	4158
100	1910	2038	4214	4211	4207	4202	4198	4194
120	1913	2007	4243	4240	4235	4230	4226	4221
140	1918	1984	4283	4280	4275	4269	4263	4258
160	1926	1977	4337	4334	4327	4320	4313	4307
180	1933	1974	2613	4403	4395	4386	4378	4370
200	1944	1975	2433	4494	4483	4472	4461	4450
220	1954	1979	2316	2939	4601	4586	4571	4557
240	1964	1985	2242	2674	4763	4741	4720	4700
260	1976	1993	2194	2505	3582	4964	4932	4902
280	1987	2001	2163	2395	3116	4514	5250	5200
300	1999	2010	2141	2321	2834	3679	5310	5700
320	2011	2021	2126	2268	2649	3217	4118	5790
340	2024	2032	2122	2239	2536	2943	3526	4412
350	2030	2038	2125	2235	2504	2861	3350	4043
360	2037	2044	2127	2231	2478	2793	3216	3769
365	2040	2048	2128	2227	2462	2759	3134	3655
370	2043	2050	2128	2222	2446	2725	3072	3546
375	2046	2053	2127	2218	2428	2690	3018	3446
380	2049	2056	2127	2212	2412	2657	2964	3356
385	2052	2059	2126	2207	2396	2627	2913	3274
390	2056	2061	2125	2202	2381	2600	2867	3201
395	2059	2065	2125	2200	2369	2575	2826	3137
400	2062	2068	2126	2197	2358	2553	2789	3078
405	2066	2071	2127	2195	2349	2534	2756	3025
410	2069	2074	2128	2193	2340	2517	2727	2979
415	2072	2077	2129	2192	2334	2501	2700	2936
420	2076	2080	2131	2192	2327	2487	2675	2898
425	2079	2083	2132	2190	2321	2474	2653	2863
430	2082	2086	2134	2190	2316	2462	2632	2830
440	2089	2093	2138	2190	2307	2441	2596	2773
450	2095	2099	2141	2191	2300	2424	2565	2726
460	2102	2106	2146	2192	2294	2409	2538	2684
480	2116	2119	2154	2196	2286	2385	2496	2618
500	2129	2132	2164	2201	2281	2368	2464	2569
520	2142	2146	2175	2208	2280	2357	2441	2531
540	2156	2159	2185	2216	2280	2349	2423	2502
560	2170	2173	2197	2226	2285	2349	2416	2487
580	2184	2187	2208	2233	2285	2342	2401	2465
600	2198	2200	2219	2240	2287	2336	2389	2445
620	2212	2213	2230	2250	2291	2334	2381	2431
640	2226	2227	2243	2260	2298	2337	2379	2423
660	2240	2241	2256	2272	2307	2343	2381	2421
680	2254	2255	2270	2286	2317	2352	2388	2424
700	2268	2270	2283	2299	2330	2362	2398	2429
800	2339	2341	2352	2364	2389	2414	2440	2465

Примечание: В таблице синим цветом показаны значения удельной массовой теплоемкости воды в жидком состоянии, а черным – значения теплоемкости водяного пара.

Источники:

Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи.
Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей

thermalinfo.ru

Вспоминаем физику – что такое теплоемкость воды?

ода является одним из самых удивительных веществ. Несмотря на широкое распространение и повсеместное использование, она – настоящая загадка природы. Являясь одним из соединений кислорода, вода, казалось бы, должна иметь совсем низкими такие характеристики, как температуры кипения и замерзания, теплота парообразования и т. п. Но этого не происходит. Одна лишь теплоемкость воды, вопреки всему, чрезвычайно высока.

Вода способна поглощать огромное количество тепла, сама при этом практически не нагреваясь – в этом ее физическая особенность. Удельная теплоемкость воды выше теплоемкости песка примерно в пять раз, и в десять раз – железа. Поэтому вода является природным охладителем. Ее свойство накапливать большое количество энергии позволяет сглаживать колебания температуры на поверхности Земли и регулировать тепловой режим в рамках всей планеты, причем происходит это независимо от времени года.

Это уникальное свойство воды позволяет использовать ее в качестве охлаждающего вещества в промышленности и в быту. К тому же вода является общедоступным и сравнительно дешевым сырьем.

Что же понимается под теплоемкостью? Как известно из курса термодинамики, передача тепла происходит всегда от горячего к холодному телу. При этом речь идет о переходе определенного количества тепла, а температура обоих тел, являясь характеристикой их состояния, показывает направление этого обмена. В процессе теплообмена, например, металлического тела с водой равной массы при одинаковых исходных температурах металл меняет свою температуру в несколько раз больше воды.

Если принять за постулат основное утверждение термодинамики – из двух тел (изолированных от прочих), при теплообмене одно отдает, а другое получает равное количество тепла, то становится ясно, что у металла и воды совершенно разная теплоемкость.

Таким образом, теплоемкость воды (как и любого вещества) – это показатель, характеризующий способность данного вещества отдавать (или получать) какое-то количество теплоты при остывании (нагреве) на единицу температуры.

Удельной теплоемкостью вещества считается количество тепла, требуемое для того, чтобы нагреть единицу этого вещества (1 килограмм) на 1 градус.

Количество тепла, выделяемое или поглощаемое телом, равно произведению величин удельной теплоемкости, массы и разности температур. Измеряется оно в калориях. Одна калория – именно то количество тепла, которого достаточно, чтобы нагреть 1 г воды на 1 градус. Для сравнения: удельная теплоемкость воздуха – 0.24 кал/г ∙°С, алюминия – 0.22, железа – 0.11, ртути – 0.03.

Теплоемкость воды не является константой. С ростом температуры от 0 до 40 градусов она незначительно снижается (от 1,0074 до 0,9980), тогда как у всех остальных веществ в процессе нагревания эта характеристика растет. Кроме того, она может понижаться с ростом давления (на глубине).

Как известно, вода имеет три агрегатных состояния – жидкое, твердое (лед) и газообразное (пар). При этом удельная теплоемкость льда примерно в 2 раза ниже, чем у воды. В этом – основное отличие воды от других веществ, величины удельной теплоемкости которых в твердом и расплавленном состоянии не меняются. В чем же тут секрет?

Дело в том, что лед имеет кристаллическую структуру, которая при нагревании разрушается не сразу. Вода содержит небольшие частицы льда, состоящие из нескольких молекул и именуемые ассоциатами. При нагревании воды часть тепловой энергии расходуется на разрушение водородных связей в этих образованиях. Этим и объясняется необычайно высокая теплоемкость воды. Полностью связи между ее молекулами разрушаются только при переходе воды в пар.

Удельная теплоемкость водяного пара при температуре 100° С почти не отличается от таковой у льда при 0° С. Это еще раз подтверждает правильность данного объяснения. Теплоемкость пара, как и теплоемкость льда, в настоящее время изучены гораздо лучше, чем воды, в отношении которой ученые до сих пор не пришли к единому мнению.

fb.ru

Теплоемкость воды и пара. Определение и применение :: SYL.ru

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 – Сμ (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.

www.syl.ru

Что мы знаем о воде?

Все знают, что вода — это стихия, в которой зародилась жизнь. Согласно теории происхождения жизни растворенные в воде углеводы и аммиак, взаимодействуя с минералами при высоком давлении и воздействии мощных электрических разрядов, создали условия для образования белковых веществ, на основе которых впоследствии возникли живые организмы. Ученые полагают, что жизнь зародилась в воде, провела там девять десятых своего существования, и только 400 млн. лет назад вышла на сушу.

Все живое на какую-то часть состоит из воды. Ребенок в утробе матери находится в водной стихии. (Может, поэтому мы так любим купаться?)

Без воды человек может прожить не более 2—3 дней, а потеря организмом всего лишь 10% жидкости приводит к смерти.

Но не только люди, но и все «лицо» нашей планеты — то, что знакомо нам по фотографиям из Космоса, создавалось благодаря воде — под влиянием ее как разрушительной, так и созидательной деятельности.

А теперь обратимся к тем замечательным свойствам воды, благодаря которым она оказывает положительное влияние на тело, в нее погруженное. Некоторые из этих свойств до конца не объяснены.

Известно, что вода обладает необычайно высокой удельной теплоемкостью. Этим понятием обозначается количество тепла, необходимое для повышения температуры одного грамма вещества на один градус.

Наиболее показательный пример большой теплоемкости воды — обыкновенный чайник. Если его пустым поставить на огонь (чего лучше не делать!), он быстро раскалится. А если, как обычно, наполнить водой, то за то же время он лишь слегка нагреется.

Благодаря такой особенности воду называют незаменимым температурным регулятором планеты.

Установлено, что удельная теплоемкость для одного и того же вещества — величина непостоянная: для того чтобы нагреть его на 1°С от 5 до 6°С или от 52 до 53°С, нужно затратить различное количество тепла. При этом для всех веществ, кроме воды, с повышением температуры нагрева величина удельной теплоемкости возрастает. У воды же от 0 до 37°С теплоемкость снижается, а с 37°С и выше — растет. Таким образом, легче всего она нагревается и быстрее всего охлаждается при температуре 37°С. Что-то напоминает эта цифра, не так ли?

Ученые подозревают, что совпадение этой «границы» с нормальной температурой человека не случайно, однако они еще не нашли объяснения этому явлению, а пока лишь строят гипотезы. Известно, что организм человека обладает свойством теплового саморегулирования, то есть небольшое отклонение температуры нашего тела от нормальной свидетельствует о болезни. Существует версия, что терморегуляция человеческого организма происходит именно при помощи воды, из которой мы, как известно, состоим на 65—70%.

Другое немаловажное свойство воды — высокая скрытая теплота испарения. Вода кипит при температуре 100°С, а для превращения ее в пар необходимы 539,1 калории. При этом температура кипящей воды не повышается.

Испаряясь с какой-либо поверхности (в нашем случае, тела), вода понижает ее температуру. Поэтому, чтобы охладиться в жару, можно смочить рубашку — станет прохладнее. (Естественным терморегулятором человеческого тела является пот.)

В природе «условия жизни» воды весьма разнообразны. Именно благодаря этим условиям она обретает особые свойства, которые люди используют для лечения или укрепления организма.

Наиболее ярким примером является талая вода, обладающая совсем другими химическими и физическими свойствами, нежели «обычная». У нее иные вязкость и теплота испарения.

У талой воды повышена биологическая активность, способность воздействовать на процессы, происходящие в живых организмах, — так, политые ею комнатные цветы лучше растут и выглядят здоровее. Все мы видели, как ранней весной на проталинах начинает зеленеть трава. Не успевает сойти снег, а уже появляются цветы.

Очень ценится кристально чистая вода горных рек, которая образуется от таяния ледников, а потому некоторое время сохраняет свои необычные свойства. Возможно, именно поэтому среди горцев так много долгожителей.

Особые свойства талой воды объясняют ее строением. Ученые называют ее «кристаллоподобной жидкостью»: они обнаружили, что талая вода сохраняет правильную кристаллическую решетку.

Плюс к этому, она обладает жизнетворной способностью и свойствами, благоприятствующими обмену веществ не только для растений, но и для всего животного и растительного мира — в том числе и для человека.

При этом все полезные свойства талой воды сохраняются не более 2 часов.

Интересное и загадочное явление — минеральная вода.

Считается, что она обладает лечебными свойствами благодаря своему химическому составу, но только ли в этом дело? Минеральная вода, полученная в лаборатории, по химическим свойствам не отличается от естественной, однако оказывается, она не лечит. (* В данном случае речь идет о том, что искусственная минеральная вода не оказывает должного лечебного эффекта, когда ее принимают внутрь. Что же касается самих минеральных веществ, то они дают весьма ощутимый терапевтический эффект).

На сегодняшний день это тоже загадка. Существует гипотеза, что целебные свойства минеральной воды зависят не только от своеобразного химического состава, но и от места нахождения самой воды. Ведь большинство целебных источников состоят из вод, которые формируются глубоко под землей, а давление и температура там значительно выше, чем на поверхности. На глубине вода приобретает свои необычные свойства и сохраняет их, добираясь до поверхности.

Таким образом, вода — казалось бы, совсем простое, встречающееся нам на каждом шагу вещество, — на самом деле вещь загадочная.

Некоторые из этих свойств воды человек издавна использует, занимаясь водолечением. Так, вовсю эксплуатируются такие ее свойства, как теплоемкость/теплоотдача, способность растворять минеральные вещества, а главное — способность нести эти вещества через кожу: ведь растворенные в воде лечебные вещества и минеральные соли всасываются через кожу, накапливаются в подкожно-жировой клетчатке и затем оказывают на организм лечебное воздействие.

health.wild-mistress.ru