Kapasitas panas adalah kemampuan menyerap panas dalam jumlah tertentu selama pemanasan atau melepaskannya saat didinginkan. Kapasitas panas suatu benda adalah rasio jumlah panas yang sangat kecil yang diterima benda dengan peningkatan yang sesuai dalam indikator suhunya. Nilai diukur dalam J/K. Dalam praktiknya, nilai yang digunakan sedikit berbeda - kalor jenis.
Definisi
Apa yang dimaksud dengan panas jenis? Ini adalah kuantitas yang terkait dengan satu jumlah zat. Dengan demikian, jumlah suatu zat dapat diukur dalam meter kubik, kilogram, atau bahkan dalam mol. Itu tergantung pada apa? Dalam fisika, kapasitas kalor bergantung langsung pada satuan kuantitatif yang dirujuk, yang berarti bahwa kapasitas kalor dibedakan antara kapasitas kalor molar, massa, dan volumetrik. Dalam industri konstruksi, Anda tidak akan melihat pengukuran molar, tetapi Anda akan melihat yang lain sepanjang waktu.
Apa yang mempengaruhi kapasitas panas spesifik?
Apa itu kapasitas panas, Anda tahu, tetapi nilai apa yang memengaruhi indikator belum jelas. Nilai kapasitas panas spesifik dipengaruhi secara langsung oleh beberapa komponen:suhu zat, tekanan dan karakteristik termodinamika lainnya.
Saat suhu suatu produk meningkat, kapasitas panas spesifiknya meningkat, tetapi zat tertentu menunjukkan kurva yang sepenuhnya non-linier dalam hubungan ini. Misalnya, dengan peningkatan indikator suhu dari nol menjadi tiga puluh tujuh derajat, kapasitas panas spesifik air mulai berkurang, dan jika batasnya antara tiga puluh tujuh dan seratus derajat, maka indikator, sebaliknya, akan meningkat.
Perlu dicatat bahwa parameter juga tergantung pada bagaimana karakteristik termodinamika produk (tekanan, volume, dan sebagainya) diperbolehkan untuk berubah. Misalnya, panas jenis pada tekanan stabil dan pada volume stabil akan berbeda.
Bagaimana cara menghitung parameter?
Apakah Anda tertarik dengan kapasitas panasnya? Rumus perhitungannya adalah sebagai berikut: C \u003d Q / (m T). Apa saja nilai-nilai ini? Q adalah jumlah panas yang diterima produk saat dipanaskan (atau dilepaskan oleh produk selama pendinginan). m adalah massa produk, dan T adalah perbedaan antara suhu akhir dan awal produk. Di bawah ini adalah tabel kapasitas panas beberapa bahan.
Bagaimana dengan perhitungan kapasitas panas?
Menghitung kapasitas panas bukanlah tugas yang mudah, terutama jika hanya metode termodinamika yang digunakan, tidak mungkin untuk melakukannya dengan lebih tepat. Oleh karena itu, fisikawan menggunakan metode fisika statistik atau pengetahuan tentang struktur mikro produk. Bagaimana cara menghitung gas? Kapasitas panas gasdihitung dari perhitungan energi rata-rata gerak termal molekul individu dalam suatu zat. Pergerakan molekul dapat berupa jenis translasi dan rotasi, dan di dalam molekul dapat ada atom utuh atau getaran atom. Statistik klasik mengatakan bahwa untuk setiap derajat kebebasan gerak rotasi dan translasi, ada nilai kapasitas panas molar gas, yang sama dengan R / 2, dan untuk setiap derajat kebebasan getaran, nilainya sama dengan R Aturan ini juga disebut hukum ekuipartisi
Pada saat yang sama, sebuah partikel gas monoatomik hanya berbeda tiga derajat kebebasan translasi, dan oleh karena itu kapasitas panasnya harus sama dengan 3R/2, yang sangat sesuai dengan eksperimen. Setiap molekul gas diatomik memiliki tiga derajat kebebasan translasi, dua rotasi dan satu vibrasi, yang berarti bahwa hukum ekuipartisi akan menjadi 7R/2, dan pengalaman menunjukkan bahwa kapasitas panas satu mol gas diatomik pada suhu biasa adalah 5R/ 2. Mengapa ada perbedaan dalam teori? Semuanya disebabkan oleh fakta bahwa ketika menetapkan kapasitas panas, perlu memperhitungkan berbagai efek kuantum, dengan kata lain, menggunakan statistik kuantum. Seperti yang Anda lihat, kapasitas panas adalah konsep yang agak rumit.
Mekanika kuantum mengatakan bahwa setiap sistem partikel yang berosilasi atau berputar, termasuk molekul gas, dapat memiliki nilai energi diskrit tertentu. Jika energi gerak termal dalam sistem terpasang tidak cukup untuk membangkitkan osilasi frekuensi yang diperlukan, maka osilasi ini tidak berkontribusi padakapasitas panas sistem.
Dalam padatan, gerakan termal atom adalah osilasi lemah di dekat posisi kesetimbangan tertentu, ini berlaku untuk simpul kisi kristal. Sebuah atom memiliki tiga derajat kebebasan vibrasi dan, menurut hukum, kapasitas panas molar padatan sama dengan 3nR, di mana n adalah jumlah atom yang ada dalam molekul. Dalam praktiknya, nilai ini adalah batas di mana kapasitas panas tubuh cenderung pada suhu tinggi. Nilai dicapai dengan perubahan suhu normal di banyak elemen, ini berlaku untuk logam, serta senyawa sederhana. Kapasitas panas timbal dan zat lain juga ditentukan.
Bagaimana dengan suhu rendah?
Kita sudah tahu apa itu kapasitas kalor, tetapi jika kita berbicara tentang suhu rendah, bagaimana cara menghitung nilainya? Jika kita berbicara tentang indikator suhu rendah, maka kapasitas panas benda padat ternyata sebanding dengan T 3 atau yang disebut hukum kapasitas panas Debye. Kriteria utama untuk membedakan suhu tinggi dari suhu rendah adalah perbandingan biasa dengan parameter karakteristik untuk zat tertentu - ini bisa menjadi karakteristik atau suhu Debye qD. Nilai yang disajikan ditentukan oleh spektrum getaran atom dalam produk dan sangat bergantung pada struktur kristal.
Dalam logam, elektron konduksi memberikan kontribusi tertentu pada kapasitas panas. Bagian dari kapasitas panas ini dihitung menggunakanStatistik Fermi-Dirac, yang memperhitungkan elektron. Kapasitas panas elektronik suatu logam, yang sebanding dengan kapasitas panas biasa, adalah nilai yang relatif kecil, dan berkontribusi pada kapasitas panas logam hanya pada suhu yang mendekati nol mutlak. Kemudian kapasitas kalor kisi menjadi sangat kecil dan dapat diabaikan.
Kapasitas panas massa
Massa jenis panas adalah jumlah panas yang perlu dibawa ke satu satuan massa suatu zat untuk memanaskan produk per satuan suhu. Nilai ini dilambangkan dengan huruf C dan diukur dalam joule dibagi dengan kilogram per kelvin - J / (kg K). Ini semua tentang kapasitas panas massa.
Apa yang dimaksud dengan kapasitas panas volumetrik?
Kapasitas panas volume adalah jumlah panas tertentu yang perlu ditambahkan ke unit volume produk untuk memanaskannya per unit suhu. Indikator ini diukur dalam joule dibagi dengan meter kubik per kelvin atau J / (m³ K). Dalam banyak buku referensi bangunan, yang dipertimbangkan adalah kapasitas panas jenis massa di tempat kerja.
Aplikasi praktis kapasitas panas dalam industri konstruksi
Banyak bahan intensif panas yang aktif digunakan dalam konstruksi dinding tahan panas. Ini sangat penting untuk rumah yang ditandai dengan pemanasan berkala. Misalnya, oven. Produk dan dinding intensif panas yang dibangun darinya mengakumulasi panas dengan sempurna, menyimpannya selama periode waktu pemanasan dan secara bertahap melepaskan panas setelah dimatikansistem, sehingga memungkinkan untuk mempertahankan suhu yang dapat diterima sepanjang hari.
Jadi, semakin banyak panas yang disimpan dalam struktur, semakin nyaman dan stabil suhu di dalam ruangan.
Perlu dicatat bahwa batu bata dan beton biasa yang digunakan dalam konstruksi perumahan memiliki kapasitas panas yang jauh lebih rendah daripada polistiren yang diperluas. Jika kita mengambil ecowool, maka memakan panas tiga kali lebih banyak daripada beton. Perlu dicatat bahwa dalam rumus untuk menghitung kapasitas panas, tidak sia-sia ada massa. Karena massa beton atau batu bata yang sangat besar, dibandingkan dengan ecowool, ini memungkinkan akumulasi panas dalam jumlah besar di dinding batu struktur dan menghaluskan semua fluktuasi suhu harian. Hanya sejumlah kecil insulasi di semua rumah bingkai, meskipun memiliki kapasitas panas yang baik, yang merupakan area terlemah untuk semua teknologi bingkai. Untuk mengatasi masalah ini, akumulator panas yang mengesankan dipasang di semua rumah. Apa itu? Ini adalah bagian struktural yang dicirikan oleh massa yang besar dengan indeks kapasitas panas yang cukup baik.
Contoh akumulator panas dalam kehidupan
Apa yang bisa terjadi? Misalnya, semacam dinding bata internal, kompor atau perapian besar, screed beton.
Perabotan di rumah atau apartemen mana pun adalah akumulator panas yang sangat baik, karena kayu lapis, papan chip, dan kayu sebenarnya hanya dapat menyimpan panas per kilogram berat tiga kali lebih banyak daripada batu bata terkenal.
Apakah ada kekurangan dalam akumulator panas? Tentu saja, kelemahan utama dari pendekatan ini adalahfakta bahwa akumulator panas perlu dirancang pada tahap pembuatan tata letak rumah bingkai. Semua karena fakta bahwa itu sangat berat, dan ini perlu diperhitungkan saat membuat fondasi, dan kemudian bayangkan bagaimana objek ini akan diintegrasikan ke interior. Patut dikatakan bahwa perlu untuk memperhitungkan tidak hanya massa, tetapi juga perlu untuk mengevaluasi kedua karakteristik dalam pekerjaan: massa dan kapasitas panas. Misalnya, jika Anda menggunakan emas dengan berat luar biasa dua puluh ton per meter kubik sebagai penyimpan panas, maka produk akan berfungsi sebagaimana mestinya hanya dua puluh tiga persen lebih baik daripada kubus beton, yang beratnya dua setengah ton.
Bahan apa yang paling cocok untuk penyimpanan panas?
Produk terbaik untuk akumulator panas bukanlah beton dan bata sama sekali! Tembaga, perunggu dan besi melakukan pekerjaan ini dengan baik, tetapi mereka sangat berat. Anehnya, tapi akumulator panas terbaik adalah air! Cairan memiliki kapasitas panas yang mengesankan, yang terbesar di antara zat yang tersedia bagi kita. Hanya gas helium (5190 J / (kg K) dan hidrogen (14300 J / (kg K)) yang memiliki kapasitas panas lebih besar, tetapi dalam praktiknya sulit diterapkan. Jika diinginkan dan perlu, lihat tabel kapasitas panas zat yang Anda perlu.
