Химический состав и теплоемкость

Наиболее отчетливо проявляет себя взаимосвязь «теплоемкость -химический состав» вещества.

Органические вещества имеют значительно большую удельную теплоемкость чем минеральные. Можно представить следующий условный ряд строительных материалов, различающихся химическим составом, по удельной теплоемкости кДж/кг°С при t = 25°С (в сторону увеличения):

железо -                                            045

сталь -                                               0,48

гранит -                                             0,65

стекло -                                             0, 74

бетон, цемент, известь -                  0,84

строит. керамика -                           0,88

известняк -                                        0,92

перлитофосфогелевые изделия -    1,05

пенопласты типа ПВХ -                  1,26

пенополистирол -                             1,34

пенополиуретан -                             1,47

битумы, фенопласты -                     1,68

древесина, древесное волокно -      2,30

вода -                                                  4,18

Возникает вопрос: почему на нагрев единицы массы металла или бетона расходуется значительно меньше тепловой энергии, чем на нагрев полимеров или древесины? Видимо, за счет химической природы одни материалы способны передавать энергию, оставаясь устойчивыми, а другие — накапливать ее до момента их разрушения. Другими словами, неорганические вещества, атомное строение которых имеет волновой характер, являются проводниками тепла, а органические вещества — накопителями или изоляторами.

По этому критерию удельная теплоемкость «с» имёет взаимосвязь с теплопроводностью «λ», температуропроводностью «а» и влияет на теплоусвоение материалов «b»:

с= λ / а ρ ;         b = √ λ. с. ρ

Агрегатное состояние и теплоемкость

Агрегатное состояние тела влияет на его теплоемкость. Известно, что при переходе тела из твердого состояния в жидкое теплоемкость увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела:

Ср = (dН/dТ)

где Н — энтальпия (внутренняя энергия тела при Р = соnst)

Если сравнивать удельные теплоемкости разных веществ с одинаковыми химическими соединениями в различных агрегатных состояниях, то их значения будут очень близки. Главным фактором является химический состав. Приведем некоторые результаты сравнительной оценки:

- газы (за исключением инертных), такие, как воздух, кислород, водород и азот, имеют равную удельную теплоемкость с ~ 0,92 кДж/кг°С, т.е. как у известняка;

- жидкости ряда от бензола (с = 1,35 кДж/кг.оС — минимальное значение) до этилового спирта (с = 2,42 кДж/кг.оС — максимальное значение) имеют примерно такую же удельную теплоемкость, как органические полимерные материалы ряда от пенопластов (с = 1,26 кДж/кг.°С) до древесины (с = 2,30 кДж/кг.оС). У металлов даже крайние значения «с» для жидкости (ртуть) и твердого тела (свинец) равны и составляют всего 0,13 кДж/кг.°С.

Необходимо отметить аномально высокую удельную теплоемкость воды: с = 4,18 кДж/кг что следует учитывать при проектировании и расчете тепловых установок для сушки и тепловлажностной обработки строительных материалов. Увлажнение материалов приводит к значительному повышению их удельной теплоемкости и, как следствие, к увеличению расхода энергии при тепловой обработке.

Удельную теплоемкость влажных материалов рассчитывают по формуле

с = (со + св. 0,0IW) / (1+0,01W);

где со — удельная теплоемкость материала в сухом состоянии, кДж/кг°С;

св — удельная теплоемкость воды, кДж/кг°С;

W -  влажность материала, % по массе.