Теплоемкость металла в джоулях
В сводной таблице представлена удельная теплоемкость стали распространенных марок: углеродистых, низко- и высоколегированных сталей, а также чугуна при различной температуре.
Приведены значения средней удельной теплоемкости низколегированных сталей, углеродистых сталей при различных температурах, указана теплоемкость высоколегированных сталей с особыми свойствами в зависимости от температуры.
По данным таблицы видно, что значение удельной теплоемкости стали с ростом температуры увеличивается. Следует отметить, что теплоемкость стали при комнатной температуре находится в диапазоне от 440 до 550 Дж/(кг·град); удельная теплоемкость стали в таблице представлена в интервале температуры от 20 до 1000°С.
| Марка стали | Температура, °С | Теплоемкость стали, Дж/(кг·град) |
|---|---|---|
| 02Х17Н11М2 | 20…400…600…800 | 470…560…610…650 |
| 02Х22Н5АМ3 | 20…100…200…300…400 | 480…500…530…550…590 |
| 03Х24Н6АМ3 (ЗИ130) | 20…100…200…300…400 | 480…500…530…550…570 |
| 05ХН46МВБЧ (ДИ65) | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 445…465…480…490…500…510…515…520 |
| 06Х12Н3Д | 100…200…300…400 | 523…544…577…594 |
| 07Х16Н6 (Х16Н6, ЭП288) | 100…200…300…400…500…600…700 | 440…500…550…590…630…670…710 |
| 08 | 100…200…400…600 | 465…477…510…565 |
| 08кп | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 482…498…514…533…555…584…626…695…695 |
| 08Х13 (0Х13, ЭИ496) | 20 | 462 |
| 08Х14МФ | 20…100…200…300…400…500…600 | 460…473…502…540…574…682…754 |
| 08Х17Т (0Х17Т, ЭИ645) | 20 | 462 |
| 08Х17Н13М2Т (0Х17Н13М2Т) | 20 | 504 |
| 08Х18Н10 (0Х18Н10) | 20 | 504 |
| 08Х18Н10Т (0Х18Н10Т, ЭИ914) | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 461…494…515…536…549…561…574…595 |
| 08ГДНФЛ | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 483…500…517…529…554…571…613…697…693 |
| 09Х14Н19В2БР1 (ЭИ726) | 20 | 502 |
| 015Х18М2Б-ВИ (ЭП882-ВИ) | 100…200…300…400 | 473…519…578…636 |
| 1Х14Н14В2М (ЭИ257) | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 461…486…515…536…544…557…590…624 |
| 4Х5МФ1С (ЭП572) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 431…477…519…565…620…703…888…766…749 |
| 10 | 100…200…400…600 | 465…477…510…565 |
| 10кп | 100…200…400…600 | 466…479…512…567 |
| 10Х12Н3М2ФА(Ш) (10Х12Н3М2ФА-А(Ш)) | 100…200…300…400…500 | 510…538…562…588…627 |
| 10Х13Н3М1Л | 20 | 495 |
| 10Х17Н13М2Т (Х17Н13М2Т, ЭИ448) | 20 | 504 |
| 10Х17Н13М3Т (Х17Н13М3Т, ЭИ432) | 20 | 504 |
| 10Х18Н9Л | 100 | 504 |
| 10ГН2МФА, 10ГН2МФА-ВД, 10ГН2МФА-Ш | 100…200…300…400 | 469…553…599…628 |
| 12МХ | 20…200…300…400…500…600…700 | 498…519…569…595…653…733…888 |
| 12X1МФ (ЭИ575) | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 507…597…607…643…695…783…934…1025 |
| 12Х13 (1Х13) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 473…487…506…527…554…586…636…657…666 |
| 12Х13Г12АС2Н2 (ДИ50) | 100…200…300…400…500…600…700 | 523…559…602…613…648…668…690 |
| 12Х18Н9 (Х18Н9) | 20 | 504 |
| 12Х18Н9Т (Х18Н9Т) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 469…486…498…511…519…528…532…544…548 |
| 12Х18Н12Т (Х18Н12Т) | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 461…494…515…540…548…561…574…595 |
| 14Х17Н2 (1Х17Н2, ЭИ268) | 20 | 462 |
| 15 | 100…200…400…500 | 469…481…523…569 |
| 15Г | 100…300…500 | 496…538…592 |
| 15К | 100…200…400…500 | 469…482…524…570 |
| 15кп | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 465…486…515…532…565…586…620…691 |
| 15Л | 100…200…400…600 | 469…477…515…570 |
| 15Х2НМФА-А, 15Х2НМФА-А класс 1 | 100…200…300…400 | 490…515…540…569 |
| 15Х11МФБЛ (1Х11МФБЛ, Х11ЛА) | 100…200…300…400…500…600 | 494…528…574…641…741…867 |
| 15Х25Т (Х25Т, ЭИ439) | 20 | 462 |
| 15ХМ | 100 | 486 |
| 17Х18Н9 | 20 | 504 |
| 18Х11МНФБ (2Х11МНФБ, ЭП291) | 100…200…300…400…500…600 | 490…540…590…666…766…900 |
| 18ХГТ | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 495…508…525…537…567…588…626…705 |
| 20 | 100…200…400…500 | 469…481…536…569 |
| 20Г | 100…200…400…500 | 469…481…536…569 |
| 20ГСЛ | 100…200…400…500 | 469…482…536…569 |
| 20К | 100…200…400…500 | 469…482…524…570 |
| 20Л | 100…200…400…600 | 469…481…536…570 |
| 20кп | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 486…498…514…533…555…584…636…703…695 |
| 20ХМЛ | 100…200…300…400…500 | 498…572…588…612…660 |
| 20ХМФЛ | 100…200…300…400…500…600 | 498…574…590…615…666…741 |
| 20Х3МВФ (ЭИ415, ЭИ579) | 100…200…300…400…500…600 | 502…561…611…657…716…754 |
| 20Х23Н13 (Х23Н13, ЭИ319) | 20 | 538 |
| 20Х23Н18 (Х23Н18, ЭИ417) | 20 | 538 |
| 20ХН3А | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 494…507…523…536…565…586…624…703 |
| 22К | 100…200…400…500 | 469…481…519…569 |
| 25 | 100…200…400…500 | 469…482…524…570 |
| 25Л | 100…200…400…600 | 469…481…519…570 |
| 25Х1МФ | 20 | 461 |
| 25Х2М1Ф (ЭИ723) | 100…200…300…400…500…600 | 536…574…607…632…674…733 |
| 25ХГСА | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 496…504…512…533…554…584…622…693 |
| 30 | 100…200…300…400…500 | 469…481…544…523…762 |
| 30Г | 100…200…300…400…500 | 469…481…544…599…762 |
| 30Л | 100…200…400…600 | 469…481…523…570 |
| 30Х13 (3Х13) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 473…486…504…525…532…586…641…679…691 |
| 30ХГТ | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 495…508…525…537…567…588…626…705 |
| 30Х | 20…100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 482…496…513…532…555…583…620…703…687…678 |
| 30ХН2МФА (30ХН2МВА) | 20…100…200…300…400 | 466…508…529…567…588 |
| 30ХН3А | 100…200…300…400…500…600… 700…800…900…1000 | 494…504…518…536…558…587… 657…703…695…687 |
| 33ХС | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 466…508…529…563…599…622…634…664 |
| 35 | 100…200…400…500 | 469…482…524…570 |
| 35Л | 100…200…400…600 | 469…481…523…574 |
| 35ХГСЛ | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 496…504…512…533…554…584…622…693…689 |
| 35ХМЛ | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 479…500…512…529…550…580…617…689…685 |
| 36Х18Н25С2 (4Х18Н25С2, ЭЯ3С) | 20 | 515 |
| 40 | 100…200…300…400…600 | 469…481…519…523…574 |
| 40Г | 100…200…400…600 | 486…481…490…574 |
| 40Л | 100…200…400…600 | 469…481…523…574 |
| 40Х10С2М (4Х10С2М, ЭИ107) | 300…400…500 | 532…561…586 |
| 40Х13 (4Х13) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 452…477…502…528…553…578…620…666…691 |
| 40ХЛ | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 491…508…525…538…569…588…626…701…689 |
| 45 | 100…200…400…500 | 469…482…524…574 |
| 45Г2 | 100…200 | 444…427 |
| 45Л | 100…200…400…600 | 469…481…523…569 |
| 45Х14Н14В2М (ЭИ69) | 300…400…500…600 | 507…511…523…528 |
| 50 | 300…400…500 | 561…641…787 |
| 50Г | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 487…500…517…533…559…584…609…676 |
| 50Л | 100…200…400…600 | 478…511…511…569 |
| 55 | 100…200…400…500 | 477…486…523…569 |
| 60 | 100…200…400…600 | 481…486…528…565 |
| ХН35ВТ (ЭИ612) | 100…200…300…400…500…600 | 511…544…569…590…595…595 |
| ХН64ВМКЮТЛ (ЗМИ3) | 20…100…200…300…400…500…600… 700…800…900…1000 | 430…450…470…490…515…540…565… 590…625…650…1008 |
| ХН65ВКМБЮТЛ (ЭИ539ЛМУ) | 20…100…200…300…400…500…600… 700…800…900…1000 | 424…436…480…493…505…518…548… 596…650…692…710 |
| ХН65ВМТЮЛ (ЭИ893Л) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 425…430…440…470…500…510…550…615…650 |
| ХН65КМВЮТЛ (ЖС6К) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 380…400…420…445…470…485…515…560…610…660 |
| ХН70БДТ (ЭК59) | 100…200…300…400 | 450…475…500…505 |
| ХН70КВМЮТЛ (ЦНК17П) | 20 | 440 |
| ХН80ТБЮА (ЭИ607А) | 100…200…300…400…500…600 | 494…547…607…678…749…829 |
| Х15Н60-Н | 20 | 460 |
| Х20Н80-Н | 20 | 460 |
| Х23Ю5Т | 20…800 | 480…750 |
| Х27Ю5Т | 20…800 | 500…690 |
| А12 | 100…300…400…600 | 469…477…515…569 |
| Р6М5 | 100…200…300…400…500…600…700 | 440…470…500…550…580…670…900 |
| Р18 | 100…200…300…400…500…600…700 | 420…450…470…510…550…610…690 |
| У8, У8А | 20…100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 477…511…528…548…565…594…624…724…724…703 |
| У12, У12А | 20…100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 469…503…519…536…553…720…611…712…703…699 |
Средняя удельная теплоемкость высоколегированных сталей
В таблице даны значения массовой удельной теплоемкости высоколегированных сталей с особыми свойствами таких, как сталь Г13 и сталь Р18.
Теплоемкость сталей Г13 и Р18 приведена в размерности кДж/(кг·град) при температурах 50…1300°С.
Средняя удельная теплоемкость сталей низколегированных
В таблице представлены значения массовой удельной теплоемкости низколегированных сталей. Даны значения теплоемкости для следующих марок стали: сталь 30Х, 30Н3, 30ХН3, 30Г2, 50С2Г. Удельная теплоемкость сталей в таблице выражена в кДж/(кг·град) и указана в зависимости от температуры — в интервале от 50 до 1300°С.
Удельная теплоемкость углеродистых сталей и чугуна при различной температуре
В таблице приведены значения удельной (массовой) теплоемкости следующих углеродистых сталей и чугуна: сталь 08, ст.20, ст.35, ст.У8, сталь листовая электротехническая, чугун белый, чугун СЧ10. Теплоемкость представлена в таблице в интервале температуры от 80 до 1573 К в размерности кДж/(кг·град) .
Удельная теплоемкость легированных сталей при различной температуре
В таблице представлены значения массовой удельной теплоемкости стали следующих марок: сталь 15Л, 25Л, 45Л, 55Л, 13Н2ХА, Р18, 11Р3АМ3Ф2, Р6М5, 4Х13, 1Х12В2МФ, Х5М, 30ХМ, 30ХМА, 30ХГС, 30ХГСА, 1Х11МФ, 1Х12ВИМФ, 25Х2МФА, ХН35ВТ (ЭИ612, ЭИ612К), Х17Н13М2Т (ЭИ448), Х16Н25М6 (ЭИ395), Х22Н26, ВЖ100, ШХ15. Массовая теплоемкость легированных сталей в таблице выражена в кДж/(кг·град) в зависимости от температуры — в интервале от 300 до 1400К.
Средняя удельная теплоемкость углеродистых сталей
В таблице представлены значения массовой теплоемкости железа и следующих углеродистых сталей: сталь 08КП, ст. 08, сталь 20, 40, сталь У8, У8′, у12. Массовая удельная теплоемкость углеродистых сталей в таблице дана в размерности кДж/(кг·град) в интервале температуры от 50 до 1300°С.
Источники:
Удельная теплоемкость металлов при различных температурах
Представлена таблица значений массовой удельной теплоемкости металлов при различных температурах и постоянном давлении. Теплоемкость металлов в таблице указана при отрицательных и положительных температурах (от -253 до 3422°С). Определить удельную теплоемкость металла можно как величину, численно равную количеству теплоты, которое необходимо подвести к единице массы металла для увеличения его температуры на один градус.
Какова удельная теплоемкость металла? При средних и высоких температурах абсолютные значения и температурные зависимости удельной теплоемкости металлов различаются достаточно сильно. Так, при комнатных температурах наибольшей удельной теплоемкостью отличается литий — она равна 3390 Дж/(кг·град) при температуре 20°С. Также к металлам с высокой теплоемкостью при средних (до 350°С) температурах можно отнести такие металлы, как магний, алюминий, бериллий, натрий, плутоний.
Наименьшим значением теплоемкости обладают металлы с высокой атомной массой, например торий и уран. Удельная теплоемкость этих металлов равна, соответственно 113 и 116 Дж/(кг·град). Несмотря на столь большой диапазон изменения этой величины, имеют место некоторые схожие значения, наиболее хорошо прослеживающиеся для металлов одной подгруппы, что является следствием периодической системы Менделеева.
Следует отметить, что при низких отрицательных температурах металлы также имеют широкий диапазон значений теплоемкости. Например, при температуре -173°С по данным таблицы минимальной теплоемкостью обладает вольфрам. Теплоемкость вольфрама при этой температуре равна всего 87 Дж/(кг·град). Металлом с самой высокой теплоемкостью при отрицательных температурах является все тот же литий, имеющий низкую атомную массу.
| Металл | Температура,°С | Удельная теплоемкость, Дж/(кг·град) |
|---|---|---|
| Алюминий Al | -173…27…127…327…527…661…727…1127…1327 | 483…904…951…1037…1154…1177…1177…1177…1177 |
| Барий Ba | -173…27…127…327…527…729…927…1327 | 177…206…249…290…316…300…292…278 |
| Бериллий Be | -173…27…127…327…527…727…927…1127…1287…1327 | 203…1833…2179…2559…2825…3060…3281…3497…3329…3329 |
| Ванадий V | 27…127…327…527…727…927…1127…1527…1947 | 484…503…531…557…585…617…655…744…895 |
| Висмут Bi | 27…127…272…327…527…727 | 122…127…146…141…135…131 |
| Вольфрам W | -173…27…127…327…727…1127…1527…2127…2527…3127…3422 | 87…132…136…141…148…157…166…189…208…245…245 |
| Гадолиний Gd | 27…127…327…527…727…1127…1312 | 236…179…185…196…207…235…179 |
| Галлий Ga | -173…27…30…127…327…527…727 | 266…384…410…394…382…378…376 |
| Гафний Hf | 27…127…327…527…727…927…1127…1527…2127…2233 | 144…147…156…165…169…183…192…211…202…247 |
| Гольмий Ho | 27…127…327…527…727…927…1127…1327…1470…1527 | 165…169…172…176…193…218…251…292…266…266 |
| Диспрозий Dy | 27…127…327…527…727…927…1127…1327…1409…1527 | 173…172…174…188…210…230…274…296…307…307 |
| Европий Eu | 27…127…327…527…727…826…1127 | 179…184…200…217…250…251…251 |
| Железо Fe | -173…27…127…327…527…727…1127…1327…1537 | 216…450…490…572…678…990…639…670…830 |
| Золото Au | 27…127…327…527…727…927…1105…1127 | 129…131…135…140…145…155…170…166 |
| Индий In | -223…-173…27…127…157…327…527…727 | 162…203…235…250…256…245…240…237 |
| Иридий Ir | 27…127…327…527…727…927…1127…1327…2127…2450 | 130…133…138…144…153…161…168…176…206…218 |
| Иттербий Yb | 27…127…427…527…727…820…927 | 155…159…175…178…208…219…219 |
| Иттрий Y | 27…127…327…527…727…1127…1327…1522 | 298…305…321…338…355…389…406…477 |
| Кадмий Cd | 27…127…321…327…527 | 231…242…265…265…265 |
| Калий K | -173…-53…0…20…63…100…300…500…700 | 631…690…730…760…846…817…775…766…775 |
| Кальций Ca | -173…27…127…327…527…727…842…1127 | 500…647…670…758…843…991…774…774 |
| Кобальт Co | 27…127…327…527…727…1127…1327…1497…1727 | 421…451…504…551…628…800…650…688…688 |
| Лантан La | 27…127…327…527…727…920 | 195…197…200…218…238…236 |
| Литий Li | -187…20…100…300…500…800 | 2269…3390…3789…4237…4421…4572 |
| Лютеций Lu | 27…127…327…527…727…1127…1327…1650 | 153…153…156…163…173…207…229…274 |
| Магний Mg | -173…27…127…327…527…650…727…1127 | 648…1025…1070…1157…1240…1410…1391…1330 |
| Марганец Mn | -173…27…127…327…527…727…1127…1246…1327 | 271…478…517…581…622…685…789…838…838 |
| Медь Cu | 27…127…327…527…727…927…1085…1327 | 385…398…417…433…451…481…514…514 |
| Молибден Mo | 27…127…327…527…727…1127…1327…1527…1727…2127…2623 | 250…262…276…285…294…320…337…357…379…434…418 |
| Мышьяк As | -253…-233…-193…-123…-23…127…327…727 | 15…75…175…275…314…339…354…383 |
| Натрий Na | -173…-53…-13…20…100…300…500…700 | 977..1180…1200…1221…1385…1280…1270…1275 |
| Неодим Nd | 27…127…327…527…727…927…1024…1127 | 190…200…223…253…291…309…338…338 |
| Нептуний Np | 127 | 147 |
| Никель Ni | -173…-50…20…100…300…500…800…1000…1300…1455 | 423…442…457…470…502…530…565…580…586…735 |
| Ниобий Nb | 27…127…327…527…727…1127…1327…1527…1727…2127…2477 | 263…274…285…293…301…322…335…350…366…404…450 |
| Олово Sn | -173…27…127…232…327…527…727 | 187…229…244…248…242…236…235 |
| Осмий Os | 27…127…327…527…727…1127…1327…1527…1727…1927 | 130…132…136…140…144…152…156…160…164…168 |
| Палладий Pd | 27…127…327…527…727…927…1127…1527 | 244…249…256…264…277…291…306…343 |
| Платина Pt | 27…127…327…527…727…1127…1527…1772 | 133…136…141…147…152…163…174…178 |
| Плутоний Pu | 27…127…327…527…727 | 134…586…1500…2430…3340 |
| Празеодим Pr | 27…127…327…527…727…935 | 184…202…224…253…287…305 |
| Радий Ra | 950 | 136 |
| Рений Re | 27…127…327…527…727…927…1127…1327…1527…1927 | 136…139…145…151…157…163…168…174…180…192 |
| Родий Rh | 27…127…327…527…727…1127…1327…1727 | 243…253…273…293…311…342…355…376 |
| Ртуть Hg | -223…-173…-73…-39…27…127…227…327 | 99…121…136…141…139…137…136…135 |
| Рубидий Rb | -173…-73…20…40…127…327…527…727 | 299…321…356…364…361…356…359…368 |
| Рутений Ru | 27…127…327…527…727…1127…1327…1527…1727…1927…2334 | 238…241…251…265…278…306…325…346…367…389…414 |
| Самарий Sm | 27…127…327…527…727…1078…1227 | 197…221…272…293…300…313…334 |
| Свинец Pb | -223…-173…-73..27…127…227…328…527…727 | 103…117…123…128…133…138…146…143…140 |
| Серебро Ag | 27…127…327…527…727…962…1127 | 235…239…250…256…277…310…310 |
| Скандий Sc | 27…127…327…527…727…1127…1541…1627 | 568…586…611…647…694…815…978…978 |
| Стронций Sr | -173…27…127…327…527…768…1127 | 268…306…314…343…377…411…411 |
| Сурьма Sb | -223…-173…27…127…327…527…630…927 | 100…163…209…213…224…234…275…275 |
| Таллий Tl | -173…27…127…303…727 | 120…129…134…149…141 |
| Тантал Ta | 27…127…327…527…727…1127…1527…2127…2327…2727…3022 | 140…144…150…154…157…160…162…177…187…219…243 |
| Тербий Tb | 27…127…327…527…727…1127…1357 | 182…179…189…207…226…272…292 |
| Технеций Tc | 27…127…327…527…727…1127…1327…2127…2200 | 210…211…225…256…290…324…318…297…290 |
| Титан Ti | 27…127…327…527…727…1127…1327…1527…1671…1727 | 531…556…605…637…647…664…729…800…989…989 |
| Торий Th | -173…27…127…327…527…727…1127…1327…1750…1927 | 98…113…117…124…132…140…155…163…198…198 |
| Тулий Tm | 27…127…327…527…727…1127…1327…1545 | 159…161…163…175…186…204…213…244 |
| Уран U | -173…27…127…327…527…727…842…1127 1135…1327…1927 | 93…116…125…146…175…178…161…161…201…203…209 |
| Хром Cr | 25…127…327…527…727…1127…1327…1527…1727…1907 | 453…482…517…558…614…764…849…936…1020…962 |
| Цезий Cs | -173…27…29…127…327…527…727 | 194…244…246…241…226…219…225 |
| Церий Ce | 27…127…327…527…727…804…927 | 292…202…228…246…268…269…269 |
| Цинк Zn | 27…127…327…420…527…727 | 389…403…436…480…480…480 |
| Цирконий Zr | 27…127…327…527…727…1127…1327…1527…1727…1860 | 279…295…321…345…367…325…341…360…381…467 |
| Эрбий Er | 27…127…327…527…727…1127…1327…1505 | 168…169…174…181…192…220…238…231 |
Зависимость удельной теплоемкости металлов от температуры различна. Наиболее сильную зависимость теплоемкости от температуры имеют плутоний и бериллий. Для многих металлов увеличение температуры приводит к постоянному росту их теплоемкости. У других металлов теплоемкость при нагревании увеличивается, а при достижении температуры плавления снижается или остается практически постоянной. Удельная теплоемкость металлов в жидком (расплавленном) состоянии практически не меняется.
Металлы в таблице расположены в алфавитном порядке, величина теплоемкости соответствует указанным температурам, допускается интерполяция значений. Например, удельную теплоемкость алюминия при температуре 90°С можно определить по таблице следующим образом: 904+(951-904)/(127-27)*90=946,3 Дж/(кг·град).
Удельная теплоемкость вещества
Возьмите в руки металлическое украшение с любым камнем. Камушек будет греться достаточно долго, в то время, как металл у этого же украшения нагреется значительно быстрее. У этих материалов разная теплоемкость — давайте разбираться, что это значит.
· Обновлено 12 июля 2022
Ждём вас 8 октября в 13:00. Вместе с педагогами, психологами и другими экспертами в образовании и воспитании ответим на главные вопросы мам и пап.
Нагревание и охлаждение
Эти два процесса знакомы каждому. Вот нам захотелось чайку, и мы ставим чайник, чтобы нагреть воду. Или ставим газировку в холодильник, чтобы охладить.
Логично предположить, что нагревание — это увеличение температуры, а охлаждение — ее уменьшение. Все, процесс понятен, едем дальше.
Но не тут-то было: температура меняется не «с потолка». Все завязано на таком понятии, как количество теплоты. При нагревании тело получает количество теплоты, а при нагревании — отдает.
Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.
Обнаружено новое непонятное слово — теплопередача.
Минуточку, давайте закончим с количеством теплоты.
В процессах нагревания и охлаждения формулы для количества теплоты выглядят так:
Нагревание
Охлаждение
Q — количество теплоты [Дж]
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]
tконечная — конечная температура [˚C]
tначальная — начальная температура [˚C]
В этих формулах фигурирует и изменение температуры, о котором мы сказали выше, и удельная теплоемкость, речь о которой пойдет дальше.
А вот теперь поговорим о видах теплопередачи.
Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков
Виды теплопередачи
Теплопередача — процесс передачи теплоты (обмена энергией).
Здесь все совсем несложно, видов всего три: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность
Тот вид теплопередачи, который можно охарактеризовать, как способность тел проводить энергию от более нагретого тела к менее нагретому.
Речь о том, чтобы передать тепло с помощью соприкосновения. Признавайтесь, грелись же когда-нибудь возле батареи. Если вы сидели к ней вплотную, то согрелись вы благодаря теплопроводности. Обниматься с котиком, у которого горячее пузо, тоже эффективно.
Порой мы немного перебарщиваем с возможностями этого эффекта, когда на пляже ложимся на горячий песок. Эффект есть, только не очень приятный. Ну а ледяная грелка на лбу дает обратный эффект — ваш лоб отдает тепло грелке.
Конвекция
Когда мы говорили о теплопроводности, мы приводили в пример батарею. Теплопроводность — это когда мы получаем тепло, прикоснувшись к батарее. Но все вещи в комнате к батарее не прикасаются, а комната греется. Здесь вступает конвекция.
Дело в том, что холодный воздух тяжелее горячего (холодный просто плотнее). Когда батарея нагревает некий объем воздуха, он тут же поднимается наверх, проходит вдоль потолка, успевает остыть и спуститься обратно вниз — к батарее, где снова нагревается. Таким образом, вся комната равномерно прогревается, потому что все более горячие потоки сменяют все менее холодные.
Излучение
Пляж мы уже упоминали, но речь шла только о горячем песочке. А вот тепло от солнышка — это излучение. В этом случае тепло передается через волны.
Обоими способами. То тепло, которое мы ощущаем непосредственно от камина (когда лицу горячо, если вы расположились слишком близко к камину) — это излучение. А вот прогревание комнаты в целом — это конвекция.
Удельная теплоемкость: понятие и формула для расчета
Формулы количества теплоты для нагревания и охлаждения мы уже разбирали, но давайте еще раз:
В этих формулах фигурирует такая величина, как удельная теплоемкость. По сути своей — это способность материала получать или отдавать тепло.
С точки зрения математики удельная теплоемкость вещества — это количество теплоты, которое надо к нему подвести, чтобы изменить температуру 1 кг вещества на 1 градус Цельсия:
Удельная теплоемкость вещества
Также ее можно рассчитать через теплоемкость вещества:
C — теплоемкость вещества [Дж/˚C]
Величины теплоемкость и удельная теплоемкость означают практически одно и то же. Отличие в том, что теплоемкость — это способность всего вещества к передаче тепла. То есть формулу количества теплоты для нагревания тела можно записать в таком виде:
Количество теплоты, необходимое для нагревания тела
Онлайн-курсы физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!
Пошаговый гайд от Екатерины Мурашовой о том, как перестать делать уроки за ребёнка и выстроить здоровые отношения с учёбой.
Таблица удельных теплоемкостей
Удельная теплоемкость — табличная величина. Часто ее указывают в условии задачи, но при отсутствии в условии — можно и нужно воспользоваться таблицей. Ниже приведена таблица удельных теплоемкостей для некоторых (многих) веществ.
Подробнее об удельной теплоемкости
Удельная теплоемкость фарфора равна примерно 0,8 Дж/г•°С. Фарфоровая чашка для кофе эспрессо весит приблизительно 60 грамм, значит ее теплоемкость — около 50 Дж/°С. Удельная теплоемкость воды — 4,2 Дж/г•°С. То есть, теплоемкость 50 г кофе эспрессо равна приблизительно 210 Дж/°С.
Общие сведения
Молекулы движутся под воздействием тепла — это движение называется молекулярной диффузией. Чем выше температура вещества, тем быстрее молекулы движутся и тем более интенсивно происходит диффузия. На движение молекул влияет не только температура, но и давление, вязкость вещества и его концентрация, сопротивление диффузии, расстояние, которое проходят молекулы при их перемещениях, и их масса. Например, если сравнить как происходит процесс диффузии в воде и в мёде, когда все другие переменные, кроме вязкости, равны, то очевидно, что молекулы в воде движутся и диффундируют быстрее, чем в мёде, так как у мёда более высокая вязкость.
Для движения молекулам необходима энергия, и чем быстрее они движутся, тем больше энергии им требуется. Тепло — один из видов энергии, используемой в этом случае. То есть, если поддерживать в веществе определенную температуру, то молекулы будут двигаться, а если температуру увеличить, то и движение ускорится. Энергию в форме тепла получают, сжигая топливо, например природный газ, уголь, или древесину. Если нагреть несколько веществ, используя одинаковое количество энергии, то некоторые вещества, скорее всего, будут нагреваться быстрее, чем остальные, из-за более интенсивной диффузии. Теплоемкость и удельная теплоемкость описывают как раз эти свойства веществ.
Удельная теплоемкость определяет какое количество энергии (то есть, тепла) требуется, чтобы изменить температуру тела или вещества определенной массы на определенную величину. Это свойство отличается от теплоемкости, которая определяет количество энергии, необходимое чтобы изменить температуру всего тела или вещества на определенную температуру. В вычислениях теплоемкости, в отличие от удельной теплоемкости, не учитывают массу. Теплоемкость и удельную теплоемкость вычисляют только для веществ и тел в устойчивом агрегатном состоянии, например для твердых тел. В этой статье рассматриваются оба эти понятия, так как они взаимосвязаны.
Теплоемкость и удельная теплоемкость материалов и веществ
Металлы
У металлов очень прочная молекулярная структура, так как расстояние между молекулами в металлах и других твердых телах намного меньше, чем в жидкостях и газах. Благодаря этому, молекулы могут двигаться только на очень маленькие расстояния, и, соответственно, для того чтобы заставить их двигаться с большей скоростью необходимо намного меньше энергии, чем для молекул жидкостей и газов. Благодаря этому свойству, их удельная теплоемкость мала. Это значит, что температуру металла поднять очень легко.
С другой стороны, у воды очень высокая удельная теплоемкость, даже по сравнению с другими жидкостями, поэтому нужно намного больше энергии, чтобы нагреть одну единицу массы воды на один градус, по сравнению с веществами, удельная теплоемкость которых ниже. Вода имеет высокую теплоемкость благодаря прочным связям между атомами водорода в молекуле воды.
Вода — один из главных составляющих всех живых организмов и растений на Земле, поэтому ее удельная теплоемкость играет большую роль для жизни на нашей планете. Благодаря высокой удельной теплоемкости воды, температура жидкости в растениях и температура полостной жидкости в организме животных мало изменяется даже в очень холодные или очень жаркие дни.
Вода обеспечивает систему поддержания теплового режима как у животных и растений, так и на поверхности Земле в целом. Огромная часть нашей планеты покрыта водой, поэтому именно вода играет большую роль в регулировании погоды и климата. Даже при большом количестве тепла, поступающем в результате воздействия солнечного излучения на поверхность Земли, температура воды в океанах, морях и других водоемах увеличивается постепенно, и окружающая температура тоже меняется медленно. С другой стороны, влияние на температуру интенсивности тепла от солнечного излучения велико на планетах, где нет больших поверхностей, покрытых водой, таких как Земля, или в районах Земли, где мало воды. Это особенно заметно, если посмотреть на разность дневных и ночных температур. Так, например, вблизи океана разница между дневной и ночной температурами невелика, но в пустыне она огромна.
Высокая теплоемкость воды также означает, что вода не только медленно нагревается, но и медленно остывает. Благодаря этому свойству воду часто используют как хладагент, то есть, как охлаждающую жидкость. К тому же, использовать воду выгодно благодаря ее низкой цене. В странах с холодным климатом горячая вода циркулирует в трубах для обогрева. В смеси с этиленгликолем ее используют в радиаторах автомобилей для охлаждения двигателя. Такие жидкости называют антифризом. Теплоемкость этиленгликоля ниже, чем теплоемкость воды, поэтому теплоемкость такой смеси тоже ниже, а значит эффективность системы охлаждения с антифризом также ниже, чем системы с водой. Но с этим приходится мириться, так как этиленгликоль не дает воде замерзнуть зимой и повредить каналы системы охлаждения автомобиля. В охлаждающие жидкости, предназначенные для более холодного климата, добавляют больше этиленгликоля.
Теплоемкость в повседневной жизни
При прочих равных условиях, теплоемкость материалов определяет, как быстро они нагреваются. Чем выше теплоемкость, тем больше энергии необходимо, чтобы нагреть этот материал. То есть, если два материала с разной теплоемкостью нагревать одинаковым количеством тепла и в одинаковых условиях, то вещество с меньшей теплоемкостью будет быстрее нагреваться. Материалы с высокой теплоемкостью, наоборот, нагреваются и отдают тепло назад в окружающую среду медленнее.
Кухонные принадлежности и посуда
Чаще всего мы выбираем материалы для посуды и кухонных принадлежностей, основываясь на их теплоемкости. Это в основном касается предметов, которые напрямую контактируют с теплом, например кастрюль, тарелок, форм для выпекания, и другой аналогичной посуды. Например, для кастрюль и сковородок лучше использовать материалы с низкой теплоемкостью, например металлы. Это помогает теплу легче и быстрее передаваться от нагревателя через кастрюлю к продуктам питания и ускоряет процесс приготовления пищи.
С другой стороны, так как материалы с высокой теплоемкостью долго держат тепло, их хорошо использовать для изоляции, то есть когда необходимо сохранить тепло продуктов, и не дать ему уйти в окружающую среду или, наоборот, не дать теплу помещения нагреть охлажденные продукты. Чаще всего такие материалы используют для тарелок и чашек, в которых подают горячую или, наоборот, очень холодную еду и напитки. Они помогают не только сохранить температуру продукта, но и не дают людям обжечься. Посуда из керамики и вспененного полистирола — хорошие примеры использования таких материалов.
Теплоизолирующие продукты питания
В зависимости от ряда факторов, например содержания воды и жира в продуктах, их теплоемкость и удельная теплоемкость бывает разной. В кулинарии знания о теплоемкости продуктов дают возможность использовать некоторые продукты для изоляции. Если теплоизолирующими продуктами накрыть другую еду, то они помогут этой еде под ними дольше сохранить тепло. Если у блюд под этими теплоизолирующими продуктами высокая теплоемкость, то они и так медленно отдают тепло в окружающую среду. После того, как они хорошо прогреются, они теряют тепло и воду еще медленнее благодаря изолирующим продуктам сверху. Поэтому они дольше остаются горячими.
Пример теплоизолирующего продукта — сыр, особенно на пицце и других похожих блюдах. Пока он не расплавился, он пропускает водяные пары, что позволяет продуктам под ним быстро остыть, так как содержащаяся в них вода испаряется и при этом охлаждает содержащие ее продукты. Растаявший же сыр покрывает поверхность блюда и изолирует продукты под ним. Часто под сыром оказываются продукты с высоким содержанием воды, например соусы и овощи. Благодаря этому у них высокая теплоемкость, и они долго держат тепло, особенно потому, что находятся под расплавленным сыром, который не выпускает наружу водяные пары. Именно поэтому пицца из духовки настолько горяча, что можно легко обжечься соусом или овощами, даже когда тесто по краям уже остыло. Поверхность пиццы под сыром долго не остывает, что делает возможным доставку пиццы на дом в хорошо изолированной термо-сумке.
Белый молочный соус на горячем бутерброде крок-месье изолирует продукты под ним, и помогает им долго оставаться теплыми
В некоторых рецептах соусы используют так же, как и сыр, для теплоизоляции продуктов под ним. Чем больше содержание жира в соусе, тем лучше он изолирует продукты — особенно хороши в этом случае соусы, основанные на масле или сливках. Это опять связано с тем, что жир препятствует испарению воды и, следовательно, отбору тепла, требуемого для испарения.
В кулинарии для термоизоляции иногда используют также материалы, не пригодные в пищу. Повара в странах Центральной Америке, на Филиппинах, в Индии, Таиланде, Вьетнаме и во многих других странах часто используют в этих целях листья банана. Их можно не только собрать в саду, но и купить в магазине или на рынке — их даже импортируют для этих целей в страны, где не выращивают бананы. Иногда в целях изоляции используют алюминиевую фольгу. Она не только предотвращает испарение воды, но и помогает сохранить тепло внутри за счет предотвращения теплопередачи в форме излучения. Если обернуть в фольгу крылышки и другие выступающие части птицы при ее запекании, то фольга не даст им перегреться и сгореть.
Приготовление пищи
У продуктов с высоким содержанием жира, например у сыра, низкая теплоёмкость. Они сильнее нагреваются при меньшем количестве энергии, по сравнению с продуктами с высокой теплоёмкостью, и достигают температур, достаточно высоких для того, чтобы произошла реакция Майяра. Реакция Майяра — это химическая реакция, которая происходит между сахарами и аминокислотами, и изменяет вкус и внешний вид продуктов. Эта реакция важна в некоторых способах приготовления пищи, например для выпечки хлеба и кондитерских изделий из муки, запекания продуктов в духовом шкафу, а также для жарения. Чтобы увеличить температуру продуктов до температуры, при которой протекает эта реакция, в кулинарии используют продукты с высоким содержанием жира.
Сахар в кулинарии
Помадку делают из молока, сахара и масла, которые смешивают и нагревают до стадии мягкого шара, то есть до температуры 116 °C (240 °F)
Удельная теплоемкость сахара еще ниже, чем у жира. Так как сахар быстро нагревается до температур более высоких, чем температура кипения воды, работа с ним на кухне требует соблюдения правил безопасности, особенно во время приготовления карамели или конфет. Необходимо быть предельно осторожным, расплавляя сахар, и не пролить его на незащищенную кожу, так как температура сахара достигает 175° C (350° F) и ожог от расплавленного сахара будет очень серьезный. В некоторых случаях необходимо проверить консистенцию сахара, но этого ни в коем случае нельзя делать голыми руками, если сахар нагрет. Часто люди забывают, как быстро и насколько сильно сахар может нагреться, поэтому и получают ожоги. В зависимости от того, для чего нужен расплавленный сахар, его консистенцию и температуру можно проверить, используя холодную воду, как описано ниже.
Свойства сахара и сахарного сиропа изменяются в зависимости от того, при какой температуре его готовить. Горячий сахарный сироп может быть жидким, как самый жидкий мед, густым, или где-то между жидким и густым. В рецептах конфет, карамели и сладких соусов обычно указана не только температура, до которой должен быть нагрет сахар или сироп, но и стадия твердости сахара, например стадия «мягкого шара» или стадия «твердого шара». Название каждой стадии соответствует консистенции сахара. Чтобы определить консистенцию кондитер капает несколько капель сиропа в ледяную воду, охлаждая их. После этого консистенцию проверяют на ощупь. Так, например, если охлажденный сироп загустел, но не затвердел, а остается мягким и из него можно слепить шарик, то считается, что сироп в стадии «мягкого шара». Если форму застывшего сиропа очень трудно, но все же можно изменить руками, то он в стадии «твердого шара». Кондитеры часто используют пищевой термометр а также проверяют консистенцию сахара вручную.
Пищевая безопасность
Зная теплоемкость продуктов, можно определить, как долго их нужно охлаждать или нагревать, чтобы достичь температуры, при которой они не будет портиться, и при которой погибают вредные для организма бактерии. Например, чтобы достичь определенной температуры, продукты с более высокой теплоемкостью охлаждают или нагревают дольше, чем продукты с низкой теплоемкостью. То есть, продолжительность приготовления блюда зависит от того, какие в него входят продукты, а также — насколько быстро из него испаряется вода. Испарение важно, так как оно требует больших затрат энергии. Часто, чтобы проверить, до какой температуры нагрелось блюдо или продукты в нем, используют пищевой термометр. Особенно удобно использовать его во время приготовления рыбы, мяса и птицы.
Микроволновые печи
То, насколько эффективно нагревается еда в микроволновой печи, зависит, кроме других факторов, от удельной теплоемкости продуктов. Микроволновое излучение, вырабатываемое магнетроном микроволновой печи, заставляет молекулы воды, жира и некоторых других веществ двигаться быстрее, в результате чего еда нагревается. Молекулы жира легко заставить двигаться благодаря их низкой теплоемкости, и поэтому жирная еда нагревается до более высоких температур, чем еда, содержащая много воды. Достигнутая температура может быть настолько высока, что ее достаточно для реакции Майяра. Продукты с высоким содержанием воды не достигают таких температур из-за высокой теплоемкости воды, поэтому и реакция Майяра в них не протекает.
Высокие температуры, которых достигает жир в микроволновой печи, позволяют получить жареную корочку у некоторых продуктов, например бекона, но эти температуры могут представлять опасность при использовании микроволновых печей, особенно если не следовать правилам пользования печью, описанными в инструкции по эксплуатации. Например, когда в печи разогревают или готовят блюда из жирных продуктов, то не следует использовать пластмассовую посуду, так как даже посуда для микроволновых печей не рассчитана на температуры, которых достигает жир. Также следует не забывать, что жирная еда очень горяча, и есть ее осторожно, чтобы не обжечься.
Читайте также: