Удельная теплоёмкость

Теплоёмкость — способность материала при нагревании поглощать определённое количество тепла, а при остывании его отдавать.

Удельная теплоёмкость С_р, (Дж/кг·К) или (Дж/кмоль·К) — это количество энергии (теплоты), необходимое для повышения температуры единицы массы тела на один градус

,

где m — масса материала, кг;

Δt — разность температур материала до и после нагревания, К;

Q — количество теплоты, переданное образцу.

Удельная теплоёмкость С_р уменьшается с увеличением порядкового номера элемента в таблице Менделеева.

Удельные теплоёмкости разных металлов различны и, как правило, значительно меньше, чем у других веществ, благодаря хорошей теплопроводности. Например, у алюминия Al С_р = 880 Дж/кг·К; у железа Fe С_р = 460 Дж/кг·К; у меди Сu С_р = 385 Дж/кг·К; свинца Pb С_р = 130 Дж/кг·К.

Удельная теплоёмкость С_р слабо растёт с повышением температуры и сильно меняется при фазовых превращениях. Известно также, что при высоких температурах теплоёмкость металлов и других кристаллических тел почти не изменяется и близка к постоянному значению. С понижением температуры теплоёмкость начинает быстро падать. Вблизи абсолютного нуля теплоёмкость всех тел стремится к нулю. При криогенных температурах даже малое количество теплоты существенно изменяют температуру материала.

Теплопроводность и температуропроводность

Теплопроводность λ, (кВт/м·ºС) (или Дж/м·с·К) характеризует скорость передачи тепловой энергии oт одной части тела к другой (молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента температуры). При этом теплопроводность не сопровождается перемещением составляющих тело частиц. Как ранее было сказано, хорошая теплопроводность металлов обусловлена высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением ионов. Теплопроводность λ является мерой быстроты выравнивания температур различных точек тела, или мерой количества переносимого тепла при заданной разности температур в различных точках тела. Чем больше теплопроводность λ, тем скорее тело приближается к состоянию теплового равновесия. Чем выше теплопроводность λ, тем равномернее распределение температуры по объёму тела.

Коэффициент теплопроводности λ характеризует количество тепла, проходящего через материал толщиной 1 м, через площадь поверхности 1 м², за время 1 с, при разности температур на противоположных поверхностях 1 К

,

где Q — тепло, переданное от обогреваемой поверхности к более холодной;

δ — толщина образца (изделия), мм;

S — площадь обогреваемой поверхности, м²;

Δt — разность температур противоположных поверхностей образца, ºC (К);

τ — время, с.

Числовые значения коэффициента теплопроводности зависят от вида материала.

Известен ряд металлов по мере увеличения теплопроводности: Pb, Fe, Sn, Zn, Mg, Al, Au, Сu, Ag.

Температуропроводность — способность образца материала (изделия) изменять температуру при нагревании (охлаждении). Температуропроводность характеризуется коэффициентом температуропроводности α (м²/с).

Коэффициент температуропроводности характеризует скорость изменения температуры материала и может быть определён по формуле:

;

где λ — коэффициент теплопроводности материала;

C_p — удельная теплоёмкость материала;

ρ — удельный вес материала.