6.2. Питома теплоємність будівельних матеріалів

По відношенню до впливу теплоти визначають технологічні та експлуатаційні характеристики матеріалів. Окрім теплопровідності, до теплофізичних властивостей відноситься питома теплоємність, яка залежить від хімічного складу і будови матеріалів, їх температури та вологості.

За визначенням питома теплоємність речовини С дорівнює кількості теплоти Q , яку необхідно передати тілу одиничної маси, щоб нагріти його на один градус:

c = Q / m( Т – Т ) = Q/(m ΔT) (6.18)

Питома теплоємність С в системі одиниць СІ вимірюється в Дж/кгК. При необхідності можна скористатись співвідношенням 1ккал/кгС = 4,1868 кДж/кгК.

Знання значень питомої теплоємності будівельних матеріалів потрібні для теплотехнічних розрахунків. Так питома теплоємність скла знаходиться в досить широких межах - від 0,335 до 1,047 кДж/кгК, природних й штучних кам'яних матеріалів від 0,754 до 0,921 кДж/кгК. Для органічних матеріалів вона, значно вища, ніж для неорганічних.

Підвищення теплоємності із зростанням температури виражається лінійною залежністю:

с = с₀(1+αT) (6.19)

де с - питома теплоємність при 0°С; α - константа; T - абсолютна температура.

Для матеріалів, які нагрівають до дуже високих температур, користуюся залежністю:

с = a + вT +с΄T (6.20)

де а, в, с' - емпіричні коефіцієнти.

6.2.1. Визначення питомої теплоємності матеріалів калориметричним методом змішування

М

Рис. 6.5. Калориметр змішування

етоди калориметрії застосовуються у багатьох галузях науки і техніки, тому існує чимало конструкцій калориметрів. Найпростіший і поширений, так званий калориметр змішування приведено на рис. 6.5, який складається з металевої посудини циліндричної форми 1, яка для запобігання контакту з зовнішнім середовищем розміщена на теплоізоляційній підставці 5 у посудині 2 більших розмірів. Для вирівнювання температури рідини (води) по всьому об'єму користуються мішалкою 3. Термометром 4 вимірюють температуру рідини на початку і в кінці процесу теплообміну.

При калориметричних вимірюваннях теплових сталих різних речовин енергія витрачається не лише на забезпечення протікання досліджуваного процесу, а й на нагрівання калориметра, термометра, мішалки та інших частин калориметричної установки. Ці затрати теплової енергії необхідно визначати та враховувати при обчисленні сталих речовин. Нерідко безпосереднє визначення затрат теплової енергії ускладнюється відсутністю відомостей про природу і масу матеріалів, з яких виготовлені частини установки. Тому в практиці калориметричних вимірювань широко використовуються так звані водяні еквіваленти різних тіл.

Під водяним еквівалентом К будь-якого тіла розуміють кількість теплової енергії, необхідної для нагрівання його на 1°С, яка чисельно дорівнює масі води, для нагрівання якої на 1°С потрібна така ж кількість теплової енергії, як і для нагрівання тіла.

Якщо К калориметра, мішалки і термометра незначні порівняно з кількістю теплоти, яка витрачається на протікання досліджуваних процесів, і вимірювання теплових сталих цих процесів не забезпечують достатньої точності результатів, то їх не визначають і не беруть до уваги при остаточних підрахунках. В інших випадках водяні еквіваленти обчислюють або знаходять дослідним шляхом (калориметричним методом).

При певних вимірюваннях можна вважати , що рідина, калориметр і його допоміжні частини за час досліду не встигнуть віддати помітну кількість теплоти зовнішньому середовищі. При прецизійних калориметричних вимірюваннях необхідно вносити відповідні поправки.

Водяний еквівалент ртутного термометра можна визначати як дослідним, так і розрахунковим шляхом, спиртових термометрів - лише дослідним, оскільки водяні еквіваленти скла та спирту, взятих в однакових об'ємах, значно відрізняються між собою. Відомо, що водяний еквівалент ртутного термометра можна визначити за виміряним об'ємом його зануреної частини, прийнявши, що водяний еквівалент одиниці об'єму ртутного термометра становить 0,46 кал/градсм³. Об'єм зануреної частини термометра V знаходять за допомогою мензурки. Тоді водяний еквівалент ртутного термометра становить:

К_т = 0,46V кал/град. (6.21)

Визначення питомої теплоємності речовин методом змішування ґрунтується на термодинамічному принципі, за яким тіла при контакті обмінюються теплом до моменту досягнення однакової температури.

Для визначення питомої теплоємності твердого тіла його нагрівають у спеціальному нагрівнику та занурюють у калориметр з холодною водою.

Нехай маса тіла m , початкова температура t , його кінцева температура t. Тоді кількість тепла, яку віддасть тіло при охолодженні:

Q = mc (t – t) (6.22)

Якщо втрати в зовнішнє середовище дуже малі, ними можна знехтувати. Тоді кількість теплоти на нагрівання води та калориметра:

Q = (m c + m c + 0,46V)(t –t ) (6.23)

де m - маса води в калориметрі; t - її температура до експерименту; c₁ - її теплоємність; m₂ - маса калориметра з мішалкою; c₂ - питома теплоємність калориметра з мішалкою; 0,46 V - водяний еквівалент термометра (V - об'єм зануреного термометра).

Користуючись законом збереження і перетворення енергії та нехтуючи обміном теплоти з зовнішнім середовищем, на підставі рівностей (6.22) та (6.23) записуємо:

mc (t – t) = (m c + m c + 0,46V)(t –t ) (6.24)

звідки

c = (m c + m c + 0,46V)(t –t ) / m(t – t) (6.25)