2. Теплофизические свойства веществ

Температура t, как известно, являясь параметром состояния тела, характеризует степень его нагретости и выражается в градусах. Отсчет (как от нуля) температуры ведут либо от температуры таяния льда (градусы Цельсия, °С), либо от абсолютного нуля (градусы Кельвина, К). Шкалы Цельсия и Кельвина лишь смещены одна относительно другой на 273,16 градуса, при этом цена деления, т.е. размер одного градуса, у них одинакова. Поэтому разности температур и численные значения величин, приходящихся на один градус, в этих шкалах совпадают.

Физические, в том числе и теплофизические свойства тел, в той или иной степени зависят от температуры, которая на практике изменяется в широких пределах. Для упрощения инженерных расчетов вводится так называемая определяющая температура t_опр, по которой находят все физические константы. Величина определяющей температуры не имеет универсального значения, а выбирается при построении расчетных зависимостей по-разному, исходя из лучшего их согласования с опытом. Чаще всего в качестве определяющей принимается либо среднеарифметическая температура потока жидкости или газа, либо средняя температура омываемой потоком поверхности стенки, либо среднеарифметическая температура из значений температуры жидкости или газа и стенки.

Теплоемкость c – это количество теплоты, необходимое для нагревания вещества на один градус. Обычно оперируют удельной теплоемкостью, отнесенной к единице массы тела и измеряемой в .

Теплоемкость, соответствующая бесконечно малому повышению температуры, называют истинной c_ист:

.

Среднюю теплоемкость определяют при условии повышения температуры на конечную величину:

.

Если теплоемкость отнесена к одному молю вещества, то она носит название молярной и измеряется в .

Различают теплоемкость при постоянном объеме и теплоемкость при постоянном давлении ; в первом случае в процессе нагревания вещества поддерживается постоянным объем, во втором случае – давление. Удельная теплоемкость при постоянном давлении всегда больше, чем удельная теплоемкость при постоянном объеме, т.е.

,

так как в случае нагревания при постоянном давлении часть теплоты идет на работу расширения вещества, а часть – на увеличение его внутренней энергии, в то время как в случае нагревания при постоянном объеме вся теплота расходуется только на увеличение внутренней энергии. Для твердых и жидких веществ разность между и мала. Для идеальных газов

,

где R – универсальная газовая постоянная.

Теплопроводность характеризует способность тела проводить теплоту, зависит от природы вещества, являясь его индивидуальным свойством. Коэффициент теплопроводности  выражает количество тепла, передаваемое за 1 с через 1 м² поверхности при градиенте температуры 1 °С на 1 м длины нормали к изотермической поверхности. Численные значения коэффициентов теплопроводности определяются опытным путем и приводятся в справочной литературе. Измеряется коэффициент теплопроводности в .

Из сопоставления опытных данных следует, что значения коэффициента теплопроводности для разных веществ сильно разнится, а для одного и того же вещества зависит от температуры, плотности, структуры, влажности и других факторов.

Наибольшая теплопроводность наблюдается у металлов, для которых значения  при 20 °С находятся в пределах 2,3–418 Вт/(мК), причем наибольшее значение соответствует серебру. Высокий коэффициент теплопроводности имеют также медь (  395), золото (  300), алюминий (  210), цинк (  113). На коэффициенты теплопроводности металлов оказывают большое влияние примеси и их концентрация, а также структурные изменения, вызванные термической обработкой, ковкой, вытяжкой и т.д.

Коэффициенты теплопроводности неметаллических материалов лежат в пределах 0,02–3 Вт/(мК) и зависят от природы этих материалов, их плотности, пористости, влажности, структурных особенностей. С повышением температуры значения  для неметаллических материалов, как правило, возрастают, а с увеличением пористости уменьшаются. Увлажнение пористых материалов вызывает рост значения коэффициента теплопроводности вследствие вытеснения воздуха водой, отличающейся более высокой теплопроводностью. При этом  влажного материалов часто превышает значения этого коэффициента для сухого материала и воды в отдельности.

Коэффициенты теплопроводности жидкостей составляют 0,09–0,7 Вт/(мК), причем в области низких давлений для всех жидкостей, кроме воды и глицерина, они снижаются с повышением температуры. В области же высоких давлений наблюдается рост  с увеличением как температуры, так и давления. Влияние давления на знаяения  оказывается большим для жидкостей с более высокой сжимаемостью и более низкой температурой кипения.

Коэффициенты теплопроводности газов находятся в пределах 0,006–0,6 Вт/(мК), они растут, как правило, с температурой, но не зависят от давления в средней его области. При высоких давлениях  увеличивается, а при давлениях ниже 0,13 Па уменьшается. С ростом молекулярной массы газа значения коэффициента теплопроводности, как правило, снижается. Коэффициенты теплопроводности газовых смесей, как и жидких, не подчиняются правилу аддитивности.

Температуропроводность характеризует скорость изменения температуры вещества. Чем выше коэффициент температуропроводности тела а, тем больше в нем скорость распространения температуры. т.е. тем быстрее оно нагревается или охлаждается при прочих равных условиях. В качестве коэффициента температуропроводности принят комплекс физических величин, в который входят коэффициент теплопроводности , удельная теплоемкость с_р и плотность ρ вещества, м²/с:

.

Энтальпия , I – тепло, которое содержит в себе тело (теплосодержание), измеряется в Дж/кг.

Энтальпию принято отсчитывать от некой температуры t°, при которой энтальпия принята равной нулю (i = 0). В качестве такой температуры чаще всего принимают 0 °С. При рабочей температуре, если отсутствует изменение агрегатного состояния вещества, энтальпию определяют интегралом

.

Если изменением теплоемкости с изменением температуры можно пренебречь (с = const), то

,

а при

.

В практических расчетах в подавляющем большинстве случаев оперируют разностями энтальпий, поэтому точка отсчета энтальпий и их абсолютные значения роли не играют.

Если вещество при имеет иное агрегатное состояние по отношению к рабочей температуре , то энтальпия определяется с учетом теплоты фазовых превращений:

,

где  – удельная теплота фазового превращения (парообразования, конденсации, плавления и т.д.), Дж/кг.

Удельная теплота парообразования  – это количество теплоты, необходимое для превращения в пар 1 кг жидкости при температуре ее кипения, размерность – Дж/кг.

Теплоту парообразования жидкости при давлении р можно определить по уравнению Клапейрона–Клаузиса, Дж/кг:

.

В этом уравнении и  – теплоты парообразования данной и стандартной жидкости (например, воды); М, Т и М₀, Т₀ – молекулярные массы и температуры кипения данной и стандартной жидкости;  – отношение разности температур кипения стандартной жидкости к разности температур кипения данной жидкости при пределах одних и тех же давлений р и р₁.

Удельная теплота конденсации представляет собой количество тепла, выделяющееся при конденсации 1 кг пара. Эта характеристика присуща процессу обратному парообразованию, численно равна удельной теплоте парообразования и обозначается той же буквой .

Конденсация, как и кипение, индивидуальных веществ происходит при неизменной температуре . Она, согласно правилу Ле-Шателье, возрастает с повышением давления (поскольку плотность пара всегда ниже плотности жидкости).

Удельной теплотой плавления (затвердевания) называют количество теплоты, необходимой для плавления (выделяющейся при затвердевании) 1 кг вещества. В большинстве случаев слабо зависит от температуры. Характер зависимости от давления в соответствие с правилом Ле-Шателье определяется соотношением плотностей вещества в жидком и твердом состоянии. Измеряется удельная теплота плавления также в Дж/кг.

Аналогичным образом вводится понятие о теплоте сублимации (десублимации).