Căldura specifică este o unitate de măsură, care ne ajută la sistemele de termoficare. O să vreau să vă vorbesc despre niște lucruri pe viitor și atunci voi face trimitere la acest articol. Tabelul de mai jos este o informație larg disponibilă pe internet. Mai ales dacă vorbiți limba engleză sau germană, dar eu am să încerc să pun aceste valori în context. Pe pagina Tabel cu căldura specifică a diferitelor substanțe am creat un tabel complex cu multe valori a diferitelor materiale de construcții de orice fel.
Acum vom vorbi despre niște valori concrete, cu scopul de a înțelege aplicabilitatea căldurii specifice în sistemele de termoficare. Vreau să vă explic la se folosește această căldură specifică prin exemple. Vom începe cu apa și cu oțelul pentru că sunt cele mai utilizate elemente dintr-un sistem de termoficare. Ca să fiu mai precis, aceste două sunt materialele pe care le găsiți într-un radiator sau un calorifer vechi. Înainte se utilizau calorifere din fontă, dar în ultimul timp ele au fost înlocuite aproape total cu radiatoare din oțel sau din aluminiu.
Care este căldura specifică a apei?
Apa este o substanță foarte specială. În funcție de apă avem enunțate multe mărimi. De exemplu, volumul de un decimetru cub de apă, este o unitate care exprimă volumul de un litru și greutatea de un kilogram (1 dm3 = 1 litru = 1 Kg). Aceste măsuri s-au enunțat pornind de la cea mai abundentă și mai răspândită substanță de pe scoarța terestră, apa. Căldura specifică este similară pentru că ea este măsurată cu unitatea de măsură numiră calorie. Aceasta nu este o unitate de măsură utilizată în sistem internațional, dar este cea mai utilizată și înțeleasă.
O calorie sau cal, reprezintă energia necesară pentru a schimba temperatura unui gram sau ml de apă (H2O), cu un grad Celsius. Implicit o kilocalorie, sau kcal reprezintă energia necesară pentru a schimba temperatura unui kg sau a unui litru de apă cu un grad Celsius. În sistem internațional se utilizează J/(g K). Se citește Joule (unitate de măsură pentru energie) / gram de material, înmulțit cu Kelvin. Sau de câți Joule este nevoie pentru schimba temperatura unui gram de substanță cu un Kelvin.
Apa sau molecula de apă, este formată dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen. Acești doi atomi de hidrogen fac din apă o substanță care poate înmagazina foarte multă energie termică. Aici am dorit să ajung cu explicația, la înmagazinarea energiei în material sau la utilizarea apei ca agent termic. O parte din energia exprimată prin una din unitățile de măsură menționate mai sus este disipată sau „vărsată” la noi în casă prin intermediul radiatorului prin radiație și convecție, iar o altă parte se reîntoarce în sistemul de termoficare.
La ce ne ajută efectiv proprietatea termică a unui material?
Nu vă faceți griji dacă nu înțelegeți ce am scris mai sus. Nu este ușor să tot jonglezi cu diferite unități de măsură pentru energie. De fapt, de aia s-a definit unitățile de măsură în sistem internațional. Și apoi se adaugă alte confuzii, așa cum am explicat despre confuzia între calorie și kilocalorie, adică caloria de la nutriție, care este de fapt kilocalorie, nu calorie și caloria de la fizică. Sfatul meu este să rămâneți la Joule, iar dacă aveți pretenția să știți să calculați sisteme de termoficare, atunci trebuie să vă însușiți temenic manualul de fizică de clasa a X-a.
Până la urmă, indiferent ce alegeți să utilizați, ideea e că unele substanțe vor înmagazina mai multă energie termică decât altele. De exemplu, dacă am avea un rezervor de apă, el va înmagazina mai multă energie termică pe kilogram de material. Atenție! aici este vorba de masă, nu de volum. Adică, dacă greutatea este importantă, așa cum este în cazul încărcării clădirilor, este mai convenabil să utilizăm apă în radiatoare, și niciun alt material. Excepție făcând hidrogenul, care este un gaz foarte periculos, de 3 ori mai puternic decât propanul sau butanul.
Pentru că hidrogeul explodează foarte violent și este foarte coroziv, am putea utiliza următoarea substanță, anume amoniacul. Problema cu amoniacul este că tot cauzează reacții adverse pe instalație, de aceea ne vom duce o substanță mai jos, așa cum puteți observa în tabelul de mai jos, adică la apă. Apa este cea mai abundentă substanță de pe Terra, este gratis, nu este toxică, iar cunoștințele umane despre protecția instalației sunt foarte bine cunoscute. În plus, utilizăm apă și în alte instalații și este util să utilizăm aceleași materiale, țevi, tehnici și cunoștințe.
Câtă energie termică putem înmagazina într-un rezervor de apă?
Toate aceste noțiuni se referă la acest subtitlu, pentru că asta este întrebarea cea mai importantă. Anume, cum facem să înmagazină cât mai multă energie termică, pentru a avea suficientă rezervă. Fie că este vorba de alimentări mai rare ale centralei cu lemn sau de natura ciclică a centralelor electrice alimentate solar, capacitatea rezervorului este foarte importantă. Am scris un articol important care se numește 1n-cu3and – Câtă energie termică putem înmagazina într-un rezervor de apă? Acolo o să vedeți concret câtă energie se poate înmagazina într-un rezervor anume.
Evident că se pot face și alte artificii SF, precum un rezervor cu plumb lichid care este încălzit la sute de grade Celsius și care permite înmagazinarea unei cantități enorme de energie. Însă întrebarea este: ce se întâmplă cu acel plumb când se răcește prea mult și se solidifică? Sau putem spune că putem utiliza un metal lichid precum mercurul sau galiul. Metalele lichide sunt foarte toxice și foarte scumpe, iar în cazul în care curge în sol sau pe piele, te vei otrăvi, repede sau încet. Evitați astfel de soluții cu totul.
Într-un rezervor izolat, putem înmagazina energie termică în funcție de material și de temperatură, dar întrebarea e cum îl izolăm termic!? Adică nu trebuie doar să aruncăm energia în acel recipient, ci trebuie să o și păstrăm acolo pentru o perioadă de timp și să o utilizăm când avem nevoie de ea. Într-un alt articol am făcut comparația cu rezervorul de apă pentru a vă face să conștientizați niște lucruri și să înțelegeți de ce utilizăm apa ca material de înmagazinare a energiei termice.
Tabel cu căldură specifică a diferitelor substanțe ( parțial )
Acesta este un extras din tabel cu căldură specifică a diferitelor substanțe, fiind relevant textului din acest articol. Putem observa că hidrogenul este cel mai sus pe scara capacității de înmagazinare a energiei termice, însă este un combustibil foarte puternic, este foarte coroziv pentru că reacționează cu multe substanțe inclusiv metalele și deci nu îl putem utiliza. Următorul este amoniacul lichid, dar este toxic și afectează repede instalațiile. Următoarea este apa sau H2O. În tabel apare ca apă distilată.
Apoi avem metale precum cuprul sau fonta, iar motivul pentru care le-am pus acolo este că vreau să vă arăt că un calorifer masiv din fontă, nu „ține mai bine căldura”, ci apa din el o face. Avem nevoie de o capacitate tot mai mare de apă, nu de oțel, cupru sau fontă. Capacitatea fontei de a înmagazina energia termică este de aproximativ 9 ori mai mică decât a apei. În plus, apa este gratis, fonta trebuie plătită. De ce ar face cineva confuzia asta și în prezent?
| Substanța (simbolul chimic) | Căldura specifică | ||
| J/Kg K | cal/gram K | cal/ Kg K | |
| Hidrogen (H) | 14304 | 3,42 | 3420 |
| Amoniac lichid (NH3) | 4700 | 1,12 | 1120 |
| Apa distilată (H2O) | 4182 | 0,999 | 999 |
| Fontă | 460 | 0,110 | 110 |
| Cupru (Cu) | 385 | 0,092 | 92 |
| Ulei mineral | 1670 | 0,399 | 399 |
Dacă utilizăm corect informațiile explicate aici, dar și altele, atunci o să putem face un sistem termic foarte eficient și cu un cost scăzut.