Как мы уже знаем, внутренняя энергия тела может изменяться как при совершении работы, так и при помощи теплопередачи (не совершая работу). Главное различие между работой и количеством теплоты заключается в том, что работа определяет процесс преобразования внутренней энергии системы, который сопровождается трансформацией энергии из одного вида в другой.
В том случае, если изменение внутренней энергии протекает с помощью теплопередачи , переход энергии из одного тела в другое осуществляется за счет теплопроводности , излучения, либо конвекции .
Энергия, которую тело теряет или получает во время теплопередачи, называется количеством теплоты.
При вычислении количества теплоты, необходимо знать, какие величины влияют на него.
От двух одинаковых горелок будем нагревать два сосуда. В одном сосуде 1 кг воды, в другом – 2 кг. Температура воды в двух сосудах изначально одинакова. Мы можем видеть, что за одно и тоже время вода в одном из сосудов нагревается быстрее, хотя оба сосуда получают равное количество теплоты.
Таким образом, делаем вывод: чем больше масса данного тела, тем большее количество теплоты следует затратить, для того чтобы понизить, или повысить его температуру на такое же количество градусов.
Когда тело остывает, оно отдает соседним предметам тем большее количество теплоты, чем больше его масса.
Мы все знаем, что если нужно нагреть полный чайник воды до температуры 50°C, мы затратим меньше времени на это действие, чем для нагревания чайника с тем же объемом воды, но только до 100 °C. В случае номер один воде будет отдано меньшее количество теплоты, нежели во втором.
Таким образом, количество теплоты, требуемое для нагревания, напрямую зависит от того, на сколько градусов сможет нагреться тело. Можно сделать вывод: количество теплоты напрямую зависит от разности температур тела.
Но возможно ли определить количество теплоты, требуемой не для нагревания воды, а какого-нибудь другого вещества, допустим, масла, свинца или железа.
Наполним один сосуд водой, а другой наполним растительным маслом. Массы воды и масла равные. Оба сосуда будем равномерно подогревать на одинаковых горелках. Начнем опыт при равной начальной температуре растительного масла и воды. Через пять минут, измерив температуры нагревшихся масла и воды, мы заметим, что температура масла намного выше температуры воды, хотя обе жидкости получали одинаковое количество тепла.
Напрашивается очевидный вывод: при нагревании равных масс масла и воды при одинаковой температуре нужно разное количество теплоты.
И мы тут же делаем еще одни вывод: количество теплоты, которое требуется для нагревания тела, напрямую зависит от вещества, из которого состоит само тело (рода вещества).
Таким образом, количество теплоты, нужное для нагревания тела (либо выделяемое при остывании), напрямую зависит от массы данного тела, вариативности его температуры, а также рода вещества.
Количество теплоты обозначают символом Q. Как и другие различные виды энергии, количество теплоты измеряется в джоулях (Дж) либо в килоджоулях (кДж).
1 кДж = 1000 Дж
Однако история показывает, что ученые стали измерять количество теплоты задолго того, как в физике появилось такое понятие как энергия. В то время, была выведена специальная единица для измерения количества теплоты – калория (кал) либо килокалория (ккал). Слово имеет латинские корни, калор – жара.
1 ккал = 1000 кал
Калория – это то количество теплоты, которое нужно для нагревания 1 г воды на 1°C
1 кал = 4,19 Дж ≈ 4,2 Дж
1 ккал = 4190 Дж ≈ 4200 Дж ≈ 4,2 кДж
Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Теплота - энергия, передаваемая от более нагретого тела менее нагретому при непосредственном соприкосновении или излучением.
Мерой интенсивности движения молекул является температура .
Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).
Теплота играет важную роль в жизни человека, в том числе и в функционировании его организма. Часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в теплоту, благодаря чему температура тела поддерживается вблизи 37°С. Тепловой баланс тела человека зависит также от температуры окружающей среды, и люди вынуждены расходовать много энергии на обогрев жилых и производственных помещений зимой и на охлаждение их летом. Большую часть этой энергии поставляют тепловые машины, например котельные установки и паровые турбины электростанций , работающих на ископаемом топливе (угле , нефти) и вырабатывающих электроэнергию .
До конца 18 в. теплоту считали материальной субстанцией, полагая, что температура тела определяется количеством содержащейся в нем <калорической жидкости>, или <теплорода>. Позднее Б.Румфорд, Дж.Джоуль и другие физики того времени путем остроумных опытов и рассуждений опровергли <калорическую> теорию, доказав, что теплота невесома и ее можно получать в любых количествах просто за счет механического движения. Теплота сама по себе не является веществом - это всего лишь энергия движения его атомов или молекул . Именно такого понимания теплоты придерживается современная физика.
В этой статье мы рассмотрим, как связаны между собой теплота и температура и каким образом измеряют эти величины. Предметом нашего обсуждения будут также следующие вопросы: передача теплоты от одной части тела к другой; перенос теплоты в вакууме (пространстве, не содержащем вещества); роль теплоты в современном мире.
Теплота и температура
Количество тепловой энергии в веществе нельзя определить, наблюдая за движением каждой его молекулы по отдельности. Напротив, только изучая макроскопические свойства вещества, можно найти усредненные за некий период времени характеристики микроскопического движения многих молекул. Температура вещества - это средний показатель интенсивности движения молекул , энергия которого и есть тепловая энергия вещества.
Один из самых привычных, но и наименее точных способов оценки температуры - на ощупь. Трогая предмет, мы судим о том, горячий он или холодный, ориентируясь на свои ощущения. Конечно, эти ощущения зависят от температуры нашего тела, что подводит нас к понятию теплового равновесия - одному из важнейших при измерении температуры.
Тепловое равновесие
Тепловое равновесие между телами А и В
Очевидно, что если два тела A и B плотно прижать друг к другу, то, потрогав их спустя достаточно долгое время, мы заметим, что температура их одинакова. В этом случае говорят, что тела A и B находятся в тепловом равновесии друг с другом. Однако тела, вообще говоря, не обязательно должны соприкасаться, чтобы между ними существовало тепловое равновесие, - достаточно, чтобы их температуры были одинаковыми. В этом можно убедиться с помощью третьего тела C, приведя его сначала в тепловое равновесие с телом A, а затем сравнив температуры тел C и B. Тело C здесь играет роль термометра . В строгой формулировке этот принцип называется нулевым началом термодинамики : если тела A и B находятся в тепловом равновесии с третьим телом C, то эти тела находятся также в тепловом равновесии друг с другом. Этот закон лежит в основе всех способов измерения температуры.
Измерение температуры
Температурные шкалы
Термометры
Термометры основанные на электрических эффектах
Если мы хотим проводить точные эксперименты и вычисления, то таких оценок температуры, как горячий, теплый, прохладный, холодный, недостаточно - нам нужна проградуированная температурная шкала. Существует несколько таких шкал, и за точки отсчета в них обычно взяты температуры замерзания и кипения воды. Четыре наиболее распространенные шкалы представлены на рисунке. Стоградусная шкала, по которой точке замерзания воды соответствует 0°, а точке кипения 100°, называется шкалой Цельсия по имени А.Цельсия, шведского астронома, который описал ее в 1742. Полагают, что впервые применил эту шкалу шведский натуралист К.Линней. Сейчас шкала Цельсия является самой распространенной в мире. Температурная шкала Фаренгейта, в которой точкам замерзания и кипения воды соответствуют крайне неудобные числа 32 и 212°, была предложена в 1724 Г.Фаренгейтом. Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных странах, но ею почти не пользуются в научной литературе. Для перевода температуры по Цельсию (°С) в температуру по Фаренгейту (°F) существует формула °F = (9/5)°C + 32, а для обратного перевода - формула °C = (5/9)(°F-32).
Обе шкалы - как Фаренгейта, так и Цельсия, - весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур, в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю - точке, в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая - абсолютной термодинамической шкалой; температуры по ним измеряются в градусах Ранкина (°R) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля, а точка замерзания воды соответствует 491,7°R и 273,16 K. Число градусов и кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково, но равно 180. Градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273,16, а градусы Фаренгейта - в градусы Ранкина по формуле °R = °F + 459,7.
В основе действия приборов, предназначенных для измерения температуры, лежат разные физические явления, связанные с изменением тепловой энергии вещества, - изменения электрического сопротивления, объема, давления , излучательных характеристик, термоэлектрических свойств. Один из наиболее простых и знакомых инструментов для измерения температуры - стеклянный термометр , изображенный на рисунке. Шарик с в нижней части термометра располагают в среде или прижимают к предмету, температуру которого хотят измерить, и в зависимости от того, получает шарик тепло или отдает, расширяется или сжимается и ее столбик поднимается или опускается в капилляре. Если термометр заранее проградуирован и снабжен шкалой, то можно прямо узнать температуру тела.
Другой прибор, действие которого основано на тепловом расширении, - биметаллический термометр , изображенный на рисунке. Основной его элемент - спиральная пластинка из двух спаянных металлов с разными коэффициентами теплового расширения. При нагревании один из металлов расширяется сильнее другого, спираль закручивается и поворачивает стрелку относительно шкалы. Такие устройства часто используют для измерения температуры воздуха в помещениях и на улице, однако они не подходят для определения локальной температуры.
Локальную температуру измеряют обычно с помощью термопары , представляющей собой две проволочки из разнородных металлов, спаянные с одного конца. При нагревании такого спая на свободных концах проволочек возникает ЭДС , обычно составляющая несколько милливольт. Термопары делают из разных металлических пар: железа и константана, меди и константана, хромеля и алюмеля . Их термо-ЭДС практически линейно меняется с температурой в широком температурном диапазоне.
Известен и другой термоэлектрический эффект - зависимость сопротивления проводящего материала от температуры . Он лежит в основе работы электрических термометров сопротивления, один из которых изображен на рисунке. Сопротивление небольшого термочувствительного элемента (термопреобразователя) - обычно катушки из тонкой проволоки - сравнивают с сопротивлением проградуированного переменного резистора, используя мост Уитстона. Выходной прибор может быть проградуирован непосредственно в градусах.
Для измерения температуры раскаленных тел, испускающих видимый свет, используют оптические пирометры . В одном из вариантов этого устройства свет, излучаемый телом, сравнивают с излучением нити лампы накаливания, помещенной в фокальную плоскость бинокля, через который смотрят на излучающее тело. Электрический ток , нагревающий нить лампы, изменяют до тех пор, пока при визуальном сравнении свечения нити и тела не обнаружится, что между ними установилось тепловое равновесие. Шкала прибора может быть проградуирована непосредственно в единицах температуры.
Технические достижения последних лет позволили создать новые датчики температуры. Например, в тех случаях, когда нужна особенно высокая чувствительность, вместо термопары или обычного термометра сопротивления используют полупроводниковое устройство - термистор . В качестве термопреобразователей применяют также изменяющие свое фазовое состояние красители и жидкие кристаллы, особенно в тех случаях, когда температура поверхности тела изменяется в широком диапазоне. Наконец, используется инфракрасная термография, в которой получают ИК-изображение объекта в условных цветах, где каждый цвет отвечает определенной температуре. Этот способ измерения температуры находит самое широкое применение - от медицинской диагностики до проверки теплоизоляции помещений.
Измерение количества теплоты
Водяной калориметр
Тепловую энергию (количество теплоты) тела можно измерить непосредственно с помощью так называемого калориметра ; простой вариант такого прибора изображен на рисунке. Это тщательно теплоизолированный закрытый сосуд, снабженный устройствами для измерения температуры внутри него и иногда заполняемый рабочей жидкостью с известными свойствами, например водой . Чтобы измерить количество теплоты в небольшом нагретом теле, его помещают в калориметр и ждут, когда система придет в тепловое равновесие. Количество теплоты, переданное калориметру (точнее, наполняющей его воде), определяют по повышению температуры воды.
Количество теплоты, выделяющейся в ходе химической реакции, например горения, можно измерить, поместив в калориметр небольшую <бомбу>. В <бомбе> находятся образец, к которому подведены электрические провода для поджига, и соответствующее количество кислорода . После того как образец полностью сгорает и устанавливается тепловое равновесие, определяют, насколько повысилась температура воды в калориметре, а отсюда - количество выделившейся теплоты.
Единицы измерения теплоты
Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемных единиц количества теплоты - калорий: международная калория равна 4,1868 Дж, термохимическая калория - 4,1840 Дж. В зарубежных лабораториях результаты исследований часто выражают с помощью т.н. 15-градусной калории, равной 4,1855 Дж. Выходит из употребления внесистемная британская тепловая единица (БТЕ): БТЕ средн = 1,055 Дж.
Источники теплоты
Основными источниками теплоты являются химические и ядерные реакции, а также различные процессы преобразования энергии. Примерами химических реакций с выделением теплоты являются горение и расщепление компонентов пищи. Почти вся теплота, получаемая Землей, обеспечивается ядерными реакциями, протекающими в недрах Солнца. Человечество научилось получать теплоту с помощью управляемых процессов деления ядер, а теперь пытается использовать с той же целью реакции термоядерного синтеза. В теплоту можно превращать и другие виды энергии, например механическую работу и электрическую энергию. Важно помнить, что тепловую энергию (как и любую другую) можно лишь преобразовать в другую форму, но нельзя ни получить <из ничего>, ни уничтожить. Это один из основных принципов науки, называемой термодинамикой .
Термодинамика
Термодинамика - это наука о связи между теплотой, работой и веществом. Современные представления об этих взаимосвязях сформировались на основе трудов таких великих ученых прошлого, как Карно, Клаузиус, Гиббс, Джоуль, Кельвин и др. Термодинамика объясняет смысл теплоемкости и теплопроводности вещества, теплового расширения тел, теплоты фазовых переходов. Эта наука базируется на нескольких экспериментально установленных законах - началах.
Теплота и свойства веществ
Различные вещества обладают разной способностью накапливать тепловую энергию; это зависит от их молекулярной структуры и плотности . Количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы вещества на один градус, называется его удельной теплоёмкостью . Теплоёмкость зависит от условий, в которых находится вещество. Например, чтобы нагреть на 1 К один грамм воздуха в воздушном шаре, требуется больше теплоты, чем для такого же его нагрева в герметичном сосуде с жесткими стенками, поскольку часть энергии, сообщаемой воздушному шару, расходуется на расширение воздуха, а не на его нагревание. Поэтому, в частности, теплоёмкость газов измеряют раздельно при постоянном давлении и при постоянном объеме.
При повышении температуры интенсивность хаотического движения молекул возрастает - большинство веществ при нагревании расширяется. Степень расширения вещества при повышении температуры на 1 К называется коэффициентом теплового расширения .
Чтобы вещество перешло из одного фазового состояния в другое, например из твердого в жидкое (а иногда сразу в газообразное), оно должно получить определенное количество тепла . Если нагревать твердое тело, то его температура будет повышаться до тех пор, пока оно не начнет плавиться; до завершения плавления температура тела будет оставаться постоянной, несмотря на подвод тепла . Количество теплоты, необходимое для плавления единицы массы вещества, называется теплотой плавления. Если подводить тепло и дальше, то расплавленное вещество нагреется до кипения. Количество теплоты, необходимое для испарения единицы массы жидкости при данной температуре, называется теплотой парообразования.
Роль теплоты и ее использование
Схема работы паротурбинной электростанции
Схема холодильного цикла
Глобальные процессы теплообмена не сводятся к нагреванию Земли солнечным излучением. Массивными конвекционными потоками в атмосфере определяются суточные изменения погодных условий на всем земном шаре. Перепады температуры в атмосфере между экваториальными и полярными областями совместно с кориолисовыми силами, обусловленными вращением Земли, приводят к появлению непрерывно изменяющихся конвекционных потоков, таких, как пассаты, струйные течения, а также теплые и холодные фронты.
Перенос тепла (за счет теплопроводности) от расплавленного ядра Земли к ее поверхности приводит к извержению вулканов и появлению гейзеров. В некоторых регионах геотермальная энергия используется для обогрева помещений и выработки электроэнергии.
Теплота - непременный участник почти всех производственных процессов. Упомянем такие наиболее важные из них, как выплавка и обработка металлов, работа двигателей, производство пищевых продуктов, химический синтез, переработка нефти, изготовление самых разных предметов - от кирпичей и посуды до автомобилей и электронных устройств.
Многие промышленные производства и транспорт, а также теплоэлектростанции не могли бы работать без тепловых машин - устройств, преобразующих теплоту в полезную работу. Примерами таких машин могут служить компрессоры , турбины , паровые, бензиновые и реактивные двигатели.
Одной из наиболее известных тепловых машин является паровая турбина , в которой реализуется часть цикла Ранкина, используемого на современных электростанциях . Упрощенная схема этого цикла представлена на рисунке. Рабочую жидкость - воду - превращают в перегретый пар в паровом котле, нагреваемом за счет сжигания ископаемого топлива (угля, нефти или природного газа). Пар высокого
2. В чем измеряется теплота? Внутреннюю энергию тела и количество теплоты измеряют джоулями (Дж) или килоджоулями (кДж). Также калория - это количество теплоты, которое необходимо передать 1г воды для нагревания её на 1 оС.(1ккал-1000кал)
3. Чему равен 1 Джоуль в килокалориях? 1кал=4,1868 Дж;1ккал=4190 Дж
4. Каким образом передается тепло? Теплопроводностью, конвекцией, излучением
5. Что означает коэффициент теплопроводности, его размерность?
Λ- величина, измеряемая количеством теплоты, переданной в единицу времени через слой единичной толщины при разности температур поверхностного слоя в 1о,если площадь поверхности слоя равна 1. [ккал / (м ∙ час ∙град)] или[кал / (см∙ сек ∙град)]
6. Что такое удельная теплоемкость, ее размерность?
Удельная теплоёмкость- теплоёмкость единицы массы однородного вещества [кал / (г∙град)] [Дж / (кг ∙ о С) ]. Удельная теплоёмкость показывает, на сколько джоулей изменяется внутренняя энергия вещества массой 1кг при изменении температуры на1 о С.
6. В чем измеряется удельная теплота парообразования? Количество теплоты, необходимое для обращения в пар жидкости массой 1кг без изменения температуры, называют удельной теплотой парообразования.[Дж/кг]
7. Как выглядит аккумулирующий водонагреватель? Грубо говоря, накопительный электрический водонагреватель это большая бочка, в которой с помощью электрического нагревательного элемента (традиционного ТЭНа или его усовершенствованных разновидностей) нагревается вода. Для продления срока службы стальных водонагревателей на поверхность внутреннего бака наносятся специальные покрытия (стеклофарфор, эмаль и т.д.). Но перепады температуры и насыщенная кислородом вода ведут к разрушению покрытия бака и его коррозии. Для повышения сопротивляемости коррозии в конструкцию большинства электрических накопительных водонагревателей встраивается магниевый анод. Еще один путь борьбы с коррозией - изготовление внутреннего бака из нержавеющей стали. Практически все электрические накопительные водонагреватели оснащены термостатом, с помощью которого можно задать температуру нагрева воды, которая будет поддерживаться автоматически.
8. Какие виды НЭ используются в водонагревателях? Нагревательные элементы могут быть проволочными, ленточными, трубчатыми и электродными.
9. Какие виды нагрева вы знаете? Водонагреватели классифицируются по различным типам, самые распространенные из которых – два: по виду топлива (электрические, газовые, косвенные или комбинированные) и по способу нагрева воды (проточные и накопительные).
10. Как устроен проточный водонагреватель? В проточных водонагревателях резервуара нет, и вода, проходя сквозь бойлер, нагревается практически сразу. Большинство электрических проточных водонагревателей оснащено системой автоматического включения при начале водозабора. Проточные ВЭН могут быть косвенного и прямого нагрева, т.е.с нагревательным элементом или с электродами. НЭ - могут быть трубчатыми или спиральными. Проточные ВЭН с электродами применяются редко. Максимальная температура нагрева обычно не превышает 85оС. В случае изменения расхода горячей воды с целью поддержания постоянства tзад необходимо регулировать мощность НЭ. (См. рис.). Регулирование Рнэ осуществляется изменением напряжения на клеммах НЭ. Естественный коэффициент мощности (cos φ) проточного ВЭНа зависит от рода оборудования, используемого для регулирования Рнэ и имеет следующие значения:-трансформатор или автотрансформатор со ступенчатым регулированием напряжения cos φ=0,95÷0,98.-тиристорный регулятор напряжения с фазным управлением cos φ=0,7÷0,9.-при использовании контактора или тиристорного РН с ШИУ или питания НЭ непосредственно от сети cos φ=0,99÷1,0.
10. Каков КПД проточного водонагревателя? Более 85%
11. В каких случаях используют 3-х фазную сеть для подключения водонагревателя? Для 3-х фазных водонагревателей.
12. Как устроен жарочный шкаф? Его назначение? Жарочные шкафы, или духовки, используют для приготовления пищи. Они бывают стационарного и переносного исполнения. Жарочный шкаф служит для обжаривания мяса, рыбы, овощей, приготовления котлет и т.д. В состав шкафа входят несколько отдельных секций (2,3,4), в каждой из которых находится противень (либо стальной, либо чугунный).Нагревательные элементы, как правило трубчатые, расположены попарно в нижней части каждой секции. Самым простым агрегатом является электрическая переносная духовка. Она состоит из внутреннего и наружного корпусов, между которыми имеется теплоизоляция из листового асбеста. На верхней и нижней стенках внутреннего корпуса уложены нагревательные элементы, которые представляют собой спирали из нихромовой проволоки с надетыми на них фарфоровыми бусами. Мощность каждого элемента составляет 475 Вт, сопротивление - 25 Ом. Элементы соединены последовательно. В верхней стенке внутреннего корпуса сделаны отверстия для лучшего обогревания духовки. Наружный корпус состоит из кожуха, передней и задней стенок.
13. Как происходит управление мощностью НЭ в жарочном шкафу? Например, с помощью пакетных переключателей: для включения, выключения и переключения нагревательных элементов шкафа на различные степени мощности. Или в нижней части шкафа находится отсек оборудования, где размещены переключатели мощности (типа ПКУ-25), терморегуляторы ТК-32 (ТК-52) и сигнальные лампы типа ТЛ3-3-2.ПКУ-25 имеет 4 положения 0-II-III.I пол. – Рmin.II пол. – 0,5Рн.III пол. – Рном.Позиционное регулирование температуры в секции осуществляется с помощью ТК-32 (t=0÷330оС).Температура обжаривания (t2=180÷300оС) выбирается ручкой ТК-32.
14. Какова конструкция бытового тепловентилятора?
Бытовые тепловентиляторы служат для отопления жилых помещений.
В состав БТ входят: корпус тепловентилятора; спирали НЭ; вентилятор (осевой, центробежный); клавишные переключатели; термореле.
Обогрев помещения происходит преимущественно за счет принудительной конвенции.
Технические данные типовых бытовых электрических тепловентиляторов.
Uс, В -127, 220 В 50 Гц.
Рном. НЭ, кВт - 1,0; 1,25; 1,6; 2,0.
Qном, м3/мин - 1,0; 1,6; 2,5.
Количество n, об/мин - 2 или плавно.
Количество ступеней
Регулирования Рнэ - 2 или плавно.
На рисунке приведена типовая электрическая схема электрического тепловентилятора «Климат».
Q1÷ Q4 – клавишные переключатели. М – ЭД типа ДВ –114. R1-резистор ПЭВ- 680 Ом.
ТВ- термовыключатель. Н1, Н2- нагреватели по 1 кВт. ТВ срабатывает при повышении температуры внутри корпуса > 90оС.
Температура кожуха тепловентилятора не более 60оС.
16.Как управляется бытовой тепловентилятор? Теплопроизводительность тепловентилятора можно регулировать изменением скорости вращения вентилятора и изменением Рнэ.
Когда мы будем обсуждать способы отоплении дома, варианты снижения утечек тепла, мы должны понимать, что такое тепло, в каких единицах оно измеряется, как передается и как теряется. На этой странице будут приведены основные сведения из курса физики, необходимые для рассмотрения всех перечисленных вопросов.
Теплота — один из способов передачи энергии
Энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, называется коли́чеством теплоты́ или просто теплотой.
В строгом смысле теплота представляет собой один из способов передачи энергии, и физический смысл имеет лишь количество энергии, переданное системе, но слово «тепло-» входит в такие устоявшиеся научные понятия, как поток тепла, теплоёмкость, теплота фазового перехода, теплота химической реакции, теплопроводность и пр. Поэтому там, где такое словоупотребление не вводит в заблуждение, понятия «теплота» и «количество теплоты» синонимичны. Однако этими терминами можно пользоваться только при условии, что им дано точное определение, и ни в коем случае «количество теплоты» нельзя относить к числу первоначальных понятий, не требующих определения. Во избежание ошибок под понятием «теплота» следует понимать именно способ передачи энергии, а количество переданной этим способом энергии обозначают понятием «количество теплоты». Рекомендуется избегать такого термина, как «тепловая энергия».
Теплота — это кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).
Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемной единицы количества теплоты — калории: международная калория равна 4,1868 Дж.
Теплообмен и теплопередача
Теплопередача — это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда). Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.
Теплопроводность
Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью. Теплопроводность стержня оценивается величиной теплового потока , который зависит от коэффициента теплопроводности, площади поперечного сечения, через которое передается теплота и градиента температуры (отношения разности температур на концах стержня к расстоянию между ними). Единицей теплового потока является ватт.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ
Вещества и материалы Теплопроводность, Вт/(м^2*К)
Металлы
Алюминий ___________________205
Бронза _____________________105
Вольфрам ___________________159
Железо ______________________67
Медь _______________________389
Никель ______________________58
Свинец ______________________35
Цинк _______________________113
Другие материалы
Асбест _______________________0,08
Бетон ________________________0,59
Воздух _______________________0,024
Гагачий пух (неплотный) ______0,008
Дерево (орех) ________________0,209
Опилки _______________________0,059
Резина (губчатая) ____________0,038
Стекло _______________________0,75
Конвекция
Конвекция — это теплообмен за счет перемещения масс воздуха или жидкости. При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент конвективного теплопереноса можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается.
Тепловое излучение
Третий вид теплопередачи — лучистый теплообмен — отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение — это один из видов электромагнитного излучения.
Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения составляет примерно 1,37 Вт/м2.
Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры.
Теплоёмкость
Различные вещества обладают разной способностью накапливать тепло; это зависит от их молекулярной структуры и плотности. Количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы вещества на один градус (1 °С или 1 К), называется его удельной теплоемкостью. Теплоемкость измеряется в Дж/(кг К).
Обычно различают теплоемкость при постоянном объёме (C V ) и теплоемкость при постоянном давлении (С P ), если в процессе нагревания поддерживаются постоянными соответственно объём тела или давление. Например, чтобы нагреть на 1 К один грамм воздуха в воздушном шаре, требуется больше теплоты, чем для такого же его нагрева в герметичном сосуде с жесткими стенками, поскольку часть энергии, сообщаемой воздушному шару, расходуется на расширение воздуха, а не на его нагревание. При нагревании при постоянном давлении часть теплоты идёт на производство работы расширения тела, а часть — на увеличение его внутренней энергии, тогда как при нагревании при постоянном объёме вся теплота расходуется на увеличение внутренней энергии; в связи с этим С Р всегда больше, чем C V . У жидкостей и твёрдых тел разница между С Р и C V сравнительно мала.
Тепловые машины
Тепловые машины — это устройства, преобразующие теплоту в полезную работу. Примерами таких машин могут служить компрессоры, турбины, паровые, бензиновые и реактивные двигатели. Одной из наиболее известных тепловых машин является паровая турбина, использующаяся на современных тепловых электростанциях. Упрощенная схема такой электростанции на рисунке 1.
Рис. 1. Упрощенная схема паротурбинной электростанции, работающей на ископаемом топливе.
Рабочую жидкость — воду — превращают в перегретый пар в паровом котле, нагреваемом за счет сжигания ископаемого топлива (угля, нефти или природного газа). Пар высокого давления вращает вал паровой турбины, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электроэнергию. Отработанный пар конденсируется при охлаждении проточной водой, которая поглощает часть теплоты. Далее вода подается в охлаждающую башню (градирню), откуда часть тепла уходит в атмосферу. Конденсат с помощью насоса возвращают в паровой котел, и весь цикл повторяется.
Другим примером тепловой машины может служить бытовой холодильник, схема которого представлена на рис. 2.
В холодильниках и бытовых кондиционерах энергия для его обеспечения подводится извне. Компрессор повышает температуру и давление рабочего вещества холодильника — фреона, аммиака или углекислого газа. Перегретый газ подается в конденсатор, где охлаждается и конденсируется, отдавая тепло окружающей среде. Жидкость, выходящая из патрубков конденсатора, проходит через дросселирующий клапан в испаритель, и часть ее испаряется, что сопровождается резким понижением температуры. Испаритель отбирает у камеры холодильника тепло, которое нагревает рабочую жидкость в патрубках; эта жидкость подается компрессором в конденсатор, и цикл снова повторяется.
О единицах количества теплоты. Единицу количества теплоты - «малую» калорию - мы определили выше как количество теплоты, которое требуется для повышения температуры воды на 1 К при атмосферном давлении. Но так как теплоемкость воды при разных температурах различна, необходимо условиться о той температуре, при которой выбирается этот одноградусный интервал.
В СССР принята так называемая двадцатиградусная калория, для которой принят интервал от 19,5 до 20,5°С. В некоторых странах применяется пятнадцатиградусная калория (интервал Первая из них равна Дж, вторая - Дж. Иногда применяется средняя калория, равная одной сотой количества тепла, необходимого для нагревания воды от до
Измерение количества теплоты. Для непосредственного измерения количества теплоты, отданного или полученного телом, служат специальные приборы - калориметры.
В наиболее простой своей форме калориметр представляет собой сосуд, заполненный веществом, теплоемкость которого хорошо известна, например водой (удельная теплоемкость
Измеряемое количество теплоты тем или иным путем передается калориметру, в результате чего изменяется его температура. Измерив это изменение температуры мы получим теплоту
где с - удельная теплоемкость вещества, заполняющего калориметр, его масса.
Необходимо учитывать, что теплота передается не только веществу калориметра, но и сосуду и различным устройствам, которые могут в нем помещаться. Поэтому перед измерением нужно определить так называемый тепловой эквивалент калориметра - количество теплоты, нагревающее «пустой» калориметр на один градус. Иногда эту поправку вводят добавлением к массе воды добавочной массы теплоемкость которой равна теплоемкости сосуда и других частей калориметра. Тогда можно считать, что тепло передается массе воды, равной Величина называется водяным эквивалентом калориметра.
Измерение теплоемкости. Калориметр служит также для измерения теплоемкости. В этом случае необходимо точно знать количество подведенного (или отведенного) тепла Если известно, то удельная теплоемкость вычисляется из равенства
где масса исследуемого тела, а изменение его температуры, вызванное теплотой
Тепло к телу подводится в калориметре, который должен быть устроен так, чтобы подводимое тепло передавалось только исследуемому телу (и, конечно, калориметру), но не терялось в окружающем пространстве. Между тем такие потери тепла в какой-то мере всегда происходят, и их учет является главной заботой при калориметрических измерениях.
Измерение теплоемкости газов затруднено тем, что из-за малой их плотности теплоемкость той массы газа, которая может быть помещена в калориметр, мала. При обычных температурах она может оказаться сравнимой с теплоемкостью пустого калориметра, что неизбежно понижает точность измерений. Это особенно относится к измерению теплоемкости при постоянном объеме При определении эту трудность можно обойти, если исследуемый газ заставить протекать (при постоянном давлении) через калориметр (см. ниже).
Измерение Едва ли не единственным методом непосредственного измерения теплоемкости газа при постоянном объеме является метод, предложенный Жоли (1889 г.). Схема этого метода представлена на рис. 41.
Калориметр состоит из камеры К, в которой на концах коромысла точных весов подвешены два одинаковых полых медных шара снабженных тарелками снизу и отражателями сверху. Один из шаров откачивается, другой наполняется исследуемым газом. Для того чтобы газ имел заметную теплоемкость, его вводят под значительным давлением Массу введенного газа определяют с помощью весов, восстанавливая гирями нарушенное введением газа равновесие.
После того как между шарами и камерой установится тепловое равновесие, в камеру впускают водяной пар (трубки для входа и выхода пара расположены на передней и задней стенках камеры и на рис. 41 не показаны). Пар конденсируется на обоих шарах, нагревая их, и стекает в тарелки. Но на сфере, заполненной газом, конденсируется больше жидкости, так как ее теплоемкость больше. Из-за избытка конденсата на одном из шаров равновесие шаров снова нарушится. Уравновесив весы, мы узнаем ту избыточную массу жидкости, которая сконденсировалась благодаря присутствию газа в шаре. Если эта избыточная масса воды равна то, умножив ее на теплоту конденсации воды найдем количество теплоты, которое пошло на нагревание газа от начальной температуры до температуры водяного пара Измерив эту разность термометром, получим:
где удельная теплоемкость - газа. Зная удельную теплоемкость мы найдем, что молярная теплоемкость
Измерение Мы уже упоминали, что для измерения теплоемкости при постоянном давлении исследуемый газ заставляют протекать через калориметр. Только таким путем можно обеспечить постоянство давления газа, несмотря на подвод тепла и нагревание, без которого нельзя измерять теплоемкость. В качестве примера такого метода приведем здесь описание классического опыта Реньо ( Схема аппарата представлена на рис. 42.
Исследуемый газ из резервуара А через кран пропускают через змеевик, помещенный в сосуде с маслом В, нагреваемым каким-нибудь источником тепла. Давление газа регулируется краном а его постоянство контролируется манометром Проходя длинный путь в змеевике, газ принимает температуру масла, которая измеряется термометром
Нагретый в змеевике газ проходит затем через водяной калориметр, охлаждаясь в нем до некоторой температуры измеряемой термометром и выходит наружу. Измерив давление газа в резервуаре А в начале и в конце опыта (для этого служит манометр мы узнаем массу прошедшего через аппарат газа.
Количество теплоты отданное газом калориметру, равно произведению водяного эквивалента калориметра на изменение его температуры где начальная температура калориметра.