Όπως ήδη γνωρίζουμε, η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος μπορεί να αλλάξει τόσο όταν εκτελεί εργασία όσο και μέσω της μεταφοράς θερμότητας (χωρίς να κάνει εργασία).
Η κύρια διαφορά μεταξύ εργασίας και ποσότητας θερμότητας είναι ότι η εργασία καθορίζει τη διαδικασία μετατροπής της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος, η οποία συνοδεύεται από τη μετατροπή της ενέργειας από τον έναν τύπο στον άλλο. Σε περίπτωση που συμβεί αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια με τη βοήθεια τουμεταφορά θερμότητας , η μεταφορά ενέργειας από το ένα σώμα στο άλλο πραγματοποιείται λόγωθερμική αγωγιμότητα , ακτινοβολία ή.
μεταγωγή Η ενέργεια που χάνει ή κερδίζει ένα σώμα κατά τη μεταφορά θερμότητας ονομάζεται
ποσότητα θερμότητας.
Κατά τον υπολογισμό της ποσότητας θερμότητας, πρέπει να γνωρίζετε ποιες ποσότητες την επηρεάζουν.
Θα θερμάνουμε δύο δοχεία χρησιμοποιώντας δύο ίδιους καυστήρες. Το ένα δοχείο περιέχει 1 κιλό νερό, το άλλο περιέχει 2 κιλά. Η θερμοκρασία του νερού στα δύο δοχεία είναι αρχικά η ίδια. Μπορούμε να δούμε ότι την ίδια ώρα, το νερό σε ένα από τα δοχεία θερμαίνεται πιο γρήγορα, αν και και τα δύο δοχεία λαμβάνουν ίση ποσότητα θερμότητας.
Έτσι, συμπεραίνουμε: όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός δεδομένου σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα θερμότητας που πρέπει να δαπανηθεί για να μειωθεί ή να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά τον ίδιο αριθμό μοιρών.
Όταν ένα σώμα κρυώνει, εκπέμπει μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας σε γειτονικά αντικείμενα, τόσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του.
Όλοι γνωρίζουμε ότι αν χρειαστεί να ζεστάνουμε ένα γεμάτο βραστήρα νερού σε θερμοκρασία 50°C, θα αφιερώσουμε λιγότερο χρόνο σε αυτή τη δράση από το να ζεστάνουμε ένα βραστήρα με τον ίδιο όγκο νερού, αλλά μόνο στους 100°C. Στην πρώτη περίπτωση, θα δοθεί λιγότερη θερμότητα στο νερό από ό,τι στην περίπτωση δύο. Έτσι, η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση εξαρτάται άμεσα από το ανπόσους βαθμούς το σώμα μπορεί να ζεσταθεί. Μπορούμε να συμπεράνουμε:
η ποσότητα της θερμότητας εξαρτάται άμεσα από τη διαφορά στη θερμοκρασία του σώματος.
Γεμίστε το ένα δοχείο με νερό και γεμίστε το άλλο με φυτικό λάδι. Οι μάζες του νερού και του λαδιού είναι ίσες. Θα ζεσταίνουμε και τα δύο δοχεία ομοιόμορφα σε ίδιους καυστήρες. Ας ξεκινήσουμε το πείραμα σε ίσες αρχικές θερμοκρασίες φυτικού ελαίου και νερού. Πέντε λεπτά αργότερα, έχοντας μετρήσει τις θερμοκρασίες του θερμαινόμενου λαδιού και του νερού, θα παρατηρήσουμε ότι η θερμοκρασία του λαδιού είναι πολύ υψηλότερη από τη θερμοκρασία του νερού, αν και και τα δύο υγρά δέχθηκαν την ίδια ποσότητα θερμότητας.
Το προφανές συμπέρασμα είναι: Όταν θερμαίνουμε ίσες μάζες λαδιού και νερού στην ίδια θερμοκρασία, απαιτούνται διαφορετικές ποσότητες θερμότητας.
Και βγάζουμε αμέσως ένα άλλο συμπέρασμα: η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος εξαρτάται άμεσα από την ουσία από την οποία αποτελείται το ίδιο το σώμα (τον τύπο της ουσίας).
Έτσι, η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος (ή που απελευθερώνεται κατά την ψύξη) εξαρτάται άμεσα από τη μάζα του σώματος, τη μεταβλητότητα της θερμοκρασίας του και τον τύπο της ουσίας.
Η ποσότητα της θερμότητας συμβολίζεται με το σύμβολο Q. Όπως και άλλοι διαφορετικοί τύποι ενέργειας, η ποσότητα θερμότητας μετριέται σε joules (J) ή kilojoules (kJ).
1 kJ = 1000 J
Ωστόσο, η ιστορία δείχνει ότι οι επιστήμονες άρχισαν να μετρούν την ποσότητα της θερμότητας πολύ πριν εμφανιστεί η έννοια της ενέργειας στη φυσική. Εκείνη την εποχή, αναπτύχθηκε μια ειδική μονάδα για τη μέτρηση της ποσότητας θερμότητας - θερμίδων (cal) ή χιλιοθερμίδων (kcal). Η λέξη έχει λατινικές ρίζες, θερμίδα - θερμότητα.
1 kcal = 1000 θερμίδες
Θερμίδα– αυτή είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να θερμανθεί 1 g νερού κατά 1°C
1 θερμίδες = 4,19 J ≈ 4,2 J
1 kcal = 4190 J ≈ 4200 J ≈ 4,2 kJ
Έχετε ακόμα ερωτήσεις; Δεν ξέρετε πώς να κάνετε την εργασία σας;
Για να λάβετε βοήθεια από έναν δάσκαλο, εγγραφείτε.
Το πρώτο μάθημα είναι δωρεάν!
ιστοσελίδα, κατά την πλήρη ή μερική αντιγραφή υλικού, απαιτείται σύνδεσμος προς την πηγή.
Θερμότητα- ενέργεια που μεταφέρεται από ένα πιο θερμαινόμενο σώμα σε ένα λιγότερο θερμαινόμενο μέσω άμεσης επαφής ή ακτινοβολίας.
Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της έντασης της μοριακής κίνησης.
Η ποσότητα θερμότητας που κατέχει ένα σώμα σε μια δεδομένη θερμοκρασία εξαρτάται από τη μάζα του. για παράδειγμα, στην ίδια θερμοκρασία, ένα μεγάλο φλιτζάνι νερό περιέχει περισσότερη θερμότητα από ένα μικρό και ένας κουβάς κρύο νερό μπορεί να περιέχει περισσότερη θερμότητα από ένα φλιτζάνι ζεστό νερό (αν και η θερμοκρασία του νερού στον κάδο είναι χαμηλότερη) .
Η ζεστασιά παίζει σημαντικό ρόλο στη ζωή του ανθρώπου, συμπεριλαμβανομένης της λειτουργίας του σώματός του. Μέρος της χημικής ενέργειας που περιέχεται στα τρόφιμα μετατρέπεται σε θερμότητα, διατηρώντας έτσι τη θερμοκρασία του σώματος γύρω στους 37°C. Η θερμική ισορροπία του ανθρώπινου σώματος εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και οι άνθρωποι αναγκάζονται να ξοδεύουν πολλή ενέργεια για τη θέρμανση κατοικιών και βιομηχανικών χώρων το χειμώνα και για την ψύξη τους το καλοκαίρι. Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ενέργειας παρέχεται από θερμικές μηχανές, όπως λέβητες και ατμοστρόβιλους σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας που καίνε ορυκτά καύσιμα (άνθρακας, πετρέλαιο) και παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.
Μέχρι τα τέλη του 18ου αι. Η θερμότητα θεωρούνταν υλική ουσία, πιστεύοντας ότι η θερμοκρασία ενός σώματος καθορίζεται από την ποσότητα που περιέχει<калорической жидкости>, ή<теплорода>. Αργότερα, οι B. Rumford, J. Joule και άλλοι φυσικοί της εποχής εκείνης, μέσα από έξυπνα πειράματα και συλλογισμούς, διέψευσαν<калорическую>θεωρία, που αποδεικνύει ότι η θερμότητα είναι αβαρής και μπορεί να ληφθεί σε οποιαδήποτε ποσότητα απλά μέσω μηχανικής κίνησης. Η ίδια η θερμότητα δεν είναι ουσία - είναι απλώς η ενέργεια κίνησης των ατόμων ή των μορίων της. Αυτή ακριβώς είναι η κατανόηση της θερμότητας που ακολουθεί η σύγχρονη φυσική.
Σε αυτό το άρθρο θα δούμε πώς σχετίζονται η θερμότητα και η θερμοκρασία και πώς μετρώνται αυτές οι ποσότητες. Αντικείμενο της συζήτησής μας θα είναι επίσης τα ακόλουθα θέματα: μεταφορά θερμότητας από το ένα μέρος του σώματος στο άλλο. μεταφορά θερμότητας σε κενό (ένας χώρος που δεν περιέχει καμία ουσία). ο ρόλος της θερμότητας στον σύγχρονο κόσμο.
Θερμοκρασία και Θερμοκρασία
Η ποσότητα της θερμικής ενέργειας σε μια ουσία δεν μπορεί να προσδιοριστεί παρατηρώντας την κίνηση κάθε μορίου της ξεχωριστά. Αντίθετα, μόνο με τη μελέτη των μακροσκοπικών ιδιοτήτων μιας ουσίας μπορεί κανείς να βρει τα χαρακτηριστικά της μικροσκοπικής κίνησης πολλών μορίων που υπολογίζονται κατά μέσο όρο σε μια ορισμένη χρονική περίοδο. Η θερμοκρασία μιας ουσίας είναι ένας μέσος δείκτης της έντασης της μοριακής κίνησης, η ενέργεια της οποίας είναι η θερμική ενέργεια της ουσίας.
Ένας από τους πιο συνηθισμένους, αλλά και λιγότερο ακριβείς τρόπους εκτίμησης της θερμοκρασίας είναι η αφή. Όταν αγγίζουμε ένα αντικείμενο, κρίνουμε αν είναι ζεστό ή κρύο, εστιάζοντας στις αισθήσεις μας. Φυσικά, αυτές οι αισθήσεις εξαρτώνται από τη θερμοκρασία του σώματός μας, γεγονός που μας φέρνει στην έννοια της θερμικής ισορροπίας - μια από τις πιο σημαντικές κατά τη μέτρηση της θερμοκρασίας.
Θερμική ισορροπία
Θερμική ισορροπία μεταξύ των σωμάτων Α και Β
Προφανώς, εάν δύο σώματα Α και Β πιεστούν σφιχτά το ένα πάνω στο άλλο, τότε, αφού τα αγγίξουμε μετά από αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα, θα παρατηρήσουμε ότι η θερμοκρασία τους είναι η ίδια. Σε αυτή την περίπτωση, τα σώματα Α και Β λέγεται ότι βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Ωστόσο, τα σώματα, μιλώντας γενικά, δεν χρειάζεται απαραίτητα να αγγίζονται για να υπάρχει μεταξύ τους θερμική ισορροπία - αρκεί να είναι οι ίδιες οι θερμοκρασίες τους. Αυτό μπορεί να επαληθευτεί χρησιμοποιώντας το τρίτο σώμα C, φέρνοντάς το πρώτα σε θερμική ισορροπία με το σώμα Α, και στη συνέχεια συγκρίνοντας τις θερμοκρασίες των σωμάτων C και B. Το σώμα C εδώ παίζει το ρόλο ενός θερμομέτρου. Στην αυστηρή διατύπωσή της, αυτή η αρχή ονομάζεται μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής: εάν τα σώματα Α και Β βρίσκονται σε θερμική ισορροπία με ένα τρίτο σώμα Γ, τότε αυτά τα σώματα βρίσκονται επίσης σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Αυτός ο νόμος διέπει όλες τις μεθόδους μέτρησης της θερμοκρασίας.
Μέτρηση θερμοκρασίας
Κλίμακες θερμοκρασίας
Θερμόμετρα
Θερμόμετρα βασισμένα σε ηλεκτρικά εφέ
Εάν θέλουμε να διεξάγουμε ακριβή πειράματα και υπολογισμούς, τότε τέτοιες βαθμολογίες θερμοκρασίας όπως ζεστό, ζεστό, δροσερό, κρύο δεν αρκούν - χρειαζόμαστε μια διαβαθμισμένη κλίμακα θερμοκρασίας. Υπάρχουν πολλές τέτοιες κλίμακες και οι θερμοκρασίες πήξης και βρασμού του νερού συνήθως λαμβάνονται ως σημεία αναφοράς. Οι τέσσερις πιο συνηθισμένες κλίμακες φαίνονται στο σχήμα. Η κλίμακα Κελσίου, στην οποία το σημείο πήξης του νερού αντιστοιχεί σε 0° και το σημείο βρασμού σε 100°, ονομάζεται κλίμακα Κελσίου που πήρε το όνομά του από τον Α. Κελσίου, τον Σουηδό αστρονόμο που την περιέγραψε το 1742. Πιστεύεται ότι ο Σουηδός φυσιοδίφης Ο C. Linnaeus χρησιμοποίησε για πρώτη φορά αυτήν την κλίμακα. Τώρα η κλίμακα Κελσίου είναι η πιο κοινή στον κόσμο. Η κλίμακα θερμοκρασίας Fahrenheit, στην οποία τα σημεία πήξης και βρασμού του νερού αντιστοιχούν σε εξαιρετικά άβολα νούμερα 32 και 212 °, προτάθηκε το 1724 από τον Fahrenheit. Η κλίμακα Φαρενάιτ είναι ευρέως διαδεδομένη στις αγγλόφωνες χώρες, αλλά δεν χρησιμοποιείται σχεδόν ποτέ στην επιστημονική βιβλιογραφία. Για τη μετατροπή της θερμοκρασίας Κελσίου (°C) σε θερμοκρασία Φαρενάιτ (°F) υπάρχει ένας τύπος °F = (9/5)°C + 32, και για την αντίστροφη μετατροπή υπάρχει ένας τύπος °C = (5/9)( °F- 32).
Και οι δύο κλίμακες - τόσο Φαρενάιτ όσο και Κελσίου - είναι πολύ άβολες κατά τη διεξαγωγή πειραμάτων σε συνθήκες όπου η θερμοκρασία πέφτει κάτω από το σημείο πήξης του νερού και εκφράζεται ως αρνητικός αριθμός. Για τέτοιες περιπτώσεις, εισήχθησαν κλίμακες απόλυτης θερμοκρασίας, οι οποίες βασίζονται στην παρέκταση στο λεγόμενο απόλυτο μηδέν - το σημείο στο οποίο πρέπει να σταματήσει η μοριακή κίνηση. Ένα από αυτά ονομάζεται κλίμακα Rankine και το άλλο ονομάζεται απόλυτη θερμοδυναμική κλίμακα. Οι θερμοκρασίες μετρώνται σε βαθμούς Rankine (°R) και Kelvin (K). Και οι δύο κλίμακες ξεκινούν σε απόλυτο μηδέν θερμοκρασία και το σημείο πήξης του νερού αντιστοιχεί σε 491,7°R και 273,16 K. Ο αριθμός των βαθμών και των kelvins μεταξύ των σημείων πήξης και βρασμού του νερού στην κλίμακα Κελσίου και της απόλυτης θερμοδυναμικής κλίμακας είναι ο ίδιος και ίσο με 100? για τις κλίμακες Fahrenheit και Rankine είναι επίσης το ίδιο, αλλά ίσο με 180. Οι βαθμοί Κελσίου μετατρέπονται σε Kelvin χρησιμοποιώντας τον τύπο K = °C + 273,16 και οι βαθμοί Fahrenheit μετατρέπονται σε βαθμούς Rankine χρησιμοποιώντας τον τύπο °R = °F + 459,7.
Η λειτουργία των οργάνων που έχουν σχεδιαστεί για τη μέτρηση της θερμοκρασίας βασίζεται σε διάφορα φυσικά φαινόμενα που σχετίζονται με αλλαγές στη θερμική ενέργεια μιας ουσίας - αλλαγές στην ηλεκτρική αντίσταση, τον όγκο, την πίεση, τα χαρακτηριστικά εκπομπής και τις θερμοηλεκτρικές ιδιότητες. Ένα από τα απλούστερα και πιο γνωστά εργαλεία για τη μέτρηση της θερμοκρασίας είναι ένα γυάλινο θερμόμετρο, που φαίνεται στο σχήμα. Η μπάλα στο κάτω μέρος του θερμομέτρου τοποθετείται στο μέσο ή πιέζεται πάνω στο αντικείμενο του οποίου η θερμοκρασία πρόκειται να μετρηθεί και ανάλογα με το αν η μπάλα δέχεται ή εκπέμπει θερμότητα, διαστέλλεται ή συστέλλεται και η στήλη της ανεβαίνει ή πέφτει στο τριχοειδές . Εάν το θερμόμετρο είναι προ-βαθμονομημένο και εξοπλισμένο με ζυγαριά, τότε μπορείτε να μάθετε άμεσα τη θερμοκρασία του σώματος.
Μια άλλη συσκευή της οποίας η λειτουργία βασίζεται στη θερμική διαστολή είναι ένα διμεταλλικό θερμόμετρο, που φαίνεται στο σχήμα. Το κύριο στοιχείο του είναι μια σπειροειδής πλάκα από δύο συγκολλημένα μέταλλα με διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής. Όταν θερμαίνεται, ένα από τα μέταλλα διαστέλλεται περισσότερο από το άλλο, η σπείρα στρίβει και στρέφει το βέλος σε σχέση με την κλίμακα. Τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται συχνά για τη μέτρηση της θερμοκρασίας εσωτερικού και εξωτερικού αέρα, αλλά δεν είναι κατάλληλες για τον προσδιορισμό των τοπικών θερμοκρασιών.
Η τοπική θερμοκρασία μετριέται συνήθως χρησιμοποιώντας ένα θερμοστοιχείο, το οποίο είναι δύο σύρματα από ανόμοια μέταλλα συγκολλημένα στο ένα άκρο. Όταν μια τέτοια διασταύρωση θερμαίνεται, στα ελεύθερα άκρα των καλωδίων προκύπτει ένα emf, που συνήθως ανέρχεται σε αρκετά millivolt. Τα θερμοστοιχεία κατασκευάζονται από διαφορετικά ζεύγη μετάλλων: σίδηρο και κονταντάν, χαλκό και κονστάντα, χρώμιο και αλουμέλ. Το thermo-emf τους ποικίλλει σχεδόν γραμμικά με τη θερμοκρασία σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών.
Ένα άλλο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο είναι επίσης γνωστό - η εξάρτηση της αντίστασης ενός αγώγιμου υλικού από τη θερμοκρασία. Βρίσκεται στη βάση της λειτουργίας θερμομέτρων ηλεκτρικής αντίστασης, ένα από τα οποία φαίνεται στο σχήμα. Η αντίσταση ενός μικρού ευαίσθητου στη θερμοκρασία στοιχείου (θερμικός μετατροπέας) - συνήθως ενός πηνίου από λεπτό σύρμα - συγκρίνεται με την αντίσταση μιας βαθμονομημένης μεταβλητής αντίστασης που χρησιμοποιεί μια γέφυρα Wheatstone. Η συσκευή εξόδου μπορεί να βαθμονομηθεί απευθείας σε μοίρες.
Τα οπτικά πυρόμετρα χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας των θερμών σωμάτων που εκπέμπουν ορατό φως. Σε μια εφαρμογή αυτής της συσκευής, το φως που εκπέμπεται από το σώμα συγκρίνεται με την εκπομπή ενός νήματος λαμπτήρα πυρακτώσεως που τοποθετείται στο εστιακό επίπεδο των διοπτρών μέσω του οποίου παρατηρείται το σώμα εκπομπής. Το ηλεκτρικό ρεύμα που θερμαίνει το νήμα του λαμπτήρα αλλάζει έως ότου μια οπτική σύγκριση της λάμψης του νήματος και του σώματος αποκαλύψει ότι έχει δημιουργηθεί θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Η ζυγαριά του οργάνου μπορεί να βαθμονομηθεί απευθείας σε μονάδες θερμοκρασίας.
Η τεχνική πρόοδος των τελευταίων ετών κατέστησε δυνατή τη δημιουργία νέων αισθητήρων θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, σε περιπτώσεις που απαιτείται ιδιαίτερα υψηλή ευαισθησία, αντί για ένα θερμοστοιχείο ή ένα συμβατικό θερμόμετρο αντίστασης, χρησιμοποιείται μια συσκευή ημιαγωγών - θερμίστορ. Βαφές και υγροί κρύσταλλοι που αλλάζουν τη φάση τους χρησιμοποιούνται επίσης ως θερμικοί μετατροπείς, ειδικά σε περιπτώσεις όπου η θερμοκρασία της επιφάνειας του σώματος ποικίλλει σε μεγάλο εύρος. Τέλος, χρησιμοποιείται υπέρυθρη θερμογραφία, η οποία παράγει μια υπέρυθρη εικόνα ενός αντικειμένου με ψευδή χρώματα, όπου κάθε χρώμα αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Αυτή η μέθοδος μέτρησης της θερμοκρασίας έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών - από ιατρικά διαγνωστικά έως έλεγχο της θερμομόνωσης των χώρων.
Μέτρηση θερμότητας
Θερμιδόμετρο νερού
Η θερμική ενέργεια (ποσότητα θερμότητας) ενός σώματος μπορεί να μετρηθεί απευθείας χρησιμοποιώντας αυτό που ονομάζεται θερμιδόμετρο. μια απλή έκδοση μιας τέτοιας συσκευής φαίνεται στο σχήμα. Αυτό είναι ένα προσεκτικά μονωμένο κλειστό δοχείο, εξοπλισμένο με συσκευές για τη μέτρηση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του και μερικές φορές γεμάτο με ένα λειτουργικό ρευστό με γνωστές ιδιότητες, όπως το νερό. Για να μετρηθεί η ποσότητα της θερμότητας σε ένα μικρό θερμαινόμενο σώμα, τοποθετείται σε ένα θερμιδόμετρο και το σύστημα περιμένει μέχρι να φτάσει σε θερμική ισορροπία. Η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται στο θερμιδόμετρο (πιο συγκεκριμένα, στο νερό που το γεμίζει) καθορίζεται από την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού.
Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης, όπως η καύση, μπορεί να μετρηθεί τοποθετώντας ένα μικρό<бомбу>. ΣΕ<бомбе>υπάρχει ένα δείγμα στο οποίο συνδέονται τα ηλεκτρικά καλώδια για ανάφλεξη και μια κατάλληλη ποσότητα οξυγόνου. Μετά την πλήρη καύση του δείγματος και την επίτευξη θερμικής ισορροπίας, προσδιορίζεται πόσο έχει αυξηθεί η θερμοκρασία του νερού στο θερμιδόμετρο και ως εκ τούτου η ποσότητα της θερμότητας που απελευθερώνεται.
Μονάδες θερμότητας
Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας και επομένως πρέπει να μετράται σε ενεργειακές μονάδες. Η μονάδα ενέργειας του SI είναι το τζάουλ (J). Είναι επίσης δυνατή η χρήση μη συστημικών μονάδων της ποσότητας θερμότητας - θερμίδων: η διεθνής θερμίδα είναι 4,1868 J, η θερμοχημική θερμίδα - 4,1840 J. Σε ξένα εργαστήρια, τα αποτελέσματα της έρευνας εκφράζονται συχνά χρησιμοποιώντας το λεγόμενο. Θερμίδες 15 βαθμών ισούται με 4,1855 J. Η βρετανική θερμική μονάδα εκτός συστήματος (BTU) καταργείται σταδιακά: BTU μέσο όρο = 1,055 J.
Πηγές θερμότητας
Οι κύριες πηγές θερμότητας είναι οι χημικές και πυρηνικές αντιδράσεις, καθώς και διάφορες διαδικασίες μετατροπής ενέργειας. Παραδείγματα χημικών αντιδράσεων που απελευθερώνουν θερμότητα είναι η καύση και η διάσπαση των συστατικών των τροφίμων. Σχεδόν όλη η θερμότητα που λαμβάνει η Γη παρέχεται από πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στα βάθη του Ήλιου. Η ανθρωπότητα έχει μάθει να αποκτά θερμότητα χρησιμοποιώντας ελεγχόμενες διαδικασίες πυρηνικής σχάσης και τώρα προσπαθεί να χρησιμοποιήσει τις αντιδράσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης για τον ίδιο σκοπό. Άλλοι τύποι ενέργειας, όπως η μηχανική εργασία και η ηλεκτρική ενέργεια, μπορούν επίσης να μετατραπούν σε θερμότητα. Είναι σημαντικό να θυμάστε ότι η θερμική ενέργεια (όπως κάθε άλλη) μπορεί να μετατραπεί μόνο σε άλλη μορφή, αλλά δεν μπορεί να ληφθεί<из ничего>, ούτε να καταστρέψουν. Αυτή είναι μια από τις βασικές αρχές της επιστήμης που ονομάζεται θερμοδυναμική.
Θερμοδυναμική
Θερμοδυναμικήείναι η επιστήμη της σχέσης μεταξύ θερμότητας, εργασίας και ύλης. Οι σύγχρονες ιδέες για αυτές τις σχέσεις διαμορφώθηκαν με βάση τα έργα τόσο μεγάλων επιστημόνων του παρελθόντος όπως οι Carnot, Clausius, Gibbs, Joule, Kelvin κ.λπ. Η Θερμοδυναμική εξηγεί την έννοια της θερμοχωρητικότητας και της θερμικής αγωγιμότητας της ύλης, της θερμικής διαστολής των σωμάτων και τη θερμότητα των μεταπτώσεων φάσης. Η επιστήμη αυτή βασίζεται σε αρκετούς πειραματικά καθιερωμένους νόμους – αρχές.
Θερμότητα και ιδιότητες ουσιών
Διαφορετικές ουσίες έχουν διαφορετικές ικανότητες αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. αυτό εξαρτάται από τη μοριακή τους δομή και πυκνότητα. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία μιας μονάδας μάζας μιας ουσίας κατά ένα βαθμό ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότητα της. Η θερμοχωρητικότητα εξαρτάται από τις συνθήκες στις οποίες βρίσκεται η ουσία. Για παράδειγμα, για να θερμανθεί ένα γραμμάριο αέρα σε ένα μπαλόνι κατά 1 K, απαιτείται περισσότερη θερμότητα από ό,τι για την ίδια θέρμανση σε ένα σφραγισμένο δοχείο με άκαμπτα τοιχώματα, καθώς μέρος της ενέργειας που μεταδίδεται στο μπαλόνι δαπανάται για την επέκταση του αέρα και όχι στη θέρμανση. Επομένως, συγκεκριμένα, η θερμοχωρητικότητα των αερίων μετράται χωριστά σε σταθερή πίεση και σε σταθερό όγκο.
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η ένταση της χαοτικής κίνησης των μορίων αυξάνεται - οι περισσότερες ουσίες διαστέλλονται όταν θερμαίνονται. Ο βαθμός διαστολής μιας ουσίας όταν η θερμοκρασία αυξάνεται κατά 1 Κ ονομάζεται συντελεστή θερμικής διαστολής.
Προκειμένου μια ουσία να μετακινηθεί από τη μια φάση στην άλλη, για παράδειγμα από στερεό σε υγρό (και μερικές φορές απευθείας σε αέρια), πρέπει να λάβει μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας. Εάν θερμάνετε ένα στερεό, η θερμοκρασία του θα αυξηθεί μέχρι να αρχίσει να λιώνει. μέχρι να ολοκληρωθεί η τήξη, η θερμοκρασία του σώματος θα παραμείνει σταθερή, παρά την προσθήκη θερμότητας. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την τήξη μιας μονάδας μάζας μιας ουσίας ονομάζεται θερμότητα σύντηξης. Εάν εφαρμόσετε περαιτέρω θερμότητα, η λιωμένη ουσία θα θερμανθεί μέχρι να βράσει. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την εξάτμιση μιας μονάδας μάζας υγρού σε μια δεδομένη θερμοκρασία ονομάζεται θερμότητα εξάτμισης.
Ο ρόλος της θερμότητας και η χρήση της
Σχέδιο λειτουργίας σταθμού ηλεκτροπαραγωγής ατμοστροβίλου
Διάγραμμα κύκλου ψύξης
Οι παγκόσμιες διαδικασίες ανταλλαγής θερμότητας δεν περιορίζονται στη θέρμανση της Γης από την ηλιακή ακτινοβολία. Τα τεράστια ρεύματα μεταφοράς στην ατμόσφαιρα καθορίζουν τις καθημερινές αλλαγές στις καιρικές συνθήκες σε όλο τον κόσμο. Οι διαφορές θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρα μεταξύ των ισημερινών και των πολικών περιοχών, μαζί με τις δυνάμεις Coriolis που προκαλούνται από την περιστροφή της Γης, οδηγούν στην εμφάνιση συνεχώς μεταβαλλόμενων ρευμάτων μεταφοράς, όπως εμπορικούς ανέμους, ρεύματα πίδακα και θερμά και ψυχρά μέτωπα.
Η μεταφορά θερμότητας (λόγω θερμικής αγωγιμότητας) από τον λιωμένο πυρήνα της Γης στην επιφάνειά της οδηγεί σε ηφαιστειακές εκρήξεις και στην εμφάνιση θερμοπίδακες. Σε ορισμένες περιοχές, η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται για τη θέρμανση χώρων και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Η θερμότητα είναι απαραίτητος συμμετέχων σε όλες σχεδόν τις παραγωγικές διαδικασίες. Ας αναφέρουμε τα πιο σημαντικά από αυτά, όπως η τήξη και η επεξεργασία μετάλλων, η λειτουργία του κινητήρα, η παραγωγή τροφίμων, η χημική σύνθεση, η διύλιση λαδιού και η κατασκευή μεγάλης ποικιλίας ειδών - από τούβλα και πιάτα μέχρι αυτοκίνητα και ηλεκτρονικές συσκευές.
Πολλές βιομηχανικές παραγωγές και μεταφορές, καθώς και θερμοηλεκτρικοί σταθμοί, δεν θα μπορούσαν να λειτουργήσουν χωρίς θερμικές μηχανές - συσκευές που μετατρέπουν τη θερμότητα σε χρήσιμη εργασία. Παραδείγματα τέτοιων μηχανών περιλαμβάνουν συμπιεστές, τουρμπίνες, ατμούς, βενζινοκινητήρες και κινητήρες αεριωθουμένων.
Μία από τις πιο γνωστές θερμικές μηχανές είναι ο ατμοστρόβιλος, ο οποίος υλοποιεί μέρος του κύκλου Rankine που χρησιμοποιείται σε σύγχρονους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα απλοποιημένο διάγραμμα αυτού του κύκλου φαίνεται στο σχήμα. Το ρευστό εργασίας - νερό - μετατρέπεται σε υπέρθερμο ατμό σε λέβητα ατμού, που θερμαίνεται με την καύση ορυκτών καυσίμων (άνθρακας, πετρέλαιο ή φυσικό αέριο). Υψηλός ατμός
2. Πώς μετριέται η θερμότητα; Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος και η ποσότητα της θερμότητας μετρώνται σε joules (J) ή kilojoules (kJ). Επίσης, μια θερμίδα είναι η ποσότητα θερμότητας που πρέπει να μεταφερθεί σε 1g νερού για να θερμανθεί κατά 1 °C (1kcal-1000cal).
3. Τι είναι 1 Joule σε χιλιοθερμίδες; 1cal=4,1868 J. 1kcal=4190 J
4. Πώς μεταφέρεται η θερμότητα; Θερμική αγωγιμότητα, συναγωγή, ακτινοβολία
5. Τι σημαίνει συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας και τη διάστασή του;
Λ είναι μια ποσότητα που μετριέται με την ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται ανά μονάδα χρόνου μέσω ενός στρώματος μοναδιαίου πάχους με διαφορά θερμοκρασίας επιφανειακής στρώσης 1°, εάν η επιφάνεια του στρώματος είναι 1. [kcal / (m ∙ ώρα ∙ deg)] ή [cal / (cm ∙ sec) ∙grad)]
6. Τι είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα και η διάστασή της;
Η ειδική θερμοχωρητικότητα είναι η θερμοχωρητικότητα μιας μονάδας μάζας μιας ομοιογενούς ουσίας [cal / (g∙deg)] [J / (kg ∙ o C)]. Η ειδική θερμοχωρητικότητα δείχνει πόσα τζάουλ αλλάζει η εσωτερική ενέργεια μιας ουσίας βάρους 1 kg όταν η θερμοκρασία αλλάζει κατά 1 o C.
6. Πώς μετράται η ειδική θερμότητα εξάτμισης; Η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για τη μετατροπή ενός υγρού βάρους 1 kg σε ατμό χωρίς αλλαγή της θερμοκρασίας ονομάζεται ειδική θερμότητα εξάτμισης [J/kg].
7. Πώς μοιάζει ένας θερμοσίφωνας αποθήκευσης; Σε γενικές γραμμές, ένας ηλεκτρικός θερμοσίφωνας αποθήκευσης είναι ένα μεγάλο βαρέλι στο οποίο το νερό θερμαίνεται χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό στοιχείο θέρμανσης (ένα παραδοσιακό θερμαντικό στοιχείο ή τις βελτιωμένες ποικιλίες του). Για την παράταση της διάρκειας ζωής των θερμοσιφώνων από χάλυβα, εφαρμόζονται ειδικές επιστρώσεις (γυαλί πορσελάνης, σμάλτο κ.λπ.) στην επιφάνεια της εσωτερικής δεξαμενής. Αλλά οι αλλαγές θερμοκρασίας και το οξυγονωμένο νερό οδηγούν στην καταστροφή της επίστρωσης της δεξαμενής και στη διάβρωσή της. Για να αυξηθεί η αντοχή στη διάβρωση, μια άνοδος μαγνησίου είναι ενσωματωμένη στο σχεδιασμό των περισσότερων ηλεκτρικών θερμοσιφώνων αποθήκευσης. Ένας άλλος τρόπος για την καταπολέμηση της διάβρωσης είναι η κατασκευή μιας εσωτερικής δεξαμενής από ανοξείδωτο χάλυβα. Σχεδόν όλοι οι ηλεκτρικοί θερμοσίφωνες αποθήκευσης είναι εξοπλισμένοι με θερμοστάτη, με τον οποίο μπορείτε να ρυθμίσετε τη θερμοκρασία θέρμανσης του νερού, η οποία θα διατηρείται αυτόματα.
8. Τι είδη NE χρησιμοποιούνται σε θερμοσίφωνες; Τα θερμαντικά στοιχεία μπορεί να είναι σύρμα, ταινία, σωληνοειδές και ηλεκτρόδιο.
9. Ποιους τύπους θέρμανσης γνωρίζετε; Οι θερμοσίφωνες ταξινομούνται σε διαφορετικούς τύπους, οι πιο συνηθισμένοι από τους οποίους είναι δύο: ανά τύπο καυσίμου (ηλεκτρικό, φυσικό αέριο, έμμεσο ή συνδυασμένο) και κατά μέθοδο θέρμανσης νερού (ρέοντος και αποθήκευσης).
10. Πώς λειτουργεί ένας ταχυθερμοσίφωνας; Στους ταχυθερμοσίφωνες δεν υπάρχει δεξαμενή και το νερό, περνώντας από το λέβητα, θερμαίνεται σχεδόν αμέσως. Οι περισσότεροι ηλεκτρικοί ταχυθερμοσίφωνες είναι εξοπλισμένοι με αυτόματο σύστημα μεταγωγής όταν ξεκινά η εισαγωγή νερού. Τα θερμαντικά στοιχεία ροής μπορούν να θερμαίνονται έμμεσα ή άμεσα, δηλαδή με ένα θερμαντικό στοιχείο ή με ηλεκτρόδια. NE - μπορεί να είναι σωληνοειδές ή σπειροειδές. Τα Flow-through VEN με ηλεκτρόδια χρησιμοποιούνται σπάνια. Η μέγιστη θερμοκρασία θέρμανσης συνήθως δεν υπερβαίνει τους 85°C. Εάν αλλάξει η ροή του ζεστού νερού, για να διατηρηθεί ένα σταθερό tset, είναι απαραίτητο να ρυθμιστεί η ισχύς του ΒΑ. (Δείτε εικόνα). Η ρύθμιση του Rne πραγματοποιείται με αλλαγή της τάσης στους ακροδέκτες ΒΑ. Ο φυσικός συντελεστής ισχύος (cos φ) ενός HPV εξαρτάται από τον τύπο του εξοπλισμού που χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση του Rne και έχει τις ακόλουθες τιμές: - μετασχηματιστής ή αυτομετασχηματιστής με βηματική ρύθμιση τάσης cos φ = 0,95÷0,98 - ρυθμιστής τάσης θυρίστορ έλεγχος φάσης cos φ=0,7÷0,9 - όταν χρησιμοποιείται ρελέ ή θυρίστορ LV με PSD ή τροφοδοτεί το NE απευθείας από το δίκτυο cos φ=0,99÷1,0.
10. Ποια είναι η απόδοση ενός ταχυθερμοσίφωνα; Πάνω από 85%
11. Σε ποιες περιπτώσεις χρησιμοποιείται δίκτυο 3 φάσεων για τη σύνδεση θερμοσίφωνα; Για θερμοσίφωνες 3 φάσεων.
12. Πώς λειτουργεί ο φούρνος; Ο σκοπός του; Οι ολλανδικοί φούρνοι, ή φούρνοι, χρησιμοποιούνται για το μαγείρεμα. Διατίθενται σε σταθερές και φορητές εκδόσεις. Ο φούρνος χρησιμοποιείται για τηγάνισμα κρέατος, ψαριού, λαχανικών, μαγειρικής κοτολέτας κ.λπ. Το ντουλάπι αποτελείται από πολλά ξεχωριστά τμήματα (2,3,4), καθένα από τα οποία περιέχει ένα ταψί ψησίματος (είτε από χάλυβα είτε από χυτοσίδηρο Τα θερμαντικά στοιχεία, συνήθως σωληνωτά, βρίσκονται σε ζεύγη στο κάτω μέρος κάθε τμήματος. Η απλούστερη μονάδα είναι ένας ηλεκτρικός φορητός φούρνος. Αποτελείται από ένα εσωτερικό και εξωτερικό περίβλημα, μεταξύ των οποίων υπάρχει θερμομόνωση από φύλλα αμιάντου. Στο επάνω και στο κάτω τοίχωμα του εσωτερικού σώματος υπάρχουν θερμαντικά στοιχεία, τα οποία είναι σπείρες από νιχρωματικό σύρμα με πορσελάνινες χάντρες τοποθετημένες πάνω τους. Η ισχύς κάθε στοιχείου είναι 475 W, η αντίσταση είναι 25 Ohm. Τα στοιχεία συνδέονται σε σειρά. Υπάρχουν τρύπες στο επάνω τοίχωμα του εσωτερικού περιβλήματος για καλύτερη θέρμανση του φούρνου. Το εξωτερικό περίβλημα αποτελείται από ένα περίβλημα, εμπρός και πίσω τοίχους.
13. Πώς ελέγχεται η ισχύς ΒΑ στο φούρνο; Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας διακόπτες παρτίδας: για ενεργοποίηση, απενεργοποίηση και αλλαγή των θερμαντικών στοιχείων του ντουλαπιού σε διαφορετικά επίπεδα ισχύος. Ή στο κάτω μέρος του ντουλαπιού υπάρχει μια θήκη εξοπλισμού όπου βρίσκονται οι διακόπτες ισχύος (τύπου PKU-25), οι ρυθμιστές θερμοκρασίας TK-32 (TK-52) και οι λαμπτήρες σήματος τύπου TL3-25 έχουν 4 θέσεις 0-II-III .I όροφος – Рmin.II μισό. – 0,5Рн.III μισό. – Ο έλεγχος θερμοκρασίας θέσης στο τμήμα πραγματοποιείται με τη χρήση TK-32 (t=0÷330оС) επιλέγεται με το κουμπί TK-32.
14. Ποια είναι η σχεδίαση ενός οικιακού αερόθερμου;
Οι οικιακές αερόθερμες χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση οικιστικών χώρων.
Το BT περιλαμβάνει: περίβλημα ανεμιστήρα. ΒΑ σπείρες; ανεμιστήρας (αξονικός, φυγοκεντρικός). διακόπτες κλειδιών? θερμοστάτης.
Η θέρμανση του δωματίου συμβαίνει κυρίως λόγω εξαναγκασμένης μεταφοράς.
Τεχνικά στοιχεία τυπικών οικιακών ηλεκτρικών αερόθερμων.
Uс, V -127, 220 V 50 Hz.
Rnom. NE, kW - 1,0; 1,25; 1.6; 2.0.
Qnom, m3/min - 1,0; 1.6; 2.5.
Αριθμός n, rpm - 2 ή ομαλά.
Αριθμός βημάτων
Κανονισμός Rne - 2 ή ομαλά.
Το σχήμα δείχνει ένα τυπικό ηλεκτρικό κύκλωμα ενός ηλεκτρικού αερόθερμου "Κλίμα".
Q1÷ Q4 – διακόπτες με κλειδιά. M – ED τύπου DV –114. R1-αντίσταση PEV - 680 Ohm.
Θερμικός διακόπτης τηλεόρασης. Θερμοσίφωνες H1, H2 - 1 kW. Η τηλεόραση ενεργοποιείται όταν η θερμοκρασία στο εσωτερικό της θήκης ανέβει > 90°C.
Η θερμοκρασία του περιβλήματος του ανεμιστήρα δεν είναι μεγαλύτερη από 60°C.
16.Πώς ελέγχεται ένα οικιακό αερόθερμο; Η απόδοση θέρμανσης του αερόθερμου μπορεί να ρυθμιστεί αλλάζοντας την ταχύτητα περιστροφής του ανεμιστήρα και αλλάζοντας το Rne.
Όταν συζητάμε μεθόδους θέρμανσης ενός σπιτιού, επιλογές για τη μείωση των διαρροών θερμότητας, πρέπει να καταλάβουμε τι είναι η θερμότητα, σε ποιες μονάδες μετράται, πώς μεταφέρεται και πώς χάνεται. Αυτή η σελίδα θα παρέχει τις βασικές πληροφορίες από το μάθημα της φυσικής που είναι απαραίτητες για την εξέταση όλων των παραπάνω ζητημάτων.
Η θερμότητα είναι ένας από τους τρόπους μεταφοράς ενέργειας
Η ενέργεια που λαμβάνει ή χάνει ένα σώμα κατά τη διαδικασία ανταλλαγής θερμότητας με το περιβάλλον ονομάζεται ποσότητα θερμότητας ή απλά θερμότητα.
Με μια αυστηρή έννοια, η θερμότητα είναι ένας από τους τρόπους μεταφοράς ενέργειας και μόνο η ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται στο σύστημα έχει φυσική σημασία, αλλά η λέξη "θερμότητα" περιλαμβάνεται σε καθιερωμένες επιστημονικές έννοιες όπως η ροή θερμότητας, η θερμική χωρητικότητα, θερμότητα μετάπτωσης φάσης, θερμότητα χημικής αντίδρασης, θερμική αγωγιμότητα, κ.λπ. Επομένως, όπου αυτή η χρήση λέξεων δεν είναι παραπλανητική, οι έννοιες «θερμότητα» και «ποσότητα θερμότητας» είναι συνώνυμες. Ωστόσο, αυτοί οι όροι μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο εάν τους δοθεί ένας ακριβής ορισμός και σε καμία περίπτωση η «ποσότητα θερμότητας» δεν μπορεί να θεωρηθεί μία από τις αρχικές έννοιες που δεν απαιτούν ορισμό. Για να αποφευχθούν λάθη, η έννοια της "θερμότητας" πρέπει να κατανοηθεί ακριβώς ως η μέθοδος μεταφοράς ενέργειας και η ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται με αυτήν τη μέθοδο υποδηλώνεται με την έννοια της "ποσότητα θερμότητας". Συνιστάται να αποφεύγεται ο όρος «θερμική ενέργεια».
Η θερμότητα είναι το κινητικό μέρος της εσωτερικής ενέργειας μιας ουσίας, που καθορίζεται από την έντονη χαοτική κίνηση των μορίων και των ατόμων από τα οποία αποτελείται αυτή η ουσία. Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της έντασης της μοριακής κίνησης. Η ποσότητα θερμότητας που κατέχει ένα σώμα σε μια δεδομένη θερμοκρασία εξαρτάται από τη μάζα του. για παράδειγμα, στην ίδια θερμοκρασία, ένα μεγάλο φλιτζάνι νερό περιέχει περισσότερη θερμότητα από ένα μικρό και ένας κουβάς κρύο νερό μπορεί να περιέχει περισσότερη θερμότητα από ένα φλιτζάνι ζεστό νερό (αν και η θερμοκρασία του νερού στον κάδο είναι χαμηλότερη) .
Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας και επομένως πρέπει να μετράται σε ενεργειακές μονάδες. Η μονάδα ενέργειας του SI είναι το τζάουλ (J). Είναι επίσης δυνατή η χρήση μιας μη συστημικής μονάδας ποσότητας θερμότητας - θερμίδα: η διεθνής θερμίδα είναι ίση με 4,1868 J.
Εναλλαγή θερμότητας και μεταφορά θερμότητας
Η μεταφορά θερμότητας είναι η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας μέσα σε ένα σώμα ή από το ένα σώμα στο άλλο λόγω διαφορών θερμοκρασίας. Η ένταση της μεταφοράς θερμότητας εξαρτάται από τις ιδιότητες της ουσίας, τη διαφορά θερμοκρασίας και υπακούει στους πειραματικά καθιερωμένους νόμους της φύσης. Για να δημιουργήσετε αποτελεσματικά συστήματα θέρμανσης ή ψύξης, διάφορους κινητήρες, σταθμούς παραγωγής ενέργειας και συστήματα θερμομόνωσης, πρέπει να γνωρίζετε τις αρχές της μεταφοράς θερμότητας. Σε ορισμένες περιπτώσεις η ανταλλαγή θερμότητας είναι ανεπιθύμητη (θερμομόνωση κλιβάνων τήξης, διαστημόπλοια κ.λπ.), ενώ σε άλλες θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη (ατμολέβητες, εναλλάκτες θερμότητας, μαγειρικά σκεύη). Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι μεταφοράς θερμότητας: αγωγιμότητα, συναγωγή και μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας.
Θερμική αγωγιμότητα
Εάν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μέσα στο σώμα, τότε η θερμική ενέργεια μετακινείται από το θερμότερο μέρος του σώματος στο ψυχρότερο μέρος. Αυτός ο τύπος μεταφοράς θερμότητας, που προκαλείται από θερμικές κινήσεις και συγκρούσεις μορίων, ονομάζεται θερμική αγωγιμότητα. Η θερμική αγωγιμότητα της ράβδου εκτιμάται από την τιμή ροή θερμότητας, η οποία εξαρτάται από τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, την περιοχή διατομής μέσω της οποίας μεταφέρεται θερμότητα και την κλίση θερμοκρασίας (ο λόγος της διαφοράς θερμοκρασίας στα άκρα της ράβδου προς την μεταξύ τους απόσταση). Η μονάδα ροής θερμότητας είναι τα βατ.
ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΚΑΙ ΥΛΙΚΩΝ
Ουσίες και υλικά Θερμική αγωγιμότητα, W/(m^2*K)
μέταλλα
Αλουμίνιο __________________205
Χάλκινο ____________________105
Βολφράμιο __________________159
Σίδηρος ________________________________67
Χαλκός _____________________389
Νικέλιο ________________________________58
Μόλυβδος ________________________________35
Ψευδάργυρος _______________________113
Άλλα υλικά
Αμίαντος _____________________0.08
Σκυρόδεμα _________________________________0.59
Αέρας _____________________0,024
Eider κάτω (χαλαρό) ______0,008
Ξύλο (καρυδιά) ________________0.209
Πριονίδι _____________________0,059
Καουτσούκ (σφουγγάρι) ____________0,038
Ποτήρι ______________________0,75
Μεταγωγή
Συναγωγή είναι η ανταλλαγή θερμότητας λόγω της κίνησης μαζών αέρα ή υγρού. Όταν παρέχεται θερμότητα σε ένα υγρό ή αέριο, η ένταση της μοριακής κίνησης αυξάνεται και ως αποτέλεσμα αυξάνεται η πίεση. Εάν ένα υγρό ή αέριο δεν είναι περιορισμένο σε όγκο, τότε διαστέλλεται. η τοπική πυκνότητα του υγρού (αερίου) γίνεται μικρότερη και χάρη στις δυνάμεις άνωσης (Αρχιμήδειες), το θερμαινόμενο τμήμα του μέσου κινείται προς τα πάνω (γι' αυτό ο θερμός αέρας στο δωμάτιο ανεβαίνει από τα καλοριφέρ στην οροφή). Σε απλές περιπτώσεις ροής ρευστού μέσω ενός σωλήνα ή ροής γύρω από μια επίπεδη επιφάνεια, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μπορεί να υπολογιστεί θεωρητικά. Ωστόσο, δεν έχει καταστεί ακόμη δυνατό να βρεθεί μια αναλυτική λύση στο πρόβλημα της μεταφοράς για μια τυρβώδη ροή ενός μέσου.
Θερμική ακτινοβολία
Ο τρίτος τύπος μεταφοράς θερμότητας - η ακτινοβολούμενη μεταφορά θερμότητας - διαφέρει από τη θερμική αγωγιμότητα και τη μεταφορά θερμότητας στο ότι η θερμότητα σε αυτή την περίπτωση μπορεί να μεταφερθεί μέσω κενού. Η ομοιότητά του με άλλες μεθόδους μεταφοράς θερμότητας είναι ότι προκαλείται επίσης από διαφορές θερμοκρασίας. Η θερμική ακτινοβολία είναι ένα είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
Ο Ήλιος είναι ένας ισχυρός εκπομπός θερμικής ενέργειας. θερμαίνει τη Γη ακόμα και σε απόσταση 150 εκατομμυρίων χλμ. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι περίπου 1,37 W/m2.
Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας μέσω αγωγιμότητας και μεταφοράς είναι ανάλογος της θερμοκρασίας και η ακτινοβολούμενη ροή θερμότητας είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της θερμοκρασίας.
Θερμοχωρητικότητα
Διαφορετικές ουσίες έχουν διαφορετικές ικανότητες να αποθηκεύουν θερμότητα. αυτό εξαρτάται από τη μοριακή τους δομή και πυκνότητα. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας μιας μονάδας μάζας μιας ουσίας κατά ένα βαθμό (1 °C ή 1 K) ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότητα της. Η θερμοχωρητικότητα μετριέται σε J/(kg K).
Συνήθως γίνεται διάκριση μεταξύ της θερμοχωρητικότητας σε σταθερό όγκο ( C V) και θερμοχωρητικότητα σε σταθερή πίεση ( Με τον Π), εάν κατά τη διαδικασία θέρμανσης ο όγκος του σώματος ή η πίεση, αντίστοιχα, διατηρείται σταθερός. Για παράδειγμα, για να θερμανθεί ένα γραμμάριο αέρα σε ένα μπαλόνι κατά 1 K, απαιτείται περισσότερη θερμότητα από ό,τι για την ίδια θέρμανση σε ένα σφραγισμένο δοχείο με άκαμπτα τοιχώματα, καθώς μέρος της ενέργειας που μεταδίδεται στο μπαλόνι δαπανάται για την επέκταση του αέρα και όχι στη θέρμανση. Όταν θερμαίνεται σε σταθερή πίεση, μέρος της θερμότητας χρησιμοποιείται για την παραγωγή του έργου διαστολής του σώματος και μέρος χρησιμοποιείται για την αύξηση της εσωτερικής του ενέργειας, ενώ όταν θερμαίνεται σε σταθερό όγκο, όλη η θερμότητα δαπανάται για την αύξηση της εσωτερικής ενέργειας. λόγω αυτού Σ Ρπάντα περισσότερο από C V. Σε υγρά και στερεά, η διαφορά μεταξύ Σ ΡΚαι C Vσχετικά μικρό.
Θερμικές μηχανές
Οι θερμικές μηχανές είναι συσκευές που μετατρέπουν τη θερμότητα σε χρήσιμη εργασία. Παραδείγματα τέτοιων μηχανών περιλαμβάνουν συμπιεστές, τουρμπίνες, ατμούς, βενζινοκινητήρες και κινητήρες αεριωθούμενου αέρα. Μία από τις πιο διάσημες θερμικές μηχανές είναι ο ατμοστρόβιλος, ο οποίος χρησιμοποιείται σε σύγχρονους θερμοηλεκτρικούς σταθμούς. Ένα απλουστευμένο διάγραμμα μιας τέτοιας μονάδας παραγωγής ενέργειας φαίνεται στο σχήμα 1.
Ρύζι. 1. Απλοποιημένο διάγραμμα σταθμού ηλεκτροπαραγωγής ατμοστροβίλου που λειτουργεί με ορυκτά καύσιμα.
Το υγρό εργασίας, το νερό, μετατρέπεται σε υπέρθερμο ατμό σε λέβητα ατμού, ο οποίος θερμαίνεται με την καύση ορυκτών καυσίμων (άνθρακας, πετρέλαιο ή φυσικό αέριο). Ο ατμός υψηλής πίεσης περιστρέφει τον άξονα ενός ατμοστρόβιλου, ο οποίος κινεί μια γεννήτρια που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Ο ατμός της εξάτμισης συμπυκνώνεται όταν ψύχεται από τρεχούμενο νερό, το οποίο απορροφά μέρος της θερμότητας. Στη συνέχεια, το νερό τροφοδοτείται στον πύργο ψύξης, από όπου μέρος της θερμότητας απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Το συμπύκνωμα επιστρέφεται στον λέβητα ατμού χρησιμοποιώντας μια αντλία και ολόκληρος ο κύκλος επαναλαμβάνεται.
Ένα άλλο παράδειγμα θερμικής μηχανής είναι ένα οικιακό ψυγείο, το διάγραμμα του οποίου φαίνεται στο Σχ. 2.
Στα ψυγεία και τα οικιακά κλιματιστικά, η ενέργεια για την παροχή του παρέχεται από το εξωτερικό. Ο συμπιεστής αυξάνει τη θερμοκρασία και την πίεση της ουσίας εργασίας του ψυγείου - φρέον, αμμωνία ή διοξείδιο του άνθρακα. Το υπερθερμασμένο αέριο τροφοδοτείται στον συμπυκνωτή, όπου ψύχεται και συμπυκνώνεται, απελευθερώνοντας θερμότητα στο περιβάλλον. Το υγρό που βγαίνει από τους σωλήνες του συμπυκνωτή περνά μέσω της βαλβίδας στραγγαλισμού στον εξατμιστή και μέρος του εξατμίζεται, το οποίο συνοδεύεται από απότομη πτώση της θερμοκρασίας. Ο εξατμιστής παίρνει θερμότητα από τον θάλαμο του ψυγείου, ο οποίος θερμαίνει το υγρό εργασίας στους σωλήνες. Αυτό το υγρό παρέχεται από τον συμπιεστή στον συμπυκνωτή και ο κύκλος επαναλαμβάνεται ξανά.
Σχετικά με τις μονάδες ποσότητας θερμότητας. Ορίσαμε τη μονάδα ποσότητας θερμότητας - τη «μικρή» θερμίδα - παραπάνω ως την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία του νερού κατά 1 Κ σε ατμοσφαιρική πίεση. Επειδή όμως η θερμοχωρητικότητα του νερού είναι διαφορετική σε διαφορετικές θερμοκρασίες, είναι απαραίτητο να συμφωνήσουμε για τη θερμοκρασία στην οποία επιλέγεται αυτό το διάστημα ενός βαθμού.
Στην ΕΣΣΔ, υιοθετήθηκε η λεγόμενη θερμίδα των είκοσι βαθμών, για την οποία το αποδεκτό διάστημα είναι από 19,5 έως 20,5 ° C. Σε ορισμένες χώρες, χρησιμοποιείται θερμίδα δεκαπέντε βαθμών (διάστημα Το πρώτο από αυτά είναι ίσο με J, το δεύτερο - J. Μερικές φορές χρησιμοποιείται μια μέση θερμίδα, ίση με το ένα εκατοστό της ποσότητας θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού από έως
Μέτρηση της ποσότητας θερμότητας.Για να μετρηθεί άμεσα η ποσότητα της θερμότητας που εκπέμπεται ή λαμβάνεται από ένα σώμα, χρησιμοποιούνται ειδικά όργανα - θερμιδομετρητές.
Στην απλούστερη μορφή του, ένα θερμιδόμετρο είναι ένα δοχείο γεμάτο με μια ουσία της οποίας η θερμική ικανότητα είναι ευρέως γνωστή, όπως το νερό (ειδική θερμότητα
Η μετρούμενη ποσότητα θερμότητας μεταφέρεται στο θερμιδόμετρο με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, με αποτέλεσμα να αλλάζει η θερμοκρασία του. Μετρώντας αυτή τη μεταβολή της θερμοκρασίας παίρνουμε θερμότητα
όπου c είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα της ουσίας που γεμίζει το θερμιδόμετρο, η μάζα της.
Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η θερμότητα μεταφέρεται όχι μόνο στην ουσία του θερμιδόμετρου, αλλά και στο δοχείο και σε διάφορες συσκευές που μπορούν να τοποθετηθούν σε αυτό. Επομένως, πριν από τη μέτρηση, είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί το λεγόμενο θερμικό ισοδύναμο του θερμιδόμετρου - η ποσότητα θερμότητας που θερμαίνει το "κενό" θερμιδόμετρο κατά ένα βαθμό. Μερικές φορές αυτή η διόρθωση εισάγεται με την προσθήκη μιας πρόσθετης μάζας στη μάζα του νερού, η θερμοχωρητικότητα της οποίας είναι ίση με τη θερμοχωρητικότητα του δοχείου και άλλων τμημάτων του θερμιδομέτρου. Τότε μπορούμε να υποθέσουμε ότι η θερμότητα μεταφέρεται σε μάζα νερού ίση με Η τιμή ονομάζεται υδατικό ισοδύναμο του θερμιδομέτρου.
Μέτρηση θερμοχωρητικότητας.Το θερμιδόμετρο χρησιμεύει επίσης για τη μέτρηση της θερμικής ικανότητας. Στην περίπτωση αυτή, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε ακριβώς την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται (ή αφαιρείται) Εάν είναι γνωστή, τότε η ειδική θερμοχωρητικότητα υπολογίζεται από την ισότητα
πού βρίσκεται η μάζα του υπό μελέτη σώματος και η αλλαγή της θερμοκρασίας του που προκαλείται από τη θερμότητα
Η θερμότητα παρέχεται στο σώμα με ένα θερμιδόμετρο, το οποίο πρέπει να σχεδιαστεί έτσι ώστε η παρεχόμενη θερμότητα να μεταφέρεται μόνο στο υπό μελέτη σώμα (και, φυσικά, στο θερμιδόμετρο), αλλά να μην χάνεται στον περιβάλλοντα χώρο. Εν τω μεταξύ, τέτοιες απώλειες θερμότητας συμβαίνουν πάντα σε κάποιο βαθμό και η συνεκτίμησή τους είναι το κύριο μέλημα στις θερμιδομετρικές μετρήσεις.
Η μέτρηση της θερμοχωρητικότητας των αερίων είναι δύσκολη γιατί, λόγω της χαμηλής πυκνότητάς τους, η θερμοχωρητικότητα της μάζας του αερίου που μπορεί να τοποθετηθεί στο θερμιδόμετρο είναι μικρή. Σε συνηθισμένες θερμοκρασίες, μπορεί να αποδειχθεί συγκρίσιμο με τη θερμοχωρητικότητα ενός κενού θερμιδομέτρου, γεγονός που αναπόφευκτα μειώνει την ακρίβεια των μετρήσεων. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τη μέτρηση της θερμικής ικανότητας σε σταθερό όγκο Κατά τον προσδιορισμό, αυτή η δυσκολία μπορεί να ξεπεραστεί εάν το υπό δοκιμή αέριο αναγκαστεί να ρέει (σε σταθερή πίεση) μέσω ενός θερμιδομέτρου (βλ. παρακάτω).
ΜέτρησηΣχεδόν η μόνη μέθοδος για την άμεση μέτρηση της θερμοχωρητικότητας ενός αερίου σε σταθερό όγκο είναι η μέθοδος που προτείνει ο Joly (1889). Το διάγραμμα αυτής της μεθόδου φαίνεται στο Σχ. 41.
Το θερμιδόμετρο αποτελείται από ένα θάλαμο Κ, στον οποίο δύο πανομοιότυπες κοίλες χάλκινες σφαίρες εξοπλισμένες με πλάκες στο κάτω μέρος και ανακλαστήρες στην κορυφή αιωρούνται στα άκρα της δέσμης ζυγού ακριβείας. Μία από τις μπάλες αντλείται έξω, η άλλη γεμίζεται με το υπό δοκιμή αέριο. Προκειμένου το αέριο να έχει αξιοσημείωτη θερμοχωρητικότητα, εισάγεται υπό σημαντική πίεση.
Αφού επιτευχθεί η θερμική ισορροπία μεταξύ των σφαιρών και του θαλάμου, εισέρχονται υδρατμοί στον θάλαμο (οι σωλήνες εισόδου και εξόδου ατμού βρίσκονται στο μπροστινό και πίσω τοίχωμα του θαλάμου και δεν φαίνονται στο Σχ. 41). Ο ατμός συμπυκνώνεται και στις δύο μπάλες, τις θερμαίνει και ρέει στις πλάκες. Αλλά περισσότερο υγρό συμπυκνώνεται σε μια σφαίρα γεμάτη με αέριο, καθώς η θερμοχωρητικότητα της είναι μεγαλύτερη. Λόγω της υπερβολικής συμπύκνωσης σε μία από τις μπάλες, η ισορροπία των σφαιρών θα διαταραχθεί ξανά. Εξισορροπώντας τη ζυγαριά, διαπιστώνουμε την περίσσεια μάζας του υγρού που έχει συμπυκνωθεί λόγω της παρουσίας αερίου στη μπάλα. Εάν αυτή η περίσσεια μάζα νερού είναι ίση, τότε πολλαπλασιάζοντάς την με τη θερμότητα της συμπύκνωσης του νερού, θα βρούμε την ποσότητα θερμότητας που χρησιμοποιήθηκε για τη θέρμανση του αερίου από την αρχική θερμοκρασία στη θερμοκρασία των υδρατμών ένα θερμόμετρο, παίρνουμε:
πού είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα του αερίου. Γνωρίζοντας την ειδική θερμοχωρητικότητα, διαπιστώνουμε ότι η γραμμομοριακή θερμοχωρητικότητα
ΜέτρησηΈχουμε ήδη αναφέρει ότι για τη μέτρηση της θερμοχωρητικότητας σε σταθερή πίεση, το υπό μελέτη αέριο αναγκάζεται να ρέει μέσω ενός θερμιδόμετρου. Μόνο έτσι μπορεί να εξασφαλιστεί η πίεση του αερίου, παρά την παροχή θερμότητας και θέρμανσης, χωρίς την οποία δεν μπορεί να μετρηθεί η θερμοχωρητικότητα. Ως παράδειγμα μιας τέτοιας μεθόδου, δίνουμε εδώ μια περιγραφή του κλασικού πειράματος της Regnault (Το διάγραμμα της συσκευής φαίνεται στην Εικ. 42.
Το αέριο δοκιμής από τη δεξαμενή Α διέρχεται μέσω μιας βρύσης μέσω ενός πηνίου που τοποθετείται σε ένα δοχείο με λάδι Β, που θερμαίνεται από κάποια πηγή θερμότητας. Η πίεση του αερίου ρυθμίζεται από μια βρύση και η σταθερότητά της ελέγχεται από ένα μανόμετρο.
Το αέριο που θερμαίνεται στο πηνίο στη συνέχεια περνά μέσα από ένα θερμιδόμετρο νερού, ψύχεται σε αυτό σε μια ορισμένη θερμοκρασία που μετράται με ένα θερμόμετρο και εξέρχεται. Μετρώντας την πίεση του αερίου στη δεξαμενή Α στην αρχή και στο τέλος του πειράματος (χρησιμοποιείται μανόμετρο για αυτό), διαπιστώνουμε τη μάζα του αερίου που διέρχεται από τη συσκευή.
Η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται από το αέριο στο θερμιδόμετρο είναι ίση με το γινόμενο του ισοδύναμου νερού του θερμιδόμετρου και της μεταβολής της θερμοκρασίας του, όπου είναι η αρχική θερμοκρασία του θερμιδόμετρου.