Raksta saturs
SILTUMS, vielas iekšējās enerģijas kinētiskā daļa, ko nosaka intensīva haotiska to molekulu un atomu kustība, no kurām šī viela sastāv. Temperatūra ir molekulu kustības intensitātes mērs. Siltuma daudzums, kas piemīt ķermenim noteiktā temperatūrā, ir atkarīgs no tā masas; piemēram, tajā pašā temperatūrā liela ūdens krūze satur vairāk siltuma nekā maza, un spainī auksta ūdens var būt vairāk siltuma nekā tasē karsta ūdens (lai gan ūdens temperatūra spainī ir zemāka) .
Siltumam ir svarīga loma cilvēka dzīvē, tostarp viņa ķermeņa darbībā. Daļa pārtikā esošās ķīmiskās enerģijas tiek pārvērsta siltumā, kā rezultātā ķermeņa temperatūra tiek uzturēta ap 37 ° C. Cilvēka ķermeņa siltuma bilance ir atkarīga arī no apkārtējās vides temperatūras, un cilvēki ir spiesti tērēt daudz enerģijas. par dzīvojamo un ražošanas telpu apsildīšanu ziemā un dzesēšanu vasarā. Lielāko daļu šīs enerģijas piegādā siltumdzinēji, piemēram, katli un tvaika turbīnas spēkstacijās, kas sadedzina fosilo kurināmo (ogles, naftu) un ražo elektroenerģiju.
Līdz 18. gadsimta beigām. siltumu uzskatīja par materiālu vielu, uzskatot, ka ķermeņa temperatūru nosaka tajā esošā “kaloriju šķidruma” vai “kaloriju” daudzums. Vēlāk B.Rumfords, Dž.Džouls un citi tā laika fiziķi ar ģeniāliem eksperimentiem un spriešanu atspēkoja “kaloriju” teoriju, pierādot, ka siltums ir bezsvara un to var iegūt jebkurā daudzumā, vienkārši ar mehānisku kustību. Siltums pats par sevi nav viela – tā ir tikai tā atomu vai molekulu kustības enerģija. Tieši šādai siltuma izpratnei pieturas mūsdienu fizika.
Šajā rakstā mēs aplūkosim, kā siltums un temperatūra ir saistīti un kā šie lielumi tiek mērīti. Mūsu diskusijas tēma būs arī šādi jautājumi: siltuma pārnešana no vienas ķermeņa daļas uz otru; siltuma pārnese vakuumā (telpā, kurā nav vielas); siltuma loma mūsdienu pasaulē.
SILTUMS UN TEMPERATŪRA
Siltumenerģijas daudzumu vielā nevar noteikt, novērojot katras tās molekulas kustību atsevišķi. Gluži pretēji, tikai pētot vielas makroskopiskās īpašības, var atrast daudzu molekulu mikroskopiskās kustības raksturlielumus, kas aprēķināti vidēji noteiktā laika periodā. Vielas temperatūra ir vidējais molekulārās kustības intensitātes rādītājs, kuras enerģija ir vielas siltumenerģija.
Viens no visizplatītākajiem, bet arī neprecīzākajiem veidiem, kā novērtēt temperatūru, ir pieskāriens. Pieskaroties objektam, mēs vērtējam, vai tas ir karsts vai auksts, koncentrējoties uz savām sajūtām. Protams, šīs sajūtas ir atkarīgas no mūsu ķermeņa temperatūras, kas mūs noved pie termiskā līdzsvara jēdziena - viena no vissvarīgākajām temperatūras mērīšanas laikā.
Termiskais līdzsvars.
Acīmredzot, ja divi ķermeņi A Un B(1. att.) cieši piespiediet viens pret otru, tad, pieskaroties tiem pēc pietiekami ilga laika, pamanīsim, ka to temperatūra ir vienāda. Šajā gadījumā viņi saka, ka ķermeņi A Un B atrodas termiskā līdzsvarā viens ar otru. Tomēr, vispārīgi runājot, ķermeņiem nav obligāti jāsaskaras, lai starp tiem pastāvētu termiskais līdzsvars - pietiek ar to, ka to temperatūra ir vienāda. To var pārbaudīt, izmantojot trešo ķermeni C, vispirms novedot to termiskā līdzsvarā ar ķermeni A, un pēc tam salīdzinot ķermeņa temperatūru C Un B. Ķermenis Cšeit spēlē termometra lomu. Stingrā formulējumā šo principu sauc par termodinamikas nulles likumu: ja ķermeņi A un B atrodas termiskā līdzsvarā ar trešo ķermeni C, tad arī šie ķermeņi ir termiskā līdzsvarā viens ar otru.Šis likums ir visu temperatūras mērīšanas metožu pamatā.
Temperatūras mērīšana.
Ja mēs vēlamies veikt precīzus eksperimentus un aprēķinus, tad nepietiek ar tādiem temperatūras rādītājiem kā karsts, silts, vēss, auksts - mums ir vajadzīga graduēta temperatūras skala. Ir vairākas šādas skalas, un par atskaites punktiem parasti tiek ņemtas ūdens sasalšanas un viršanas temperatūras. Četras visbiežāk sastopamās skalas ir parādītas attēlā. 2. Celsija skalu, uz kuras ūdens sasalšanas temperatūra atbilst 0°, bet viršanas temperatūra - 100°, sauc par Celsija skalu, kas nosaukta zviedru astronoma A. Celsija vārdā, kurš to aprakstīja 1742. gadā. Tiek uzskatīts, ka zviedru dabaszinātnieks K. Linnejs pirmo reizi izmantoja šo skalu. Tagad Celsija skala ir visizplatītākā pasaulē. Fārenheita temperatūras skalu, kurā ūdens sasalšanas un viršanas temperatūra atbilst ārkārtīgi neērtiem skaitļiem 32 un 212°, 1724. gadā ierosināja G. Fārenheits. Fārenheita skala ir plaši izplatīta angliski runājošajās valstīs, taču zinātniskajā literatūrā to gandrīz neizmanto. Lai pārvērstu Celsija temperatūru (°C) uz Fārenheita temperatūru (°F), ir formula °F = (9/5)°C + 32, un apgrieztajai pārvēršanai ir formula °C = (5/9)( °F-32).
Abas skalas – gan Fārenheita, gan Celsija – ir ļoti neērti, veicot eksperimentus apstākļos, kad temperatūra nokrītas zem ūdens sasalšanas punkta un tiek izteikta kā negatīvs skaitlis. Šādos gadījumos tika ieviestas absolūtās temperatūras skalas, kuru pamatā ir ekstrapolācija uz tā saukto absolūto nulli - punktu, kurā molekulārajai kustībai vajadzētu apstāties. Vienu no tām sauc par Rankine skalu, bet otru - par absolūto termodinamisko skalu; to temperatūru mēra Rankine grādos (°R) un kelvinos (K). Abas skalas sākas no absolūtās nulles, un ūdens sasalšanas punkts atbilst 491,7° R un 273,16 K. Gādu un kelvinu skaits starp ūdens sasalšanas un viršanas punktiem pēc Celsija skalas un absolūtās termodinamiskās skalas ir vienāds un vienāds. līdz 100; Fārenheita un Rankina skalām arī tas ir vienāds, bet vienāds ar 180. Celsija grādus pārvērš kelvinos, izmantojot formulu K = ° C + 273,16, un Fārenheita grādus pārvērš Rankīna grādos, izmantojot formulu ° R = ° F + 459.7.
Temperatūras mērīšanai paredzēto instrumentu darbība balstās uz dažādām fizikālām parādībām, kas saistītas ar vielas siltumenerģijas izmaiņām - elektriskās pretestības, tilpuma, spiediena, emisijas raksturlielumu un termoelektrisko īpašību izmaiņām. Viens no vienkāršākajiem un pazīstamākajiem temperatūras mērīšanas instrumentiem ir dzīvsudraba stikla termometrs, kas parādīts attēlā. 3, A. Dzīvsudraba bumbiņu termometra apakšējā daļā ievieto vidē vai piespiež pret objektu, kura temperatūra ir jāmēra, un atkarībā no tā, vai bumbiņa saņem vai izdala siltumu, dzīvsudrabs izplešas vai saraujas un tā kolonna paceļas vai iekrīt kapilārā. Ja termometrs ir iepriekš kalibrēts un aprīkots ar skalu, tad jūs varat tieši uzzināt ķermeņa temperatūru.
Vēl viena ierīce, kuras darbības pamatā ir termiskā izplešanās, ir bimetāla termometrs, kas parādīts attēlā. 3, b. Tās galvenais elements ir spirālveida plāksne, kas izgatavota no diviem metinātiem metāliem ar dažādiem termiskās izplešanās koeficientiem. Sildot, viens no metāliem izplešas vairāk nekā otrs, spirāle pagriežas un pagriež bultiņu attiecībā pret skalu. Šādas ierīces bieži izmanto iekštelpu un āra gaisa temperatūras mērīšanai, taču tās nav piemērotas vietējo temperatūru noteikšanai.
Vietējo temperatūru parasti mēra, izmantojot termopāri, kas ir divi atšķirīgu metālu vadi, kas pielodēti vienā galā (4. att., A). Sildot šādu savienojumu, vadu brīvajos galos rodas emf, kas parasti ir vairāki milivolti. Termopāri ir izgatavoti no dažādiem metālu pāriem: dzelzs un konstantāna, vara un konstantāna, hromela un alumela. Viņu termo-emf mainās gandrīz lineāri ar temperatūru plašā temperatūras diapazonā.
Ir zināms arī cits termoelektrisks efekts - vadoša materiāla pretestības atkarība no temperatūras. Tas ir elektriskās pretestības termometru darbības pamatā, no kuriem viens ir parādīts attēlā. 4, b. Maza temperatūras jutīga elementa (termiskā devēja) - parasti tievas stieples spoles - pretestību salīdzina ar kalibrēta mainīga rezistora pretestību, izmantojot Vitstona tiltu. Izvades ierīci var kalibrēt tieši grādos.
Optiskie pirometri tiek izmantoti, lai mērītu karstu ķermeņu temperatūru, kas izstaro redzamo gaismu. Vienā šīs ierīces iemiesojumā korpusa izstarotā gaisma tiek salīdzināta ar kvēlspuldzes kvēldiega emisiju, kas novietota binokļa fokusa plaknē, caur kuru tiek skatīts izstarojošais ķermenis. Elektriskā strāva, kas silda lampas kvēldiegu, tiek mainīta, līdz vizuāli salīdzinot kvēldiega un korpusa mirdzumu, atklājas, ka starp tiem ir izveidots termiskais līdzsvars. Instrumenta skalu var kalibrēt tieši temperatūras vienībās.
Siltuma daudzuma mērīšana.
Ķermeņa siltumenerģiju (siltuma daudzumu) var izmērīt tieši, izmantojot tā saukto kalorimetru; vienkārša šādas ierīces versija ir parādīta attēlā. 5. Šis ir rūpīgi izolēts slēgts trauks, kas aprīkots ar ierīcēm temperatūras mērīšanai tajā un dažreiz piepildīts ar darba šķidrumu ar zināmām īpašībām, piemēram, ūdeni. Lai izmērītu siltuma daudzumu nelielā apsildāmā korpusā, to ievieto kalorimetrā un gaida, līdz sistēma sasniedz termisko līdzsvaru. Siltuma daudzumu, kas tiek nodots kalorimetram (precīzāk, ūdenim, kas to piepilda), nosaka ūdens temperatūras paaugstināšanās.
Siltuma daudzumu, kas izdalās ķīmiskās reakcijas, piemēram, sadegšanas laikā, var izmērīt, ievietojot kalorimetrā nelielu “bumbu”. “Bumbā” ir paraugs, kuram aizdedzināšanai pieslēgti elektrības vadi, un atbilstošs skābekļa daudzums. Pēc tam, kad paraugs pilnībā izdeg un ir izveidojies termiskais līdzsvars, nosaka, cik daudz ir palielinājusies ūdens temperatūra kalorimetrā un līdz ar to arī izdalītā siltuma daudzums.
Siltuma mērvienības.
Siltums ir enerģijas veids, un tāpēc tas jāmēra enerģijas vienībās. Enerģijas SI mērvienība ir džouls (J). Var izmantot arī nesistēmiskās siltuma daudzuma mērvienības - kalorijas: starptautiskā kalorija ir 4,1868 J, termoķīmiskā kalorija - 4,1840 J. Ārvalstu laboratorijās pētījumu rezultāti bieži tiek izteikti, izmantojot t.s. 15 grādu kalorija ir vienāda ar 4,1855 J. Ārpussistēmas britu termiskā iekārta (BTU) tiek pakāpeniski pārtraukta: BTU vid. = 1,055 J.
Siltuma avoti.
Galvenie siltuma avoti ir ķīmiskās un kodolreakcijas, kā arī dažādi enerģijas pārveidošanas procesi. Ķīmisko reakciju, kas izdala siltumu, piemēri ir sadegšana un pārtikas sastāvdaļu sadalīšanās. Gandrīz visu siltumu, ko saņem Zeme, nodrošina kodolreakcija, kas notiek Saules dziļumos. Cilvēce ir iemācījusies iegūt siltumu, izmantojot kontrolētus kodola skaldīšanas procesus, un tagad šim pašam mērķim mēģina izmantot kodolsintēzes reakcijas. Cita veida enerģiju, piemēram, mehānisko darbu un elektrisko enerģiju, var pārvērst siltumā. Ir svarīgi atcerēties, ka siltumenerģiju (tāpat kā jebkuru citu) var pārvērst tikai citā formā, bet nevar iegūt “no nekā” vai iznīcināt. Tas ir viens no zinātnes, ko sauc par termodinamiku, pamatprincipiem.
TERMODINAMIKA
Termodinamika ir zinātne par siltuma, darba un matērijas attiecībām. Mūsdienu priekšstati par šīm attiecībām veidojās, balstoties uz tādu izcilu pagātnes zinātnieku kā Kārno, Klausiusa, Gibsa, Džoula, Kelvina uc darbiem. Termodinamika izskaidro vielas siltumietilpības un siltumvadītspējas, ķermeņu termiskās izplešanās nozīmi. , un fāzu pāreju siltumu. Šīs zinātnes pamatā ir vairāki eksperimentāli izveidoti likumi – principi.
Termodinamikas pirmsākumi.
Iepriekš formulētais termodinamikas nulles likums ievieš termiskā līdzsvara, temperatūras un termometrijas jēdzienus. Pirmais termodinamikas likums ir apgalvojums, kas ir ļoti svarīgs visai zinātnei kopumā: enerģiju nevar ne iznīcināt, ne iegūt “no nekā”, tāpēc Visuma kopējā enerģija ir nemainīgs lielums. Vienkāršākajā formā pirmo termodinamikas likumu var formulēt šādi: enerģija, ko sistēma saņem, mīnus enerģija, ko tā izdala, ir vienāda ar enerģiju, kas paliek sistēmā. No pirmā acu uzmetiena šis apgalvojums šķiet acīmredzams, bet ne tādā situācijā, piemēram, benzīna sadegšana automašīnas dzinēja cilindros: šeit saņemtā enerģija ir ķīmiska, dotā enerģija ir mehāniska (darbs), un sistēmā atlikušā enerģija ir termiskā.
Tātad ir skaidrs, ka enerģija var pārveidoties no viena veida citā un ka šādas pārvērtības pastāvīgi notiek dabā un tehnoloģijās. Vairāk nekā pirms simts gadiem J. Džouls to pierādīja gadījumam, kad mehāniskā enerģija tika pārveidota siltumenerģijā, izmantojot ierīci, kas parādīta attēlā. 6, A. Šajā ierīcē lejupejoši un augoši svari grieza vārpstu ar asmeņiem ar ūdeni pildītā kalorimetrā, izraisot ūdens uzsilšanu. Precīzi mērījumi ļāva Džoulam noteikt, ka viena siltuma kalorija ir līdzvērtīga 4,186 J mehāniskā darba. Attēlā redzamā ierīce. 6, b, tika izmantots, lai noteiktu elektriskās enerģijas termisko ekvivalentu.
Pirmais termodinamikas likums izskaidro daudzas ikdienas parādības. Piemēram, kļūst skaidrs, kāpēc virtuvi nevar atdzesēt ar atvērtu ledusskapi. Pieņemsim, ka esam izolējuši virtuvi no apkārtējās vides. Enerģija tiek nepārtraukti piegādāta sistēmai caur ledusskapja barošanas vadu, bet sistēma neizdala enerģiju. Tādējādi tā kopējā enerģija palielinās, un virtuve kļūst arvien siltāka: vienkārši pieskarieties siltummaiņa (kondensatora) caurulēm ledusskapja aizmugurējā sienā, un jūs sapratīsit tās kā “dzesēšanas” ierīces nederīgumu. Bet, ja šīs caurules tiktu izņemtas ārpus sistēmas (piemēram, ārpus loga), tad virtuve izdalītu vairāk enerģijas nekā saņemta, t.i. atdzesētu, un ledusskapis darbotos kā logu gaisa kondicionieris.
Pirmais termodinamikas likums ir dabas likums, kas izslēdz enerģijas radīšanu vai iznīcināšanu. Tomēr tas neko nesaka par to, kā dabā notiek enerģijas pārneses procesi. Tātad, mēs zinām, ka karsts ķermenis uzsildīs aukstu, ja šie ķermeņi nonāks saskarē. Bet vai auksts ķermenis pats var nodot savu siltuma rezervi karstajam? Pēdējo iespēju kategoriski noraida otrais termodinamikas likums.
Pirmais princips arī izslēdz iespēju izveidot dzinēju, kura veiktspējas (efektivitātes) koeficients ir lielāks par 100% (šāds "mūžīgs" dzinējs jebkurā laikā varētu piegādāt vairāk enerģijas, nekā patērē). Nav iespējams uzbūvēt dzinēju pat ar 100% efektivitāti, jo tam noteikti jāzaudē daļa no tam piegādātās enerģijas mazāk noderīgas siltumenerģijas veidā. Tādējādi ritenis bez enerģijas padeves negriezīsies ilgu laiku, jo gultņu berzes dēļ mehāniskās kustības enerģija pakāpeniski pārvērtīsies siltumā, līdz ritenis apstāsies.
Tendenci pārvērst "lietderīgu" darbu mazāk lietderīgā enerģijā - siltumā - var salīdzināt ar citu procesu, kas notiek, savienojot divus traukus, kas satur dažādas gāzes. Pietiekami ilgi gaidot, abos traukos atrodam viendabīgu gāzu maisījumu - daba darbojas tā, ka sistēmas kārtība samazinās. Šo traucējumu termodinamisko mēru sauc par entropiju, un otro termodinamikas likumu var formulēt dažādi: procesi dabā vienmēr norisinās tā, ka palielinās sistēmas un tās vides entropija. Tādējādi Visuma enerģija paliek nemainīga, bet tā entropija nepārtraukti palielinās.
Vielu siltums un īpašības.
Dažādām vielām ir dažādas spējas uzkrāt siltumenerģiju; tas ir atkarīgs no to molekulārās struktūras un blīvuma. Siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai paaugstinātu vielas masas vienības temperatūru par vienu grādu, sauc par tās īpatnējo siltumietilpību. Siltuma jauda ir atkarīga no apstākļiem, kādos viela atrodas. Piemēram, lai uzsildītu vienu gramu gaisa balonā par 1 K, ir nepieciešams vairāk siltuma nekā tādai pašai karsēšanai noslēgtā traukā ar stingrām sienām, jo daļa no balonam piešķirtās enerģijas tiek tērēta gaisa paplašināšanai, un nevis sildot to. Tāpēc jo īpaši gāzu siltumietilpību mēra atsevišķi nemainīgā spiedienā un nemainīgā tilpumā.
Paaugstinoties temperatūrai, palielinās molekulu haotiskās kustības intensitāte – vairums vielu karsējot izplešas. Vielas izplešanās pakāpi, kad temperatūra paaugstinās par 1 K, sauc par termiskās izplešanās koeficientu.
Lai viela pārietu no vienas fāzes stāvokļa uz otru, piemēram, no cietas uz šķidrumu (un dažreiz tieši uz gāzveida), tai jāsaņem noteikts siltuma daudzums. Ja karsējat cietu vielu, tās temperatūra paaugstināsies, līdz tā sāks kust; līdz kušana ir pabeigta, ķermeņa temperatūra saglabāsies nemainīga, neskatoties uz siltuma pievienošanu. Siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai izkausētu vielas masas vienību, sauc par saplūšanas siltumu. Ja karsēsiet tālāk, izkausētā viela uzkarsēs līdz vārīšanās temperatūrai. Siltuma daudzumu, kas nepieciešams šķidruma masas vienības iztvaicēšanai noteiktā temperatūrā, sauc par iztvaikošanas siltumu.
Molekulārā kinētiskā teorija.
Molekulārā kinētiskā teorija izskaidro vielas makroskopiskās īpašības, mikroskopiskā līmenī ņemot vērā šo vielu veidojošo atomu un molekulu uzvedību. Šajā gadījumā tiek izmantota statistiskā pieeja un izdarīti daži pieņēmumi par pašām daļiņām un to kustības raksturu. Tādējādi molekulas tiek uzskatītas par cietām bumbiņām, kuras gāzveida vidē atrodas nepārtrauktā haotiskā kustībā un veic ievērojamus attālumus no vienas sadursmes līdz otrai. Sadursmes tiek uzskatītas par elastīgām un notiek starp daļiņām, kuru izmērs ir mazs, bet to skaits ir ļoti liels. Neviena no reālajām gāzēm precīzi neatbilst šim modelim, taču lielākā daļa gāzu ir diezgan tuvu tam, kas nosaka molekulārās kinētiskās teorijas praktisko vērtību.
Pamatojoties uz šīm idejām un izmantojot statistisko pieeju, Maksvels atvasināja gāzes molekulu ātrumu sadalījumu ierobežotā tilpumā, kas vēlāk tika nosaukts viņa vārdā. Šis sadalījums ir grafiski parādīts attēlā. 7 noteiktai ūdeņraža masai 100 un 1000 ° C temperatūrā. Molekulu skaits, kas pārvietojas ar ātrumu, kas norādīts uz abscisas, ir attēlots pa ordinātu asi. Kopējais daļiņu skaits ir vienāds ar laukumu zem katras līknes un ir vienāds abos gadījumos. Diagramma parāda, ka lielākajai daļai daļiņu ātrums ir tuvu kādai vidējai vērtībai, un tikai nelielai daļai ir ļoti liels vai mazs ātrums. Vidējais ātrums norādītajās temperatūrās ir 2000–3000 m/s robežās, t.i. ļoti liels.
Liels skaits šādu ātri kustīgu gāzes molekulu iedarbojas ar diezgan izmērāmu spēku uz apkārtējiem ķermeņiem. Mikroskopiskie spēki, ar kuriem daudzas gāzes molekulas ietriecas tvertnes sieniņās, kopā veido makroskopisku daudzumu, ko sauc par spiedienu. Kad gāzei tiek piegādāta enerģija (paaugstinās temperatūra), palielinās tās molekulu vidējā kinētiskā enerģija, gāzes daļiņas biežāk un stiprāk skar sienas, palielinās spiediens, un, ja sienas nav pilnībā stingras, tad tās stiepjas un tilpums. gāzes daudzums palielinās. Tādējādi mikroskopiskā statistiskā pieeja, kas ir molekulārās kinētiskās teorijas pamatā, ļauj mums izskaidrot mūsu apspriesto termiskās izplešanās fenomenu.
Vēl viens molekulārās kinētiskās teorijas rezultāts ir likums, kas apraksta tādas gāzes īpašības, kas atbilst iepriekš uzskaitītajām prasībām. Šis tā sauktais ideālās gāzes stāvokļa vienādojums attiecas uz viena mola gāzes spiedienu, tilpumu un temperatūru, un tam ir forma
PV = RT,
Kur P- spiediens, V- apjoms, T- temperatūra un R– universālā gāzes konstante, kas vienāda ar (8,31441 ± 0,00026) J/(mol K). TERMODINAMIKA.
SILTUMA NODOŠANA
Siltuma pārnese ir siltuma pārneses process ķermeņa iekšienē vai no viena ķermeņa uz otru temperatūras atšķirību dēļ. Siltuma pārneses intensitāte ir atkarīga no vielas īpašībām, temperatūras starpības un pakļaujas eksperimentāli noteiktajiem dabas likumiem. Lai izveidotu efektīvi strādājošas apkures vai dzesēšanas sistēmas, dažādus dzinējus, spēkstacijas, siltumizolācijas sistēmas, ir jāzina siltuma pārneses principi. Dažos gadījumos siltuma apmaiņa ir nevēlama (kausēšanas krāšņu, kosmosa kuģu uc siltumizolācija), savukārt citos tai jābūt pēc iespējas lielākai (tvaika katli, siltummaiņi, virtuves piederumi).
Ir trīs galvenie siltuma pārneses veidi: vadītspēja, konvekcija un starojuma siltuma pārnese.
Siltumvadītspēja.
Ja ķermeņa iekšienē ir temperatūras starpība, tad siltumenerģija pārvietojas no karstākās ķermeņa daļas uz aukstāko. Šo siltuma pārneses veidu, ko izraisa termiskās kustības un molekulu sadursmes, sauc par siltumvadītspēju; pietiekami augstā temperatūrā cietās vielās to var novērot vizuāli. Tādējādi, karsējot tērauda stieni no viena gala gāzes degļa liesmā, pa stieni tiek pārnesta siltumenerģija, un noteiktā attālumā no uzkarsētā gala izplatās spīdums (ar attālumu no sildīšanas vietas arvien mazāk intensīvs). ).
Siltuma pārneses intensitāte siltumvadītspējas dēļ ir atkarīga no temperatūras gradienta, t.i. attiecības D T/D x temperatūras starpība stieņa galos līdz attālumam starp tiem. Tas ir atkarīgs arī no stieņa šķērsgriezuma laukuma (m2) un materiāla siltumvadītspējas koeficienta [atbilstošās vienībās W/(mH K)]. Sakarību starp šiem lielumiem atvasināja franču matemātiķis J. Furjē, un tai ir šāda forma:
Kur q- siltuma plūsma, k ir siltumvadītspējas koeficients, un A– šķērsgriezuma laukums. Šo attiecību sauc par Furjē siltumvadītspējas likumu; mīnusa zīme tajā norāda, ka siltums tiek pārnests virzienā, kas ir pretējs temperatūras gradientam.
No Furjē likuma izriet, ka siltuma plūsmu var samazināt, samazinot vienu no lielumiem - siltumvadītspējas koeficientu, laukumu vai temperatūras gradientu. Ēkai ziemas apstākļos pēdējās vērtības ir praktiski nemainīgas, un tāpēc, lai telpā uzturētu vēlamo temperatūru, atliek samazināt sienu siltumvadītspēju, t.i. uzlabot to siltumizolāciju.
Tabulā parādīti dažu vielu un materiālu siltumvadītspējas koeficienti. Tabulā redzams, ka daži metāli vada siltumu daudz labāk nekā citi, taču tie visi ir ievērojami labāki siltuma vadītāji nekā gaiss un poraini materiāli.
|
DAŽU VIELU UN MATERIĀLU SILTUMU VADĪTĪBA |
|
|
Vielas un materiāli |
Siltumvadītspēja, W/(m × K) |
|
Metāli |
|
| Alumīnijs | |
| Bronza | |
| Bismuts | |
| Volframs | |
| Dzelzs | |
| Zelts | |
| Kadmijs | |
| Magnijs | |
| Varš | |
| Arsēns | |
| Niķelis | |
| Platīns | |
| Merkurs | |
| Svins | |
| Cinks | |
|
Citi materiāli |
|
| Azbests | |
| Betons | |
| Gaiss | |
| Eider uz leju (brīva) | |
| Koka rieksts) | |
| Magnēzijs (MgO) | |
| Zāģu skaidas | |
| Gumija (sūklis) | |
| Vizla | |
| Stikls | |
| Ogleklis (grafīts) | |
Metālu siltumvadītspēja ir saistīta ar kristāla režģa vibrācijām un liela skaita brīvo elektronu (dažreiz sauktu par elektronu gāzi) kustību. Elektronu kustība ir atbildīga arī par metālu elektrovadītspēju, tāpēc nav pārsteidzoši, ka labi siltuma vadītāji (piemēram, sudrabs vai varš) ir arī labi elektrības vadītāji.
Daudzu vielu termiskā un elektriskā pretestība strauji samazinās, temperatūrai nokrītot zem šķidrā hēlija temperatūras (1,8 K). Šo fenomenu, ko sauc par supravadītspēju, izmanto, lai uzlabotu daudzu ierīču efektivitāti – no mikroelektronikas ierīcēm līdz elektropārvades līnijām un lieliem elektromagnētiem.
Konvekcija.
Kā jau teicām, kad šķidrumam vai gāzei tiek piegādāts siltums, palielinās molekulu kustības intensitāte, kā rezultātā palielinās spiediens. Ja šķidrumam vai gāzei nav ierobežots tilpums, tas izplešas; šķidruma (gāzes) lokālais blīvums kļūst mazāks, un, pateicoties peldspējas (Arhimēda) spēkiem, uzkarsētā vides daļa virzās uz augšu (tādēļ siltais gaiss telpā paceļas no radiatoriem līdz griestiem). Šo parādību sauc par konvekciju. Lai netērētu apkures sistēmas siltumu, jāizmanto mūsdienīgi sildītāji, kas nodrošina piespiedu gaisa cirkulāciju.
Konvektīvā siltuma plūsma no sildītāja uz apsildāmo vidi ir atkarīga no molekulu sākotnējā kustības ātruma, blīvuma, viskozitātes, siltumvadītspējas un siltumietilpības un vides; Ļoti svarīgi ir arī sildītāja izmērs un forma. Attiecības starp attiecīgajiem lielumiem pakļaujas Ņūtona likumam
q = hA (T W - T Ґ ),
Kur q- siltuma plūsma (mēra vatos), A- siltuma avota virsmas laukums (m2), T W Un TҐ – avota un tā vides temperatūra (kelvinos). Konvektīvās siltuma pārneses koeficients h ir atkarīgs no barotnes īpašībām, tās molekulu sākuma ātruma, kā arī no siltuma avota formas, un to mēra vienībās W/(m 2 H K).
Lielums h nav vienāds gadījumos, kad gaiss ap sildītāju ir stacionārs (brīvā konvekcija) un kad tas pats sildītājs atrodas gaisa plūsmā (piespiedu konvekcija). Vienkāršos gadījumos, kad šķidrums plūst pa cauruli vai plūst ap līdzenu virsmu, koeficients h var aprēķināt teorētiski. Tomēr vēl nav izdevies atrast analītisku risinājumu konvekcijas problēmai vides turbulentai plūsmai. Turbulence ir sarežģīta šķidruma (gāzes) kustība, kas ir haotiska mērogā, kas ir ievērojami lielāks par molekulāro.
Ja apsildāmu (vai, gluži otrādi, aukstu) ķermeni ievieto stacionārā vidē vai plūsmā, tad ap to veidojas konvekcijas strāvas un robežslānis. Temperatūrai, spiedienam un molekulu kustības ātrumam šajā slānī ir liela nozīme konvektīvās siltuma pārneses koeficienta noteikšanā.
Konvekcija ir jāņem vērā siltummaiņu, gaisa kondicionēšanas sistēmu, ātrgaitas lidmašīnu un daudzu citu lietojumu projektēšanā. Visās šādās sistēmās siltumvadītspēja notiek vienlaikus ar konvekciju gan starp cietiem ķermeņiem, gan to vidē. Paaugstinātā temperatūrā arī starojuma siltuma pārnesei var būt nozīmīga loma.
Starojuma siltuma pārnese.
Trešais siltuma pārneses veids - starojuma siltuma pārnese - atšķiras no siltumvadītspējas un konvekcijas ar to, ka siltumu šajā gadījumā var pārnest caur vakuumu. Tā līdzība ar citām siltuma pārneses metodēm ir tāda, ka to izraisa arī temperatūras atšķirības. Siltuma starojums ir elektromagnētiskā starojuma veids. Citi tā veidi - radioviļņi, ultravioletais un gamma starojums - rodas, ja nav temperatūras starpības.
Attēlā 8. attēlā parādīta termiskā (infrasarkanā) starojuma enerģijas atkarība no viļņa garuma. Siltuma starojumu var pavadīt redzamās gaismas emisija, taču tā enerģija ir maza, salīdzinot ar starojuma enerģiju no neredzamās spektra daļas.
Siltuma pārneses intensitāte vadīšanas un konvekcijas ceļā ir proporcionāla temperatūrai, un starojuma siltuma plūsma ir proporcionāla temperatūras ceturtajai pakāpei un atbilst Stefana-Bolcmaņa likumam.
kur, tāpat kā iepriekš, q– siltuma plūsma (džoulos sekundē, t.i., W), A ir izstarojošā ķermeņa virsmas laukums (m2) un T 1 un T 2 – izstarojošā ķermeņa un šo starojumu absorbējošās vides temperatūras (kelvinos). Koeficients s sauc par Stefana–Bolcmaņa konstanti un ir vienāds ar (5,66961 ± 0,00096) H 10 –8 W/(m 2 H K 4).
Iesniegtais termiskā starojuma likums ir spēkā tikai ideālam emitētājam - tā sauktajam absolūti melnam ķermenim. Neviens īsts ķermenis tāds nav, lai gan plakana melna virsma savās īpašībās tuvojas absolūti melnam ķermenim. Gaismas virsmas izstaro salīdzinoši vāji. Lai ņemtu vērā daudzu “pelēko” ķermeņu novirzi no ideālitātes, Stefana-Bolcmaņa likumu aprakstošās izteiksmes labajā pusē tiek ieviests koeficients, kas ir mazāks par vienību, ko sauc par emisijas koeficientu. Plakanai melnai virsmai šis koeficients var sasniegt 0,98, bet pulētam metāla spogulim tas nepārsniedz 0,05. Attiecīgi melnā korpusa starojuma absorbcijas spēja ir augsta un spoguļa korpusam zema.
Dzīvojamās un biroju telpas bieži tiek apsildītas ar maziem elektriskiem siltuma izstarotājiem; to spirāļu sarkanais mirdzums ir redzams termiskais starojums, kas atrodas tuvu spektra infrasarkanās daļas malai. Telpu silda siltums, ko galvenokārt nes starojuma neredzamā, infrasarkanā daļa. Nakts redzamības ierīces izmanto termiskā starojuma avotu un infrasarkano staru jutīgu uztvērēju, lai nodrošinātu redzamību tumsā.
Saule ir spēcīga siltumenerģijas izstarotāja; tas silda Zemi pat 150 miljonu km attālumā. Saules starojuma intensitāte, ko gadu no gada reģistrē stacijas, kas atrodas daudzviet pasaulē, ir aptuveni 1,37 W/m2. Saules enerģija ir dzīvības avots uz Zemes. Šobrīd tiek meklēti veidi, kā to visefektīvāk izmantot. Saules paneļi ir radīti māju apsildīšanai un elektroenerģijas ražošanai sadzīves vajadzībām.
SILTUMA LOMA UN TĀ IZMANTOŠANA
Siltuma pārnešana (sakarā ar siltumvadītspēju) no izkausētā Zemes kodola uz tās virsmu izraisa vulkāna izvirdumus un geizeru parādīšanos. Dažos reģionos ģeotermālo enerģiju izmanto telpu apkurei un elektroenerģijas ražošanai.
Siltums ir neaizstājams gandrīz visu ražošanas procesu dalībnieks. Minēsim svarīgākos no tiem, piemēram, metālu kausēšanu un pārstrādi, dzinēju darbību, pārtikas ražošanu, ķīmisko sintēzi, naftas pārstrādi un visdažādāko priekšmetu izgatavošanu – no ķieģeļiem un traukiem līdz automašīnām un elektroniskām ierīcēm.
Daudzas rūpnieciskās ražošanas un transporta, kā arī termoelektrostacijas nevarētu darboties bez siltumdzinējiem – ierīcēm, kas pārvērš siltumu lietderīgā darbā. Šādu mašīnu piemēri ir kompresori, turbīnas, tvaika, benzīna un reaktīvie dzinēji.
Viens no slavenākajiem siltumdzinējiem ir tvaika turbīna, kas īsteno daļu no Rankine cikla, ko izmanto mūsdienu spēkstacijās. Šī cikla vienkāršota diagramma ir parādīta attēlā. 9. Darba šķidrumu - ūdeni - tvaika katlā pārvērš pārkarsētā tvaikā, ko silda, dedzinot fosilo kurināmo (ogles, naftu vai dabasgāzi). Augstspiediena tvaiks rotē tvaika turbīnas vārpstu, kas darbina ģeneratoru, kas ražo elektrību. Izplūdes tvaiks kondensējas, ja to atdzesē tekoša ūdens, kas absorbē daļu siltuma, kas netiek izmantots Rankine ciklā. Tālāk ūdens tiek piegādāts dzesēšanas tornim, no kurienes daļa siltuma tiek izvadīta atmosfērā. Kondensāts tiek atgriezts tvaika katlā, izmantojot sūkni, un viss cikls tiek atkārtots.
Visi Rankine cikla procesi ilustrē iepriekš aprakstītos termodinamikas principus. Jo īpaši saskaņā ar otro likumu daļa no elektrostacijas patērētās enerģijas ir jāizkliedē vidē siltuma veidā. Izrādās, ka šādā veidā tiek zaudēti aptuveni 68% no sākotnēji fosilā kurināmā ietvertās enerģijas. Ievērojamu spēkstacijas efektivitātes pieaugumu varētu panākt, tikai paaugstinot tvaika katla temperatūru (ko ierobežo materiālu siltumnoturība) vai pazeminot vides temperatūru, kurp aiziet siltums, t.i. atmosfēra.
Vēl viens termodinamiskais cikls, kam ir liela nozīme mūsu ikdienas dzīvē, ir Rankine tvaika kompresora saldēšanas cikls, kura diagramma ir parādīta attēlā. 10. Ledusskapjos un sadzīves gaisa kondicionieros enerģija tās nodrošināšanai tiek piegādāta no ārpuses. Kompresors paaugstina ledusskapja darba vielas – freona, amonjaka vai oglekļa dioksīda – temperatūru un spiedienu. Pārkarsētā gāze tiek piegādāta kondensatoram, kur tā atdziest un kondensējas, izdalot siltumu vidē. Šķidrums, kas iziet no kondensatora caurulēm, caur droseļvārstu nonāk iztvaicētājā, un daļa no tā iztvaiko, ko pavada strauja temperatūras pazemināšanās. Iztvaicētājs ņem siltumu no ledusskapja kameras, kas silda darba šķidrumu caurulēs; šo šķidrumu kompresors piegādā kondensatoram, un cikls atkārtojas vēlreiz.
Attēlā parādītais saldēšanas cikls. 10, var izmantot arī siltumsūknī. Šādi siltumsūkņi vasarā atdod siltumu karstajam atmosfēras gaisam un kondicionē telpu, savukārt ziemā, gluži pretēji, ņem siltumu no aukstā gaisa un silda telpu.
Kodolreakcijas ir svarīgs siltuma avots, piemēram, enerģijas ražošanai un transportēšanai. 1905. gadā A. Einšteins parādīja, ka masa un enerģija ir saistītas ar attiecību E=mc 2, t.i. var pārveidoties viens par otru. Gaismas ātrums cļoti augsts: 300 tūkstoši km/s. Tas nozīmē, ka pat neliels daudzums vielas var nodrošināt milzīgu enerģijas daudzumu. Tādējādi no 1 kg skaldāmā materiāla (piemēram, urāna) teorētiski ir iespējams iegūt enerģiju, ko 1 MW elektrostacija nodrošina 1000 nepārtrauktas darbības dienu laikā.
Siltumenerģija ir siltuma mērīšanas sistēma, kas tika izgudrota un izmantota pirms diviem gadsimtiem. Pamatnoteikums darbam ar šo vērtību bija tāds, ka siltumenerģija tiek saglabāta un nevar vienkārši pazust, bet to var pārveidot par cita veida enerģiju.
Ir vairāki vispārpieņemti siltumenerģijas vienības. Tos galvenokārt izmanto tādās rūpniecības nozarēs kā. Visizplatītākie ir aprakstīti zemāk:
Jebkurai SI sistēmā iekļautajai mērvienībai ir mērķis, lai noteiktu viena vai cita veida enerģijas, piemēram, siltuma vai elektroenerģijas, kopējo daudzumu. Mērīšanas laiks un daudzums šīs vērtības neietekmē, tāpēc tos var izmantot gan patērētajai, gan jau patērētajai enerģijai. Turklāt šādos daudzumos tiek aprēķināta arī jebkura pārraide un uztveršana, kā arī zudumi.
Kur tiek izmantotas siltumenerģijas mērvienības?
Enerģijas vienības, kas pārveidotas siltumā
Ilustrācijas nolūkos zemāk ir sniegti dažādu populāru SI indeksu salīdzinājumi ar siltumenerģiju:
- 1 GJ ir vienāds ar 0,24 Gcal, kas elektriskajā ekvivalentā ir vienāds ar 3400 miljoniem kW stundā. Siltumenerģijas ekvivalentā 1 GJ = 0,44 tonnas tvaika;
- Tajā pašā laikā 1 Gcal = 4,1868 GJ = 16 000 miljoni kW stundā = 1,9 tonnas tvaika;
- 1 tonna tvaika ir vienāda ar 2,3 GJ = 0,6 Gcal = 8200 kW stundā.
Šajā piemērā dotā tvaika vērtība tiek uzskatīta par ūdens iztvaikošanu, sasniedzot 100°C.
Siltuma daudzuma aprēķināšanai izmanto šādu principu: lai iegūtu datus par siltuma daudzumu, to izmanto šķidruma karsēšanā, pēc tam ūdens masu reizina ar dīgšanas temperatūru. Ja SI šķidruma masu mēra kilogramos, bet temperatūras atšķirības - Celsija grādos, tad šādu aprēķinu rezultāts būs siltuma daudzums kilokalorijās.
Ja rodas nepieciešamība pārnest siltumenerģiju no viena fiziska ķermeņa uz otru un vēlaties noskaidrot iespējamos zudumus, tad saņemtās vielas siltuma masa jāreizina ar pieauguma temperatūru un pēc tam jānoskaidro produkts. no iegūtās vērtības ar vielas “īpatnējo siltumu”.
(vai siltuma pārnesi).
Vielas īpatnējā siltumietilpība.
Siltuma jauda- tas ir siltuma daudzums, ko absorbē ķermenis, kad tas tiek uzkarsēts par 1 grādu.
Ķermeņa siltumietilpību norāda ar lielo latīņu burtu AR.
No kā ir atkarīga ķermeņa siltumietilpība? Pirmkārt, no tās masas. Skaidrs, ka, piemēram, 1 kilograma ūdens uzsildīšanai būs nepieciešams vairāk siltuma nekā 200 gramu uzsildīšanai.
Kā ar vielas veidu? Veiksim eksperimentu. Ņemsim divus identiskus traukus un, vienā no tiem ielejot ūdeni, kas sver 400 g, bet otrā - augu eļļu, kas sver 400 g, sāksim tos sildīt, izmantojot identiskus degļus. Vērojot termometra rādījumus, redzēsim, ka eļļa ātri uzsilst. Lai uzsildītu ūdeni un eļļu līdz vienādai temperatūrai, ūdens jāsilda ilgāk. Bet jo ilgāk mēs sildām ūdeni, jo vairāk siltuma tas saņem no degļa.
Tādējādi vienas un tās pašas dažādu vielu masas uzsildīšanai līdz vienai temperatūrai ir nepieciešams atšķirīgs siltuma daudzums. Siltuma daudzums, kas nepieciešams ķermeņa sildīšanai un līdz ar to arī tā siltumietilpība, ir atkarīgs no vielas veida, no kuras ķermenis sastāv.
Tā, piemēram, lai paaugstinātu ūdens, kas sver 1 kg, temperatūru par 1°C, nepieciešams siltuma daudzums, kas vienāds ar 4200 J, un tādas pašas masas saulespuķu eļļas uzsildīšanai par 1°C siltuma daudzums, kas vienāds ar Nepieciešams 1700 J.
Tiek saukts fizisks lielums, kas parāda, cik daudz siltuma nepieciešams, lai 1 kg vielas uzsildītu par 1 ºС īpatnējā siltuma jauda no šīs vielas.
Katrai vielai ir sava īpatnējā siltumietilpība, ko apzīmē ar latīņu burtu c un mēra džoulos uz kilogramu grādu (J/(kg °C)).
Vienas un tās pašas vielas īpatnējā siltumietilpība dažādos agregācijas stāvokļos (cietā, šķidrā un gāzveida) ir atšķirīga. Piemēram, ūdens īpatnējā siltumietilpība ir 4200 J/(kg °C), bet ledus īpatnējā siltumietilpība ir 2100 J/(kg °C); alumīnija cietā stāvoklī īpatnējā siltumietilpība ir 920 J/(kg - °C), bet šķidrā stāvoklī - 1080 J/(kg - °C).
Ņemiet vērā, ka ūdenim ir ļoti augsta īpatnējā siltuma jauda. Tāpēc ūdens jūrās un okeānos, vasarā uzkarstot, absorbē lielu daudzumu siltuma no gaisa. Pateicoties tam, vietās, kas atrodas pie lielām ūdenstilpēm, vasara nav tik karsta kā vietās, kas atrodas tālu no ūdens.
Siltuma daudzuma aprēķins, kas nepieciešams ķermeņa uzsildīšanai vai tas izdalās dzesēšanas laikā.
No iepriekš minētā ir skaidrs, ka ķermeņa uzsildīšanai nepieciešamais siltuma daudzums ir atkarīgs no vielas veida, no kuras ķermenis sastāv (t.i., tās īpatnējās siltumietilpības) un no ķermeņa masas. Ir arī skaidrs, ka siltuma daudzums ir atkarīgs no tā, par cik grādiem mēs gatavojamies paaugstināt ķermeņa temperatūru.
Tātad, lai noteiktu siltuma daudzumu, kas nepieciešams ķermeņa sildīšanai vai tas izdalās dzesēšanas laikā, jums jāreizina ķermeņa īpatnējā siltumietilpība ar tā masu un starpību starp tā galīgo un sākotnējo temperatūru:
J = cm (t 2 - t 1 ) ,
Kur J- siltuma daudzums, c— īpatnējā siltumietilpība, m- ķermeņa masa, t 1 — sākotnējā temperatūra, t 2 - gala temperatūra.
Kad ķermenis uzsilst t 2 > t 1 un tāpēc J > 0 . Kad ķermenis atdziest t 2i< t 1 un tāpēc J< 0 .
Ja ir zināma visa ķermeņa siltumietilpība AR, J nosaka pēc formulas:
Q = C (t 2 - t 1 ) .
Raksta saturs
SILTUMS, vielas iekšējās enerģijas kinētiskā daļa, ko nosaka intensīva haotiska to molekulu un atomu kustība, no kurām šī viela sastāv. Temperatūra ir molekulu kustības intensitātes mērs. Siltuma daudzums, kas piemīt ķermenim noteiktā temperatūrā, ir atkarīgs no tā masas; piemēram, tajā pašā temperatūrā liela ūdens krūze satur vairāk siltuma nekā maza, un spainī auksta ūdens var būt vairāk siltuma nekā tasē karsta ūdens (lai gan ūdens temperatūra spainī ir zemāka) .
Siltumam ir svarīga loma cilvēka dzīvē, tostarp viņa ķermeņa darbībā. Daļa pārtikā esošās ķīmiskās enerģijas tiek pārvērsta siltumā, kā rezultātā ķermeņa temperatūra tiek uzturēta ap 37 ° C. Cilvēka ķermeņa siltuma bilance ir atkarīga arī no apkārtējās vides temperatūras, un cilvēki ir spiesti tērēt daudz enerģijas. par dzīvojamo un ražošanas telpu apsildīšanu ziemā un dzesēšanu vasarā. Lielāko daļu šīs enerģijas piegādā siltumdzinēji, piemēram, katli un tvaika turbīnas spēkstacijās, kas sadedzina fosilo kurināmo (ogles, naftu) un ražo elektroenerģiju.
Līdz 18. gadsimta beigām. siltumu uzskatīja par materiālu vielu, uzskatot, ka ķermeņa temperatūru nosaka tajā esošā “kaloriju šķidruma” vai “kaloriju” daudzums. Vēlāk B.Rumfords, Dž.Džouls un citi tā laika fiziķi ar ģeniāliem eksperimentiem un spriešanu atspēkoja “kaloriju” teoriju, pierādot, ka siltums ir bezsvara un to var iegūt jebkurā daudzumā, vienkārši ar mehānisku kustību. Siltums pats par sevi nav viela – tā ir tikai tā atomu vai molekulu kustības enerģija. Tieši šādai siltuma izpratnei pieturas mūsdienu fizika.
Šajā rakstā mēs aplūkosim, kā siltums un temperatūra ir saistīti un kā šie lielumi tiek mērīti. Mūsu diskusijas tēma būs arī šādi jautājumi: siltuma pārnešana no vienas ķermeņa daļas uz otru; siltuma pārnese vakuumā (telpā, kurā nav vielas); siltuma loma mūsdienu pasaulē.
SILTUMS UN TEMPERATŪRA
Siltumenerģijas daudzumu vielā nevar noteikt, novērojot katras tās molekulas kustību atsevišķi. Gluži pretēji, tikai pētot vielas makroskopiskās īpašības, var atrast daudzu molekulu mikroskopiskās kustības raksturlielumus, kas aprēķināti vidēji noteiktā laika periodā. Vielas temperatūra ir vidējais molekulārās kustības intensitātes rādītājs, kuras enerģija ir vielas siltumenerģija.
Viens no visizplatītākajiem, bet arī neprecīzākajiem veidiem, kā novērtēt temperatūru, ir pieskāriens. Pieskaroties objektam, mēs vērtējam, vai tas ir karsts vai auksts, koncentrējoties uz savām sajūtām. Protams, šīs sajūtas ir atkarīgas no mūsu ķermeņa temperatūras, kas mūs noved pie termiskā līdzsvara jēdziena - viena no vissvarīgākajām temperatūras mērīšanas laikā.
Termiskais līdzsvars.
Acīmredzot, ja divi ķermeņi A Un B(1. att.) cieši piespiediet viens pret otru, tad, pieskaroties tiem pēc pietiekami ilga laika, pamanīsim, ka to temperatūra ir vienāda. Šajā gadījumā viņi saka, ka ķermeņi A Un B atrodas termiskā līdzsvarā viens ar otru. Tomēr, vispārīgi runājot, ķermeņiem nav obligāti jāsaskaras, lai starp tiem pastāvētu termiskais līdzsvars - pietiek ar to, ka to temperatūra ir vienāda. To var pārbaudīt, izmantojot trešo ķermeni C, vispirms novedot to termiskā līdzsvarā ar ķermeni A, un pēc tam salīdzinot ķermeņa temperatūru C Un B. Ķermenis Cšeit spēlē termometra lomu. Stingrā formulējumā šo principu sauc par termodinamikas nulles likumu: ja ķermeņi A un B atrodas termiskā līdzsvarā ar trešo ķermeni C, tad arī šie ķermeņi ir termiskā līdzsvarā viens ar otru.Šis likums ir visu temperatūras mērīšanas metožu pamatā.
Temperatūras mērīšana.
Ja mēs vēlamies veikt precīzus eksperimentus un aprēķinus, tad nepietiek ar tādiem temperatūras rādītājiem kā karsts, silts, vēss, auksts - mums ir vajadzīga graduēta temperatūras skala. Ir vairākas šādas skalas, un par atskaites punktiem parasti tiek ņemtas ūdens sasalšanas un viršanas temperatūras. Četras visbiežāk sastopamās skalas ir parādītas attēlā. 2. Celsija skalu, uz kuras ūdens sasalšanas temperatūra atbilst 0°, bet viršanas temperatūra - 100°, sauc par Celsija skalu, kas nosaukta zviedru astronoma A. Celsija vārdā, kurš to aprakstīja 1742. gadā. Tiek uzskatīts, ka zviedru dabaszinātnieks K. Linnejs pirmo reizi izmantoja šo skalu. Tagad Celsija skala ir visizplatītākā pasaulē. Fārenheita temperatūras skalu, kurā ūdens sasalšanas un viršanas temperatūra atbilst ārkārtīgi neērtiem skaitļiem 32 un 212°, 1724. gadā ierosināja G. Fārenheits. Fārenheita skala ir plaši izplatīta angliski runājošajās valstīs, taču zinātniskajā literatūrā to gandrīz neizmanto. Lai pārvērstu Celsija temperatūru (°C) uz Fārenheita temperatūru (°F), ir formula °F = (9/5)°C + 32, un apgrieztajai pārvēršanai ir formula °C = (5/9)( °F-32).
Abas skalas – gan Fārenheita, gan Celsija – ir ļoti neērti, veicot eksperimentus apstākļos, kad temperatūra nokrītas zem ūdens sasalšanas punkta un tiek izteikta kā negatīvs skaitlis. Šādos gadījumos tika ieviestas absolūtās temperatūras skalas, kuru pamatā ir ekstrapolācija uz tā saukto absolūto nulli - punktu, kurā molekulārajai kustībai vajadzētu apstāties. Vienu no tām sauc par Rankine skalu, bet otru - par absolūto termodinamisko skalu; to temperatūru mēra Rankine grādos (°R) un kelvinos (K). Abas skalas sākas no absolūtās nulles, un ūdens sasalšanas punkts atbilst 491,7° R un 273,16 K. Gādu un kelvinu skaits starp ūdens sasalšanas un viršanas punktiem pēc Celsija skalas un absolūtās termodinamiskās skalas ir vienāds un vienāds. līdz 100; Fārenheita un Rankina skalām arī tas ir vienāds, bet vienāds ar 180. Celsija grādus pārvērš kelvinos, izmantojot formulu K = ° C + 273,16, un Fārenheita grādus pārvērš Rankīna grādos, izmantojot formulu ° R = ° F + 459.7.
Temperatūras mērīšanai paredzēto instrumentu darbība balstās uz dažādām fizikālām parādībām, kas saistītas ar vielas siltumenerģijas izmaiņām - elektriskās pretestības, tilpuma, spiediena, emisijas raksturlielumu un termoelektrisko īpašību izmaiņām. Viens no vienkāršākajiem un pazīstamākajiem temperatūras mērīšanas instrumentiem ir dzīvsudraba stikla termometrs, kas parādīts attēlā. 3, A. Dzīvsudraba bumbiņu termometra apakšējā daļā ievieto vidē vai piespiež pret objektu, kura temperatūra ir jāmēra, un atkarībā no tā, vai bumbiņa saņem vai izdala siltumu, dzīvsudrabs izplešas vai saraujas un tā kolonna paceļas vai iekrīt kapilārā. Ja termometrs ir iepriekš kalibrēts un aprīkots ar skalu, tad jūs varat tieši uzzināt ķermeņa temperatūru.
Vēl viena ierīce, kuras darbības pamatā ir termiskā izplešanās, ir bimetāla termometrs, kas parādīts attēlā. 3, b. Tās galvenais elements ir spirālveida plāksne, kas izgatavota no diviem metinātiem metāliem ar dažādiem termiskās izplešanās koeficientiem. Sildot, viens no metāliem izplešas vairāk nekā otrs, spirāle pagriežas un pagriež bultiņu attiecībā pret skalu. Šādas ierīces bieži izmanto iekštelpu un āra gaisa temperatūras mērīšanai, taču tās nav piemērotas vietējo temperatūru noteikšanai.
Vietējo temperatūru parasti mēra, izmantojot termopāri, kas ir divi atšķirīgu metālu vadi, kas pielodēti vienā galā (4. att., A). Sildot šādu savienojumu, vadu brīvajos galos rodas emf, kas parasti ir vairāki milivolti. Termopāri ir izgatavoti no dažādiem metālu pāriem: dzelzs un konstantāna, vara un konstantāna, hromela un alumela. Viņu termo-emf mainās gandrīz lineāri ar temperatūru plašā temperatūras diapazonā.
Ir zināms arī cits termoelektrisks efekts - vadoša materiāla pretestības atkarība no temperatūras. Tas ir elektriskās pretestības termometru darbības pamatā, no kuriem viens ir parādīts attēlā. 4, b. Maza temperatūras jutīga elementa (termiskā devēja) - parasti tievas stieples spoles - pretestību salīdzina ar kalibrēta mainīga rezistora pretestību, izmantojot Vitstona tiltu. Izvades ierīci var kalibrēt tieši grādos.
Optiskie pirometri tiek izmantoti, lai mērītu karstu ķermeņu temperatūru, kas izstaro redzamo gaismu. Vienā šīs ierīces iemiesojumā korpusa izstarotā gaisma tiek salīdzināta ar kvēlspuldzes kvēldiega emisiju, kas novietota binokļa fokusa plaknē, caur kuru tiek skatīts izstarojošais ķermenis. Elektriskā strāva, kas silda lampas kvēldiegu, tiek mainīta, līdz vizuāli salīdzinot kvēldiega un korpusa mirdzumu, atklājas, ka starp tiem ir izveidots termiskais līdzsvars. Instrumenta skalu var kalibrēt tieši temperatūras vienībās.
Siltuma daudzuma mērīšana.
Ķermeņa siltumenerģiju (siltuma daudzumu) var izmērīt tieši, izmantojot tā saukto kalorimetru; vienkārša šādas ierīces versija ir parādīta attēlā. 5. Šis ir rūpīgi izolēts slēgts trauks, kas aprīkots ar ierīcēm temperatūras mērīšanai tajā un dažreiz piepildīts ar darba šķidrumu ar zināmām īpašībām, piemēram, ūdeni. Lai izmērītu siltuma daudzumu nelielā apsildāmā korpusā, to ievieto kalorimetrā un gaida, līdz sistēma sasniedz termisko līdzsvaru. Siltuma daudzumu, kas tiek nodots kalorimetram (precīzāk, ūdenim, kas to piepilda), nosaka ūdens temperatūras paaugstināšanās.
Siltuma daudzumu, kas izdalās ķīmiskās reakcijas, piemēram, sadegšanas laikā, var izmērīt, ievietojot kalorimetrā nelielu “bumbu”. “Bumbā” ir paraugs, kuram aizdedzināšanai pieslēgti elektrības vadi, un atbilstošs skābekļa daudzums. Pēc tam, kad paraugs pilnībā izdeg un ir izveidojies termiskais līdzsvars, nosaka, cik daudz ir palielinājusies ūdens temperatūra kalorimetrā un līdz ar to arī izdalītā siltuma daudzums.
Siltuma mērvienības.
Siltums ir enerģijas veids, un tāpēc tas jāmēra enerģijas vienībās. Enerģijas SI mērvienība ir džouls (J). Var izmantot arī nesistēmiskās siltuma daudzuma mērvienības - kalorijas: starptautiskā kalorija ir 4,1868 J, termoķīmiskā kalorija - 4,1840 J. Ārvalstu laboratorijās pētījumu rezultāti bieži tiek izteikti, izmantojot t.s. 15 grādu kalorija ir vienāda ar 4,1855 J. Ārpussistēmas britu termiskā iekārta (BTU) tiek pakāpeniski pārtraukta: BTU vid. = 1,055 J.
Siltuma avoti.
Galvenie siltuma avoti ir ķīmiskās un kodolreakcijas, kā arī dažādi enerģijas pārveidošanas procesi. Ķīmisko reakciju, kas izdala siltumu, piemēri ir sadegšana un pārtikas sastāvdaļu sadalīšanās. Gandrīz visu siltumu, ko saņem Zeme, nodrošina kodolreakcija, kas notiek Saules dziļumos. Cilvēce ir iemācījusies iegūt siltumu, izmantojot kontrolētus kodola skaldīšanas procesus, un tagad šim pašam mērķim mēģina izmantot kodolsintēzes reakcijas. Cita veida enerģiju, piemēram, mehānisko darbu un elektrisko enerģiju, var pārvērst siltumā. Ir svarīgi atcerēties, ka siltumenerģiju (tāpat kā jebkuru citu) var pārvērst tikai citā formā, bet nevar iegūt “no nekā” vai iznīcināt. Tas ir viens no zinātnes, ko sauc par termodinamiku, pamatprincipiem.
TERMODINAMIKA
Termodinamika ir zinātne par siltuma, darba un matērijas attiecībām. Mūsdienu priekšstati par šīm attiecībām veidojās, balstoties uz tādu izcilu pagātnes zinātnieku kā Kārno, Klausiusa, Gibsa, Džoula, Kelvina uc darbiem. Termodinamika izskaidro vielas siltumietilpības un siltumvadītspējas, ķermeņu termiskās izplešanās nozīmi. , un fāzu pāreju siltumu. Šīs zinātnes pamatā ir vairāki eksperimentāli izveidoti likumi – principi.
Termodinamikas pirmsākumi.
Iepriekš formulētais termodinamikas nulles likums ievieš termiskā līdzsvara, temperatūras un termometrijas jēdzienus. Pirmais termodinamikas likums ir apgalvojums, kas ir ļoti svarīgs visai zinātnei kopumā: enerģiju nevar ne iznīcināt, ne iegūt “no nekā”, tāpēc Visuma kopējā enerģija ir nemainīgs lielums. Vienkāršākajā formā pirmo termodinamikas likumu var formulēt šādi: enerģija, ko sistēma saņem, mīnus enerģija, ko tā izdala, ir vienāda ar enerģiju, kas paliek sistēmā. No pirmā acu uzmetiena šis apgalvojums šķiet acīmredzams, bet ne tādā situācijā, piemēram, benzīna sadegšana automašīnas dzinēja cilindros: šeit saņemtā enerģija ir ķīmiska, dotā enerģija ir mehāniska (darbs), un sistēmā atlikušā enerģija ir termiskā.
Tātad ir skaidrs, ka enerģija var pārveidoties no viena veida citā un ka šādas pārvērtības pastāvīgi notiek dabā un tehnoloģijās. Vairāk nekā pirms simts gadiem J. Džouls to pierādīja gadījumam, kad mehāniskā enerģija tika pārveidota siltumenerģijā, izmantojot ierīci, kas parādīta attēlā. 6, A. Šajā ierīcē lejupejoši un augoši svari grieza vārpstu ar asmeņiem ar ūdeni pildītā kalorimetrā, izraisot ūdens uzsilšanu. Precīzi mērījumi ļāva Džoulam noteikt, ka viena siltuma kalorija ir līdzvērtīga 4,186 J mehāniskā darba. Attēlā redzamā ierīce. 6, b, tika izmantots, lai noteiktu elektriskās enerģijas termisko ekvivalentu.
Pirmais termodinamikas likums izskaidro daudzas ikdienas parādības. Piemēram, kļūst skaidrs, kāpēc virtuvi nevar atdzesēt ar atvērtu ledusskapi. Pieņemsim, ka esam izolējuši virtuvi no apkārtējās vides. Enerģija tiek nepārtraukti piegādāta sistēmai caur ledusskapja barošanas vadu, bet sistēma neizdala enerģiju. Tādējādi tā kopējā enerģija palielinās, un virtuve kļūst arvien siltāka: vienkārši pieskarieties siltummaiņa (kondensatora) caurulēm ledusskapja aizmugurējā sienā, un jūs sapratīsit tās kā “dzesēšanas” ierīces nederīgumu. Bet, ja šīs caurules tiktu izņemtas ārpus sistēmas (piemēram, ārpus loga), tad virtuve izdalītu vairāk enerģijas nekā saņemta, t.i. atdzesētu, un ledusskapis darbotos kā logu gaisa kondicionieris.
Pirmais termodinamikas likums ir dabas likums, kas izslēdz enerģijas radīšanu vai iznīcināšanu. Tomēr tas neko nesaka par to, kā dabā notiek enerģijas pārneses procesi. Tātad, mēs zinām, ka karsts ķermenis uzsildīs aukstu, ja šie ķermeņi nonāks saskarē. Bet vai auksts ķermenis pats var nodot savu siltuma rezervi karstajam? Pēdējo iespēju kategoriski noraida otrais termodinamikas likums.
Pirmais princips arī izslēdz iespēju izveidot dzinēju, kura veiktspējas (efektivitātes) koeficients ir lielāks par 100% (šāds "mūžīgs" dzinējs jebkurā laikā varētu piegādāt vairāk enerģijas, nekā patērē). Nav iespējams uzbūvēt dzinēju pat ar 100% efektivitāti, jo tam noteikti jāzaudē daļa no tam piegādātās enerģijas mazāk noderīgas siltumenerģijas veidā. Tādējādi ritenis bez enerģijas padeves negriezīsies ilgu laiku, jo gultņu berzes dēļ mehāniskās kustības enerģija pakāpeniski pārvērtīsies siltumā, līdz ritenis apstāsies.
Tendenci pārvērst "lietderīgu" darbu mazāk lietderīgā enerģijā - siltumā - var salīdzināt ar citu procesu, kas notiek, savienojot divus traukus, kas satur dažādas gāzes. Pietiekami ilgi gaidot, abos traukos atrodam viendabīgu gāzu maisījumu - daba darbojas tā, ka sistēmas kārtība samazinās. Šo traucējumu termodinamisko mēru sauc par entropiju, un otro termodinamikas likumu var formulēt dažādi: procesi dabā vienmēr norisinās tā, ka palielinās sistēmas un tās vides entropija. Tādējādi Visuma enerģija paliek nemainīga, bet tā entropija nepārtraukti palielinās.
Vielu siltums un īpašības.
Dažādām vielām ir dažādas spējas uzkrāt siltumenerģiju; tas ir atkarīgs no to molekulārās struktūras un blīvuma. Siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai paaugstinātu vielas masas vienības temperatūru par vienu grādu, sauc par tās īpatnējo siltumietilpību. Siltuma jauda ir atkarīga no apstākļiem, kādos viela atrodas. Piemēram, lai uzsildītu vienu gramu gaisa balonā par 1 K, ir nepieciešams vairāk siltuma nekā tādai pašai karsēšanai noslēgtā traukā ar stingrām sienām, jo daļa no balonam piešķirtās enerģijas tiek tērēta gaisa paplašināšanai, un nevis sildot to. Tāpēc jo īpaši gāzu siltumietilpību mēra atsevišķi nemainīgā spiedienā un nemainīgā tilpumā.
Paaugstinoties temperatūrai, palielinās molekulu haotiskās kustības intensitāte – vairums vielu karsējot izplešas. Vielas izplešanās pakāpi, kad temperatūra paaugstinās par 1 K, sauc par termiskās izplešanās koeficientu.
Lai viela pārietu no vienas fāzes stāvokļa uz otru, piemēram, no cietas uz šķidrumu (un dažreiz tieši uz gāzveida), tai jāsaņem noteikts siltuma daudzums. Ja karsējat cietu vielu, tās temperatūra paaugstināsies, līdz tā sāks kust; līdz kušana ir pabeigta, ķermeņa temperatūra saglabāsies nemainīga, neskatoties uz siltuma pievienošanu. Siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai izkausētu vielas masas vienību, sauc par saplūšanas siltumu. Ja karsēsiet tālāk, izkausētā viela uzkarsēs līdz vārīšanās temperatūrai. Siltuma daudzumu, kas nepieciešams šķidruma masas vienības iztvaicēšanai noteiktā temperatūrā, sauc par iztvaikošanas siltumu.
Molekulārā kinētiskā teorija.
Molekulārā kinētiskā teorija izskaidro vielas makroskopiskās īpašības, mikroskopiskā līmenī ņemot vērā šo vielu veidojošo atomu un molekulu uzvedību. Šajā gadījumā tiek izmantota statistiskā pieeja un izdarīti daži pieņēmumi par pašām daļiņām un to kustības raksturu. Tādējādi molekulas tiek uzskatītas par cietām bumbiņām, kuras gāzveida vidē atrodas nepārtrauktā haotiskā kustībā un veic ievērojamus attālumus no vienas sadursmes līdz otrai. Sadursmes tiek uzskatītas par elastīgām un notiek starp daļiņām, kuru izmērs ir mazs, bet to skaits ir ļoti liels. Neviena no reālajām gāzēm precīzi neatbilst šim modelim, taču lielākā daļa gāzu ir diezgan tuvu tam, kas nosaka molekulārās kinētiskās teorijas praktisko vērtību.
Pamatojoties uz šīm idejām un izmantojot statistisko pieeju, Maksvels atvasināja gāzes molekulu ātrumu sadalījumu ierobežotā tilpumā, kas vēlāk tika nosaukts viņa vārdā. Šis sadalījums ir grafiski parādīts attēlā. 7 noteiktai ūdeņraža masai 100 un 1000 ° C temperatūrā. Molekulu skaits, kas pārvietojas ar ātrumu, kas norādīts uz abscisas, ir attēlots pa ordinātu asi. Kopējais daļiņu skaits ir vienāds ar laukumu zem katras līknes un ir vienāds abos gadījumos. Diagramma parāda, ka lielākajai daļai daļiņu ātrums ir tuvu kādai vidējai vērtībai, un tikai nelielai daļai ir ļoti liels vai mazs ātrums. Vidējais ātrums norādītajās temperatūrās ir 2000–3000 m/s robežās, t.i. ļoti liels.
Liels skaits šādu ātri kustīgu gāzes molekulu iedarbojas ar diezgan izmērāmu spēku uz apkārtējiem ķermeņiem. Mikroskopiskie spēki, ar kuriem daudzas gāzes molekulas ietriecas tvertnes sieniņās, kopā veido makroskopisku daudzumu, ko sauc par spiedienu. Kad gāzei tiek piegādāta enerģija (paaugstinās temperatūra), palielinās tās molekulu vidējā kinētiskā enerģija, gāzes daļiņas biežāk un stiprāk skar sienas, palielinās spiediens, un, ja sienas nav pilnībā stingras, tad tās stiepjas un tilpums. gāzes daudzums palielinās. Tādējādi mikroskopiskā statistiskā pieeja, kas ir molekulārās kinētiskās teorijas pamatā, ļauj mums izskaidrot mūsu apspriesto termiskās izplešanās fenomenu.
Vēl viens molekulārās kinētiskās teorijas rezultāts ir likums, kas apraksta tādas gāzes īpašības, kas atbilst iepriekš uzskaitītajām prasībām. Šis tā sauktais ideālās gāzes stāvokļa vienādojums attiecas uz viena mola gāzes spiedienu, tilpumu un temperatūru, un tam ir forma
PV = RT,
Kur P- spiediens, V- apjoms, T- temperatūra un R– universālā gāzes konstante, kas vienāda ar (8,31441 ± 0,00026) J/(mol K). TERMODINAMIKA.
SILTUMA NODOŠANA
Siltuma pārnese ir siltuma pārneses process ķermeņa iekšienē vai no viena ķermeņa uz otru temperatūras atšķirību dēļ. Siltuma pārneses intensitāte ir atkarīga no vielas īpašībām, temperatūras starpības un pakļaujas eksperimentāli noteiktajiem dabas likumiem. Lai izveidotu efektīvi strādājošas apkures vai dzesēšanas sistēmas, dažādus dzinējus, spēkstacijas, siltumizolācijas sistēmas, ir jāzina siltuma pārneses principi. Dažos gadījumos siltuma apmaiņa ir nevēlama (kausēšanas krāšņu, kosmosa kuģu uc siltumizolācija), savukārt citos tai jābūt pēc iespējas lielākai (tvaika katli, siltummaiņi, virtuves piederumi).
Ir trīs galvenie siltuma pārneses veidi: vadītspēja, konvekcija un starojuma siltuma pārnese.
Siltumvadītspēja.
Ja ķermeņa iekšienē ir temperatūras starpība, tad siltumenerģija pārvietojas no karstākās ķermeņa daļas uz aukstāko. Šo siltuma pārneses veidu, ko izraisa termiskās kustības un molekulu sadursmes, sauc par siltumvadītspēju; pietiekami augstā temperatūrā cietās vielās to var novērot vizuāli. Tādējādi, karsējot tērauda stieni no viena gala gāzes degļa liesmā, pa stieni tiek pārnesta siltumenerģija, un noteiktā attālumā no uzkarsētā gala izplatās spīdums (ar attālumu no sildīšanas vietas arvien mazāk intensīvs). ).
Siltuma pārneses intensitāte siltumvadītspējas dēļ ir atkarīga no temperatūras gradienta, t.i. attiecības D T/D x temperatūras starpība stieņa galos līdz attālumam starp tiem. Tas ir atkarīgs arī no stieņa šķērsgriezuma laukuma (m2) un materiāla siltumvadītspējas koeficienta [atbilstošās vienībās W/(mH K)]. Sakarību starp šiem lielumiem atvasināja franču matemātiķis J. Furjē, un tai ir šāda forma:
Kur q- siltuma plūsma, k ir siltumvadītspējas koeficients, un A– šķērsgriezuma laukums. Šo attiecību sauc par Furjē siltumvadītspējas likumu; mīnusa zīme tajā norāda, ka siltums tiek pārnests virzienā, kas ir pretējs temperatūras gradientam.
No Furjē likuma izriet, ka siltuma plūsmu var samazināt, samazinot vienu no lielumiem - siltumvadītspējas koeficientu, laukumu vai temperatūras gradientu. Ēkai ziemas apstākļos pēdējās vērtības ir praktiski nemainīgas, un tāpēc, lai telpā uzturētu vēlamo temperatūru, atliek samazināt sienu siltumvadītspēju, t.i. uzlabot to siltumizolāciju.
Tabulā parādīti dažu vielu un materiālu siltumvadītspējas koeficienti. Tabulā redzams, ka daži metāli vada siltumu daudz labāk nekā citi, taču tie visi ir ievērojami labāki siltuma vadītāji nekā gaiss un poraini materiāli.
|
DAŽU VIELU UN MATERIĀLU SILTUMU VADĪTĪBA |
|
|
Vielas un materiāli |
Siltumvadītspēja, W/(m × K) |
|
Metāli |
|
| Alumīnijs | |
| Bronza | |
| Bismuts | |
| Volframs | |
| Dzelzs | |
| Zelts | |
| Kadmijs | |
| Magnijs | |
| Varš | |
| Arsēns | |
| Niķelis | |
| Platīns | |
| Merkurs | |
| Svins | |
| Cinks | |
|
Citi materiāli |
|
| Azbests | |
| Betons | |
| Gaiss | |
| Eider uz leju (brīva) | |
| Koka rieksts) | |
| Magnēzijs (MgO) | |
| Zāģu skaidas | |
| Gumija (sūklis) | |
| Vizla | |
| Stikls | |
| Ogleklis (grafīts) | |
Metālu siltumvadītspēja ir saistīta ar kristāla režģa vibrācijām un liela skaita brīvo elektronu (dažreiz sauktu par elektronu gāzi) kustību. Elektronu kustība ir atbildīga arī par metālu elektrovadītspēju, tāpēc nav pārsteidzoši, ka labi siltuma vadītāji (piemēram, sudrabs vai varš) ir arī labi elektrības vadītāji.
Daudzu vielu termiskā un elektriskā pretestība strauji samazinās, temperatūrai nokrītot zem šķidrā hēlija temperatūras (1,8 K). Šo fenomenu, ko sauc par supravadītspēju, izmanto, lai uzlabotu daudzu ierīču efektivitāti – no mikroelektronikas ierīcēm līdz elektropārvades līnijām un lieliem elektromagnētiem.
Konvekcija.
Kā jau teicām, kad šķidrumam vai gāzei tiek piegādāts siltums, palielinās molekulu kustības intensitāte, kā rezultātā palielinās spiediens. Ja šķidrumam vai gāzei nav ierobežots tilpums, tas izplešas; šķidruma (gāzes) lokālais blīvums kļūst mazāks, un, pateicoties peldspējas (Arhimēda) spēkiem, uzkarsētā vides daļa virzās uz augšu (tādēļ siltais gaiss telpā paceļas no radiatoriem līdz griestiem). Šo parādību sauc par konvekciju. Lai netērētu apkures sistēmas siltumu, jāizmanto mūsdienīgi sildītāji, kas nodrošina piespiedu gaisa cirkulāciju.
Konvektīvā siltuma plūsma no sildītāja uz apsildāmo vidi ir atkarīga no molekulu sākotnējā kustības ātruma, blīvuma, viskozitātes, siltumvadītspējas un siltumietilpības un vides; Ļoti svarīgi ir arī sildītāja izmērs un forma. Attiecības starp attiecīgajiem lielumiem pakļaujas Ņūtona likumam
q = hA (T W - T Ґ ),
Kur q- siltuma plūsma (mēra vatos), A- siltuma avota virsmas laukums (m2), T W Un TҐ – avota un tā vides temperatūra (kelvinos). Konvektīvās siltuma pārneses koeficients h ir atkarīgs no barotnes īpašībām, tās molekulu sākuma ātruma, kā arī no siltuma avota formas, un to mēra vienībās W/(m 2 H K).
Lielums h nav vienāds gadījumos, kad gaiss ap sildītāju ir stacionārs (brīvā konvekcija) un kad tas pats sildītājs atrodas gaisa plūsmā (piespiedu konvekcija). Vienkāršos gadījumos, kad šķidrums plūst pa cauruli vai plūst ap līdzenu virsmu, koeficients h var aprēķināt teorētiski. Tomēr vēl nav izdevies atrast analītisku risinājumu konvekcijas problēmai vides turbulentai plūsmai. Turbulence ir sarežģīta šķidruma (gāzes) kustība, kas ir haotiska mērogā, kas ir ievērojami lielāks par molekulāro.
Ja apsildāmu (vai, gluži otrādi, aukstu) ķermeni ievieto stacionārā vidē vai plūsmā, tad ap to veidojas konvekcijas strāvas un robežslānis. Temperatūrai, spiedienam un molekulu kustības ātrumam šajā slānī ir liela nozīme konvektīvās siltuma pārneses koeficienta noteikšanā.
Konvekcija ir jāņem vērā siltummaiņu, gaisa kondicionēšanas sistēmu, ātrgaitas lidmašīnu un daudzu citu lietojumu projektēšanā. Visās šādās sistēmās siltumvadītspēja notiek vienlaikus ar konvekciju gan starp cietiem ķermeņiem, gan to vidē. Paaugstinātā temperatūrā arī starojuma siltuma pārnesei var būt nozīmīga loma.
Starojuma siltuma pārnese.
Trešais siltuma pārneses veids - starojuma siltuma pārnese - atšķiras no siltumvadītspējas un konvekcijas ar to, ka siltumu šajā gadījumā var pārnest caur vakuumu. Tā līdzība ar citām siltuma pārneses metodēm ir tāda, ka to izraisa arī temperatūras atšķirības. Siltuma starojums ir elektromagnētiskā starojuma veids. Citi tā veidi - radioviļņi, ultravioletais un gamma starojums - rodas, ja nav temperatūras starpības.
Attēlā 8. attēlā parādīta termiskā (infrasarkanā) starojuma enerģijas atkarība no viļņa garuma. Siltuma starojumu var pavadīt redzamās gaismas emisija, taču tā enerģija ir maza, salīdzinot ar starojuma enerģiju no neredzamās spektra daļas.
Siltuma pārneses intensitāte vadīšanas un konvekcijas ceļā ir proporcionāla temperatūrai, un starojuma siltuma plūsma ir proporcionāla temperatūras ceturtajai pakāpei un atbilst Stefana-Bolcmaņa likumam.
kur, tāpat kā iepriekš, q– siltuma plūsma (džoulos sekundē, t.i., W), A ir izstarojošā ķermeņa virsmas laukums (m2) un T 1 un T 2 – izstarojošā ķermeņa un šo starojumu absorbējošās vides temperatūras (kelvinos). Koeficients s sauc par Stefana–Bolcmaņa konstanti un ir vienāds ar (5,66961 ± 0,00096) H 10 –8 W/(m 2 H K 4).
Iesniegtais termiskā starojuma likums ir spēkā tikai ideālam emitētājam - tā sauktajam absolūti melnam ķermenim. Neviens īsts ķermenis tāds nav, lai gan plakana melna virsma savās īpašībās tuvojas absolūti melnam ķermenim. Gaismas virsmas izstaro salīdzinoši vāji. Lai ņemtu vērā daudzu “pelēko” ķermeņu novirzi no ideālitātes, Stefana-Bolcmaņa likumu aprakstošās izteiksmes labajā pusē tiek ieviests koeficients, kas ir mazāks par vienību, ko sauc par emisijas koeficientu. Plakanai melnai virsmai šis koeficients var sasniegt 0,98, bet pulētam metāla spogulim tas nepārsniedz 0,05. Attiecīgi melnā korpusa starojuma absorbcijas spēja ir augsta un spoguļa korpusam zema.
Dzīvojamās un biroju telpas bieži tiek apsildītas ar maziem elektriskiem siltuma izstarotājiem; to spirāļu sarkanais mirdzums ir redzams termiskais starojums, kas atrodas tuvu spektra infrasarkanās daļas malai. Telpu silda siltums, ko galvenokārt nes starojuma neredzamā, infrasarkanā daļa. Nakts redzamības ierīces izmanto termiskā starojuma avotu un infrasarkano staru jutīgu uztvērēju, lai nodrošinātu redzamību tumsā.
Saule ir spēcīga siltumenerģijas izstarotāja; tas silda Zemi pat 150 miljonu km attālumā. Saules starojuma intensitāte, ko gadu no gada reģistrē stacijas, kas atrodas daudzviet pasaulē, ir aptuveni 1,37 W/m2. Saules enerģija ir dzīvības avots uz Zemes. Šobrīd tiek meklēti veidi, kā to visefektīvāk izmantot. Saules paneļi ir radīti māju apsildīšanai un elektroenerģijas ražošanai sadzīves vajadzībām.
SILTUMA LOMA UN TĀ IZMANTOŠANA
Siltuma pārnešana (sakarā ar siltumvadītspēju) no izkausētā Zemes kodola uz tās virsmu izraisa vulkāna izvirdumus un geizeru parādīšanos. Dažos reģionos ģeotermālo enerģiju izmanto telpu apkurei un elektroenerģijas ražošanai.
Siltums ir neaizstājams gandrīz visu ražošanas procesu dalībnieks. Minēsim svarīgākos no tiem, piemēram, metālu kausēšanu un pārstrādi, dzinēju darbību, pārtikas ražošanu, ķīmisko sintēzi, naftas pārstrādi un visdažādāko priekšmetu izgatavošanu – no ķieģeļiem un traukiem līdz automašīnām un elektroniskām ierīcēm.
Daudzas rūpnieciskās ražošanas un transporta, kā arī termoelektrostacijas nevarētu darboties bez siltumdzinējiem – ierīcēm, kas pārvērš siltumu lietderīgā darbā. Šādu mašīnu piemēri ir kompresori, turbīnas, tvaika, benzīna un reaktīvie dzinēji.
Viens no slavenākajiem siltumdzinējiem ir tvaika turbīna, kas īsteno daļu no Rankine cikla, ko izmanto mūsdienu spēkstacijās. Šī cikla vienkāršota diagramma ir parādīta attēlā. 9. Darba šķidrumu - ūdeni - tvaika katlā pārvērš pārkarsētā tvaikā, ko silda, dedzinot fosilo kurināmo (ogles, naftu vai dabasgāzi). Augstspiediena tvaiks rotē tvaika turbīnas vārpstu, kas darbina ģeneratoru, kas ražo elektrību. Izplūdes tvaiks kondensējas, ja to atdzesē tekoša ūdens, kas absorbē daļu siltuma, kas netiek izmantots Rankine ciklā. Tālāk ūdens tiek piegādāts dzesēšanas tornim, no kurienes daļa siltuma tiek izvadīta atmosfērā. Kondensāts tiek atgriezts tvaika katlā, izmantojot sūkni, un viss cikls tiek atkārtots.
Visi Rankine cikla procesi ilustrē iepriekš aprakstītos termodinamikas principus. Jo īpaši saskaņā ar otro likumu daļa no elektrostacijas patērētās enerģijas ir jāizkliedē vidē siltuma veidā. Izrādās, ka šādā veidā tiek zaudēti aptuveni 68% no sākotnēji fosilā kurināmā ietvertās enerģijas. Ievērojamu spēkstacijas efektivitātes pieaugumu varētu panākt, tikai paaugstinot tvaika katla temperatūru (ko ierobežo materiālu siltumnoturība) vai pazeminot vides temperatūru, kurp aiziet siltums, t.i. atmosfēra.
Vēl viens termodinamiskais cikls, kam ir liela nozīme mūsu ikdienas dzīvē, ir Rankine tvaika kompresora saldēšanas cikls, kura diagramma ir parādīta attēlā. 10. Ledusskapjos un sadzīves gaisa kondicionieros enerģija tās nodrošināšanai tiek piegādāta no ārpuses. Kompresors paaugstina ledusskapja darba vielas – freona, amonjaka vai oglekļa dioksīda – temperatūru un spiedienu. Pārkarsētā gāze tiek piegādāta kondensatoram, kur tā atdziest un kondensējas, izdalot siltumu vidē. Šķidrums, kas iziet no kondensatora caurulēm, caur droseļvārstu nonāk iztvaicētājā, un daļa no tā iztvaiko, ko pavada strauja temperatūras pazemināšanās. Iztvaicētājs ņem siltumu no ledusskapja kameras, kas silda darba šķidrumu caurulēs; šo šķidrumu kompresors piegādā kondensatoram, un cikls atkārtojas vēlreiz.
Attēlā parādītais saldēšanas cikls. 10, var izmantot arī siltumsūknī. Šādi siltumsūkņi vasarā atdod siltumu karstajam atmosfēras gaisam un kondicionē telpu, savukārt ziemā, gluži pretēji, ņem siltumu no aukstā gaisa un silda telpu.
Kodolreakcijas ir svarīgs siltuma avots, piemēram, enerģijas ražošanai un transportēšanai. 1905. gadā A. Einšteins parādīja, ka masa un enerģija ir saistītas ar attiecību E=mc 2, t.i. var pārveidoties viens par otru. Gaismas ātrums cļoti augsts: 300 tūkstoši km/s. Tas nozīmē, ka pat neliels daudzums vielas var nodrošināt milzīgu enerģijas daudzumu. Tādējādi no 1 kg skaldāmā materiāla (piemēram, urāna) teorētiski ir iespējams iegūt enerģiju, ko 1 MW elektrostacija nodrošina 1000 nepārtrauktas darbības dienu laikā.
ATTIECĪBAS STARP ENERĢIJAS VIENĪBĀM
Fizikālo lielumu konvertēšanas tabulas.
Enerģija, siltums, darbs
Pārrēķins | |||||
kWh | kgf m | kcal |
|||
1 kWh | |||||
1 kgf m | |||||
1 kcal | |||||
Spiediens
| Pārrēķins | |||||||
Pa | Bārs | mmHg Art. | mm ūdens Art. | kgf/cm2 | atm |
||
1 bārs | |||||||
1 mmHg Art. | |||||||
1 mm ūdens. Art. | |||||||
1 kgf/cm2 | |||||||
1 atm | |||||||
Spiediens ir fizikāls lielums, kas vienāds ar spēka moduļa attiecību, kas darbojas perpendikulāri virsmai, pret virsmas laukumu. Spiediena mērvienība ir paskāls (Pa), kas vienāds ar spiedienu, ko rada 1 ņūtona spēks uz 1 kvadrātmetra laukumu. Visi šķidrumi un gāzes pārraida uz tiem radīto spiedienu visos virzienos (Paskāla likums).
Visi ķermeņi, kas atrodas uz zemes virsmas, izjūt vienādu spiedienu no zemes atmosfēras uz visām pusēm – atmosfēras spiedienu. Katrā atmosfēras punktā šis spiediens ir vienāds ar virskārtas gaisa kolonnas svaru; samazinās līdz ar augstumu. Vidējais atmosfēras spiediens jūras līmenī ir līdzvērtīgs spiedienam 760 mmHg. Art. (1013,25 hPa). Papildus atmosfēras spiedienam izšķir absolūto un pārmērīgo spiedienu. Absolūtais ir kopējais spiediens, ņemot vērā atmosfēras spiedienu, mērot no absolūtās nulles. Pārspiedienu sauc par spiedienu virs atmosfēras spiediena, kas vienāds ar starpību starp absolūto un atmosfēras spiedienu. Pārspiedienu mēra no parastās nulles, ko uzskata par atmosfēras spiedienu. Absolūto spiedienu, kas ir mazāks par atmosfēras spiedienu, sauc par retināšanu vai vakuumu. Citiem vārdiem sakot, vakuums ir vienāds ar starpību starp atmosfēras spiedienu un absolūto spiedienu.
Spiediena mērītājus izmanto gāzes, tvaika un šķidruma pārspiediena mērīšanai; zemspiediena un vakuuma - spiediena mērītāji un vilkmes mērītāji; vakuums - vakuuma mērītāji; spiediens un vakuums - vilces mērītāji un spiediena un vakuuma mērītāji.
Temperatūra
Temperatūra ir fizikāls lielums, kas raksturo ķermeņu sasilšanas pakāpi. Tas ir molekulu translācijas kustības vidējās kinētiskās enerģijas mērs. Jo lielāks ir vidējais molekulu kustības ātrums, jo augstāka ir ķermeņa temperatūra.
Temperatūras jēdziens ir saistīts arī ar ķermeņu ar augstāku temperatūru spēju nodot savu siltumu ķermeņiem ar zemāku temperatūru, līdz šīs temperatūras kļūst vienādas. Vienlaikus ar ķermeņu temperatūras izmaiņām var mainīties to fizikālās īpašības.
Temperatūras mērīšanas ierīces tiek sadalītas atkarībā no tā, kāda metode tiek izmantota to projektēšanas pamatā: kontakts (kad mērierīce saskaras ar mērīto vidi) vai bezkontakta. Instrumenti, kuru pamatā ir kontaktu mērīšanas metode, ietver šķidrā stikla termometrus, manometriskos termometrus, termoelektriskos termometrus (termopāri) un pretestības termiskos pārveidotājus. Instrumenti, kuru pamatā ir bezkontakta metode, ietver starojuma pirometrus.
Vienību attiecība
Garums |
||||
1 colla | 1 milimetrs | 0,03937 collas |
||
1 pēda | 1 centimetrs | 0,3937 collas |
||
1 pagalms | 1 decimetrs | 0,3281 pēdas |
||
1. veids | 1 metrs | 3281 pēda |
||
1 ķēde | 1 metrs | 1094 jardi |
||
1 vaga garš | 10,94 jardi |
|||
1 jūdze | 1 kilometrs | 0,6214 jūdzes |
||
1 jūras jūdze | 1 kilometrs | 0,539 jūras jūdzes |
||
Kvadrāts |
||||
1 kv. collu | 6,4516 kv. cm | 1 kv. centimetrs | 0,1550 kv. collas |
|
1 kv. pēda | 929,03 kv. cm | 1 kv. metrs | 1550 kv. collas |
|
1 kv. pagalms | 0,8361 kv. m | 119,60 kv. pagalms |
||
1 akrs | 4046,9 kv. m | 1 hektārs | 2,4711 akriem |
|
1 kv. jūdze | 1 kv. kilometrs | 0,3861 kv. jūdzes |
||
Skaļums |
||||
1 kub. collu | 16 387 kub.m. cm | 1 kub. centimetrs | 0,061 kub.m. collas |
|
1 kub. pēda | 0,0283 cc m | 1 kub. decimetrs | 0,035 cc pēdas |
|
1 kub. pagalms | 0,7646 kub.m. m | 1 kub. metrs | 1 308 kub.m. pagalms |
|
Beztaras cieto vielu un šķidrumu mērīšana
Fizikālo lielumu konvertēšanas tabulas
Tabulas ļauj konvertēt fiziskos lielumus - metrisko, SI, ko izmanto ASV un Lielbritānijā. Visās tabulās tiek izmantota reizināšana.
GARUMS
Tabula 1. Metriskā sistēma, garuma vienību attiecība
| Pārrēķins | |||||||||
angstrēms | nanometrs | mikrons | milimetrs | centimetrs | decimetrs | metrs | kilometrs |
||
metrs (m, m) | |||||||||
Tabula 2. Britu un amerikāņu sistēmas, garuma vienību attiecība
| Pārrēķins | |||||||||
līga | jūdze (ml) | ģints (rd) | pagalms (yd) | pēda (pēdas) | saite | collu | līniju |
||
jūdze (jūdzes) | |||||||||
Tabula 3. Garuma mērvienību pārvēršana no britu – amerikāņu sistēmas uz metrisko sistēmu
| Pārrēķins | |||||||||
angstrēms | nanometrs | mikrons | milimetrs | centimetrs | decimetrs | metrs | kilometrs |
||
līga | |||||||||
jūdze (jūdzes) | |||||||||
ģints (rd) | |||||||||
pagalms (yd) | |||||||||
pēda (pēdas) | |||||||||
saite | |||||||||
collu | |||||||||
līniju | |||||||||
KVADRĀTS
Tabula 4. Platības vienību konvertēšana
| Pārrēķins | |||||||||
colla 2 | 2 pēdas | pagalms 2 | 2. jūdze |
||||||
colla 2 | |||||||||
2 pēdas | |||||||||
pagalms 2 | |||||||||
2. jūdze | |||||||||
SVARS
Tabula 5. Masas vienību pārrēķins
| Pārrēķins | ||||||||
tonnu | Mārciņas. | Angļu cwt | angļu tonna | Amer. cwt | Amer. tonnu |
|||
tonnu | ||||||||
Mārciņas. | ||||||||
Angļu cwt | ||||||||
angļu tonna | ||||||||
Amer. cwt | ||||||||
Amer. tonnu | ||||||||
VOLUME
Tabula 6. Tilpuma vienību konvertēšana
| Pārrēķins | |||||||||||
litrs (dm 3) | colla 3 | 3 pēdas | pagalms 3 | Apvienotā Karaliste pinte | Apvienotās Karalistes galonu | ASV pinte | ASV galonu |
||||
litrs (dm 3) | |||||||||||
colla 3 | |||||||||||
3 pēdas | |||||||||||
| pagalms 3 | 764555 | 0.764555 | 764.555 | 46656 | 27 | 1 | 1345.429 | 168.1784 | 1615.793 | 201.974 | |
| Apvienotās Karalistes pinte | 568.261 | 0.0005683 | 0.568261 | 34.6774 | 0.020068 | 0.000743 | 1 | 0.125 | 1.20095 | 0.150119 | |
| Apvienotās Karalistes galonu | 4546.09 | 0.0045461 | 4.54609 | 277.42 | 0.160544 | 0.005946 | 8 | 1 | 9.6076 | 1.20095 | |
| ASV pinte | 473.176 | 0.0004732 | 0.473176 | 28.875 | 0.01671 | 0.000619 | 0.832674 | 0.104084 | 1 | 0.125 | |
| ASV galonu | 3785.41 | 0.0037854 | 3.785411 | 231 | 0.133681 | 0.004951 | 6.661392 | 0.832674 | 8 | 1 | |
SPIEDIENS
Tabula 7. Pārvērtiet spiediena vienības
| Pārrēķins | |||||||||
mmHg. | mbar | paskāls | collu ūdens stabs | collu Hg | |||||
mmHg. | |||||||||
mbar | |||||||||
paskāls | |||||||||