Закон Джоуля – Ленца. Определение, формула, физический смысл. Мощность тепловых потерь формула физика

Мощность тепловая - Справочник химика 21

Мощность теплового потока, отводимого при установившемся дуговом разряде с единицы длины, определяется по формуле [c.53]

Для каждой стенки печи (боковой, верхней, торцевой) по результатам измерений определяют ее среднюю температуру и по ней — мощность тепловых потерь, кВт [c.97]

Мощность (тепловой поток) ватт [c.7]

При сушке инфракрасными лучами интенсивность испарения возрастает в десятки раз. Мощность теплового потока (по сравнению с конвективной сушкой) увеличивается в 30—70 раз. [c.284]

В СИ используются единицы, основанные на джоуле (дж) или килоджоуле (кдж). Так, мощность теплового потока измеряется в джоулях в секунду (дж сек), или ваттах (вт). При расчетах следует пользоваться ук[c.464]

Рпот — мощность тепловых потерь печи. [c.230]

На рис. У1И-2 приведены основные зависимости между соотношением воздух топливо и мощностью, тепловым к. п. д., составом выхлопного газа (количеством кислорода, окиси углерода и двуокиси углерода, а также несгоревшего водорода п метана последний условно заменяет все несгоревшие углеводороды). С точки зрения наибольшего экономического эффекта, максимальная концентрация СО2 должна быть в среднем 13,8%, хотя теоретически должно образовываться 14,7% [8]. Такой результат наблюдается потому, что па практике в воду и двуокись углерода превращается только 94—94,5% топлива. Несгоревшие углеводороды появляются в выхлопных газах [9, 10]. [c.389]

К тепловым эффектам относится нагрев, который происходит за счет поглощения электромагнитных волн. Расчет средней за период мощности тепловых потерь для гармонического поля с частотой о) в среде, характеризуемой проводимостью о и мнимыми составляющими комплексных проницаемостей е" и ц", дает [c.84]

Избирательность нагрева основана на зависимости мощности тепловых потерь от частоты [формула (4.12)]. Поскольку коэффициент [c.166]

Е. Тепловая мощность Тепловая мощность через полную поверхность стенки реактора, I [c.440]

Мощность, тепловой поток [c.722]

Значение зависит от мощности теплового источника. Тепло, которое соз- [c.278]

В заключение укажем, что до последнего времени все теП ловые расчеты проводились в единицах, основанных на килокалории. Так, при измерении теплоты в килокалориях, а времени в часах мощность теплового потока измеряли в ккал/ч, коэффициент теплопроводности Я — в ккал/ м ч град), коэффи циент теплоотдачи а и теплопередачи /С — в ккал/[м ч град). [c.464]

Ец — суммарная мощность теплового потока, возникающего вследствие превращения механической энергии в тепловую (11.3-19) [c.624]

Для каждой тепловой зоны потребная мощность определяется по формуле (2.13) в соответствии с кривыми нагрева и мощности тепловых потерь, относящимися к данной зоне. [c.64]

Кроме определения мощности тепловых потерь измерение температуры кожуха дает возможность судить о состоянии тепловой изоляции на отдельных участках кладки печи (выявить местные перегревы). [c.97]

Мощность, выделяемая в расплаве, поддерживает последний в нагретом жидкотекучем состоянии. Если она будет слишком мала, то расплав застынет, если велика — он перегреется и может повредить подину. Следовательно, выделяемая в расплаве мощность должна быть вполне определенной, она должна быть равна мощности тепловых потерь подины и низа ванны печи. [c.222]

Здесь — объемная мощность теплового источника с,- — концентрация диффундирующего компонента — объемная мощность источника массы х-го компонента. [c.29]

Здесь ст — объемная мощность теплового источника. [c.65]

В конденсаторах обычно толщина стенки не превышает 4 мм критерий Ро для стенки больше 0,3. При этом условии длительностью распределения температуры в стенке за счет радиальной теплопроводности можно пренебречь и рассматривать ее как сосредоточенную емкость. На примере водяного экономайзера и пароперегревателя парового котла [66] было показано практическое совпадение результатов расчета по уравнению теплопроводности и уравнению теплового баланса (2.4.44). Объемная мощность теплового источника равна [c.65]

Горение над зеркалом жидкости представляет собой горение -струй пара в воздухе. Поток пара в пламени поддерживается благодаря непрерывно идущему испарению, скорость которого определяется мощностью теплового потока от пламени к жидкости. Кислород, необходимый для горения, поступает из окружающей среды. Пламя жидкости относится к так называемому диффузионному пламени. [c.117]

Так как горючие вещества имеют неодинаковые физические и химические свойства, а также могут находиться в различном агрегат- ном состоянии, для их подготовки к горению требуются различные количества тепла и степень нагретости источника воспламенения.. Следовательно, для воспламенения различных горючих веществ источники воспламенения должны обладать различной мощностью Источниками воспламенения могут быть не только высокотемпературные источники тепловой энергии, но и соответствующее по мощности тепловое проявление других видов энергии химической, электрической, механической, световой. [c.126]

Рассмотрим рециркуляцию газов в нижнюю часть топки с направлением газов в ядро факела. Установлено, что такая рециркуляция, помимо поддержания нормального перегрева вторичного пара при пониженных нагрузках блока, дает дополнительные преимущества снижается мощность теплового потока в зоне максимального тепловыделения [c.174]

Полученные выше формулы могут быть использованы для анализа температурного поля в кристаллах, выращиваемых при пропускании через них постоянного тока [67]. В этом случае объемную мощность тепловых источников представим так [c.160]

Электрических характеристик дуговой печи недостаточно для определения оптимального режима печи. Дуговая печь — это технологический агрегат, характеризуемый удельным расходом электроэнергии и производительностью. Как увидим дальше, режим с минимальным удельным расходом электроэнергии не совпадает с режимом с максимальной производительностью. Для того чтобы выяснить связь между этими параметрами, необходйМ"о построить рабочие характеристики печи. Это построение сделано на рис. 4-8. В нижней части рйсунка построены электрические характеристики печи ее активная и полезная мощности, мощность электрических потерь, электрический к. п. д. и коэффициент мощности в функции тока. Здесь же нанесена мощность тепловых потерь, величина которой принята не зависящей от рабочего тока печи, что приблизительно верно в действительности. [c.107]

Использование понятия источника тепла (стока) дает возможность проанализировать определенные виды систем в стационарном состоянии, которые другим способом проанализировать не удается. Таким примером может служить подземный кабель. Предполагается, что кабель заложен в плотно утрамбованной почве и выделяет каким-то образом тепло (это может быть электрический кабель ил,и трубопровод, по которому идет поток жидкости, возможно химически активной). Удельная мощность теплового потока постоянная. Окружающая кабель среда ограничена уровнем поверхности (рис. 3-20) на расстоянии а выше центральной линии кабеля. Температура поверхности кабеля /о и температура поверхности почвы ts постоянны. [c.87]

Коэффициент теплопроводности X, вт м-град) — количество тепла, передаваемого в единицу времени через 1 поверхности, нормальной к направлению потока (т. е. мощность теплового потока) при градиенте температуры 1 град/м. [c.26]

В настоящее время катарометр — наиболее распространенный детектор. Основным элементом ячейки по теплопроводности служит металлическая нить, скрученная в спираль и расположенная внутри камеры в металлическом блоке. Нигь изготавливают из материала, электрическое сопротивление которого резко изменяется с температурой. Пропуская постоянный ток, нить нагревают, ее температура определяется равновесием, устанавливающимся м жду. входной электрической мощностью и мощностью тепловых потерь, связанных с отводом тепла окружающим газом. Когда через прибор протекает только газ-носитель, потери тепла постоянны и поэтому температура нити сохраняется. При изменении состава газа (например, при наличии анализируемого вещества) температура нити изменяется, что вызывает соответствующее изменение электрического сопротивления, которое фиксируется с помощью моста Уитстона. Тепло отводят в тот момент, когда молекулы газа ударяются о нагретую нить и отскакивают от нее с возросшей кинетической энергией. Чем больше число таких столкновений в единицу времени, тем больше скорость отвода тепла. [c.299]

У печей периодического действия, работающих в стационарном режиме круглосуточно или без выключения на периоды длительного простоя, мощность тепловых потерь постоянна Яп т = onst. Мощность, потребляемая печью за период нагрева, изменяется от установленной мощности Рпечп ДО МОЩНОСТИ В конце периода нагрева, соответствующей мощности потерь холостого хода Япот. [c.94]

Следует отметить, что случайный характер распределения интенсивности охлаждения орошаемой поверхности в сглаженном виде отражается на температурном поле сухой теплоизолированной поверхности рабочего участка. Степень сглаживания увеличивается с уцеличениеы толщины пластины и уменьшением теплопроводности ее материала. При стационарном режиме работы форсунки на теплоизолированной поверхности пластины имеет место стационарное распределение температуры, которому соответствует определенное.во времени и по поверхности температурное поле на орошаемой стороне пластины. Это поле может быть рассчитано по уравнению Пуассона, если задана функция распределения мощности тепловых источников в объеме рластины и граничные условия на o taльныx ее поверхностях. [c.162]

В зависимости от характера теплообмена различают нзо-термич., адиабатич. и теплопроводящие калориметры. В последних определение Q основано на измерении мощности теплового потока dQjdt (t — время). В калориметрии Тна-иа — Кальве записывают кривые dQjdt = f(t) при пост, т-ре, в дифференциальной сканирующей калориметрии — кривые dQIat = f(T) при пост, скорости нагрева или охлаждения. Конструкция калориметра определяется характером и продолжительностью изучаемого процесса, диапазоном т-р, в к-ром проводят измерения, кол-вом измеряемой теплоты и требуемой точностью. Диапазон т-р составляет от 0,1 до 3500 К, значения Q — от 10 до неск. тысяч Дж, точность достигает 10 %. Длительность изучаемых процессов может изменяться от долей секунды до десятков суток. [c.235]

chem21.info

формула расчета тепловых потерь здания, тепловой расчет отопительных приборов, фото и видео примеры

Содержание:

1. Этапы выполнения теплового расчета помещения 2. Как правильно выполнить тепловой расчет здания 3. Формула расчета тепловой энергии 4. Коэффициенты расчета тепловых потерь здания 5. Принцип гидравлического расчета для системы отопления

Чтобы смонтировать надежную и стабильно работающую систему теплоснабжения в любом помещении, будь то офис, производственная постройка или жилое помещение, очень важно четко и грамотно выполнить тепловой расчет помещения.

Правильно произведенный тепловой расчет здания, расчет мощности и других показателей системы позволят обезопасить себя от возможных неприятностей, связанных с поломкой нагревательного оборудования и позволят сконструировать эффективную, но и экономичную отопительную систему, к которой не будет никаких претензий ни у жилищно-коммунальных служб, ни у других органов, контролирующих подобные работы. Именно о том, как выполнить тепловой расчет помещения и какие действия потребуется выполнить для этого мероприятия, далее и пойдет речь.

Этапы выполнения теплового расчета помещения

Как известно, тепловой расчет отопительных приборов осуществляется в несколько стадий, а именно:

прежде всего следует узнать то, чему равны тепловые потери дома, чтобы правильно определить мощность не только отопительного котла, но и каждого из приборов нагрева, т.е. каждой батареи. Подобные вычисления должны быть произведены для каждого помещения, которое имеет в своей конструкции внешнюю стену. Важно запомнить, что полученный результат крайне необходимо проверить на предмет правильности тепловой нагрузки на отопление. Так, итоговые цифры следует разделить на параметр площади конкретного помещения, чтобы получить размер удельных тепловых потерь, который измеряется в Вт/м². Наиболее часто этот показатель составляет 50/150 Вт/м². При условии, если результат расчета количества тепла на отопление здания слишком отличается от данного показателя, то следует все перепроверить и при необходимости заново выполнить вычисления, так как в случае использования неправильных расчетов возникает серьезная угроза нормальному функционированию всей отопительной системы в целом;
после этого следует определиться с рабочей температурой. Правильнее всего будет принять за основу следующие параметры: 75/65/20°C, что равно температурному режиму в котле отопления, в радиаторе и в комнате соответственно;
далее необходимо выполнить расчет тепловой мощности системы отопления, принимая во внимание расчет тепловых потерь здания;
затем требуется произвести расчет гидравлики, так как система теплоснабжения не сможет нормально функционировать без него. Подобные вычисления также необходимы для определения параметров трубы, в частности, их диаметра, а также для изучения технических характеристик насоса циркуляции, входящего в конструкцию системы. При выполнении расчетов в загородном доме частного типа можно воспользоваться специальными материалами и изучить фото различных таблиц, где приведены данные о сечении труб отопления;
продолжаются расчеты выбором отопительного котла и определением его свойств. Так, главное – это решить, какой тип конструкции будет применяться: бытовой или промышленный;
завершается процесс определением объема системы теплоснабжения. Знать этот параметр важно, в первую очередь, для того, чтобы правильно выбрать бак расширения или удостовериться в том, что объема того бака, который вмонтирован в генератор тепла, будет достаточно. Для выполнения любых расчетов всегда можно воспользоваться стандартным бытовым калькулятором, не прибегая к сложным математическим вычислениям (подробнее: "Расчет объема системы отопления, включая радиаторы").

Как правильно выполнить тепловой расчет здания

Для того чтобы произвести тепловой расчет здания, требуется, в первую очередь, иметь в наличии необходимые данные, которые понадобятся для вычислений.

Этапы этой работы будут следующими:

Для начала потребуется тщательно изучить проектный план сооружения, где обязательно должны быть отображены параметры каждого из помещений как изнутри, так и снаружи, а кроме того, должны быть информация о размерах проемов дверей и окон.
Затем необходимо определить, как именно расположена постройка относительно световых сторон, чтобы иметь сведения о поступающих в комнату прямых солнечных лучах, а также тщательно рассмотреть условия климата в конкретном регионе.
После этого необходимо уточнить данные о том, из какого материала состоят внешние стены, а также то, какую высоту они имеют.
Нелишним также будет получить информацию о структуре пола непосредственно от помещения и до самой земли, а также об основе перекрытия, начиная от комнаты и заканчивая улицей.

По окончании сбора всей этой информации можно приступать к расчету объема тепловой энергии, который потребуется затратить на качественный обогрев жилища. В процессе монтажа также можно будет получить необходимые сведения, требуемые для выполнения гидравлических подсчетов.

Формула расчета тепловой энергии

Чтобы правильно рассчитать необходимый объем тепла для отопления, обязательно важно учитывать такие параметры, как мощность, которой обладает нагревательный котел, а также потери тепла в процессе работы. Формула расчета тепловой энергии, требуемой для нагрева помещения, является следующей: Мк = 1,2 * Тп (Мк – это измеряемая в кВт мощность, которой обладает генератор тепла, Тп – это объем теплопотерь жилой конструкции, а 1,2 – это необходимый запас, который должен быть равен 20%).

Важно запомнить, что коэффициент 1,2 допускает саму возможность резкого снижения давления в системе газопровода в холодное время года, кроме того, сюда же входят и потенциальные потери тепла, причиной которых зачастую являются сильные морозы, особое влияние которых наблюдается ввиду недостаточной теплоизоляции дверей комнаты. Наличие такого запаса делает возможным значительно варьировать температурные режимы. Нельзя не упомянуть и тот факт, что при подсчете затрачиваемой энергии тепла его потери будут проходить совсем неравномерно, поэтому следует помнить о следующих данных:

через внешние стены теряется больше всего полезного тепла – около 40% от общего объема;
через оконные проемы уходит примерно 20%;
тепло покидает помещение через поле в объеме, равном 10%;
через крышу также выходит примерно 10%;
еще один участок тепловых потерь – дверные проемы и вентиляция, через которые способно испариться около 20% тепла.

Коэффициенты расчета тепловых потерь здания

Важно не только знать необходимую формулу, требующуюся для расчета необходимой энергии тепла для обогрева постройки, но и применять следующие коэффициенты, которые позволяют учитывать абсолютно все факторы, влияющие на такие вычисления:

К1 – это тип окон, которыми оборудовано конкретное помещение;
К2 – это показатели тепловой изоляции стен конструкции;
К3 – показатель соотношения площади оконных проемов и полов;
К4 – наименьшая температура снаружи дома;
К5 – количество внешних стен, имеющихся в сооружении;
К6 – количество этажей в постройке;
К7 – параметр высоты помещения.

Если говорить о потерях тепла, осуществляемых через окна, важно помнить о коэффициентах для таких расчетов, которые являются:

для окон со стандартным остеклением этот параметр составляет 1,27;
для стеклопакетов двухкамерного типа – 1;
для трехкамерных стеклопакетов – 0,85.

Не стоит забывать, что увеличение объема окон относительно полов в доме прямо пропорционально увеличению теплопотерь в постройке.

Так, соотношение оконных площадей и пола в жилище будет:

для 10% – 0,8;
для 10 – 19% – 0,9;
для 20% – 1;
для 21 – 29% – 1,1;
для 30% – 1,2;
для 31 – 39% – 1,3;
для 40% – 1,4;
для 50% – 1,5.

Выполняя расчет потребления необходимого количества энергии тепла, также важно помнить, что для материала, из которого изготовлены стены сооружения, также имеются свои коэффициенты:

для блоков или бетонных панелей – от 1,25 до 1,5;
для бревенчатых стен или стен из бруса – 1,25;
для кирпичной кладки толщиной в 1,5 кирпича – 1,5;
для 2,5 кирпичной кладки – 1,1;
для блоков из пенобетона – 1.

Стоит учитывать и тот факт, что если температуры за пределами дома являются низкими, то и тепловые потери становятся более существенными, например:

если температура достигает -10°C, то коэффициент будет составлять 0,7;
если этот параметр является ниже -10°C, то коэффициент должен быть 0,8;
если температура составляет -15°C, то цифра будет равна 0,9;
при морозе в -20°C коэффициент должен составлять 1;
величина коэффициента при -25°C – 1,2;
в случае понижения температуры до -30°C коэффициент должен быть равен 1,2;
если столбик термометра на улице достигает -35°C, то коэффициент должен составлять 1,3.

Кроме того, рассчитывая объем требуемого для обогрева дома тепла, важно учитывать непосредственно площадь комнаты, которая отображается как Пк, а также удельное значение, которое составляет теплопотери – это УДтп. Так, высчитать объем возможных потерь тепла конкретного помещения можно, воспользовавшись следующей формулой: Тп = УДтп * Пл * К1 * К2 * К3 * К4 * К5 * К6 * К7. Параметр УДтп в этом случае должен быть равен 100 Вт/м².

Принцип гидравлического расчета для системы отопления

На этом этапе расчетов необходимо подобрать нужные параметры отопительных труб, такие как их длина и диаметр, а также осуществить балансировку всей системы посредством клапанов радиатора. Подобные вычисления также позволят определить оптимальную мощность такого функционального элемента системы, как электрический насос циркуляции.

Итоги гидравлических расчетов позволяют узнать следующие показатели: М – объем воды, который расходуется в процессе работы (измеряется в кг/с), DP1, DP2… DPn – это тот напор, который теряется при прохождении теплоносителя от котла к каждому из радиаторов. Как следствие, расход воды можно высчитать по следующей формуле: M = Q/Cp * DPt Q, где Ср – это параметр удельной теплоемкости теплоносителя, который равен в среднем 4,19 кДж, а DPt – это разница температур воды на входе в котел и на выходе из него.

Проведение всех вышеперечисленных расчетов позволит оборудовать надежную, экономичную и эффективную систему отопления и не даст механизму выйти из строя в самый неприятный момент. Тепловой расчет помещения на видео:

teplospec.com

Энциклопедия сантехника Тплопроводность материалов и потеря тепла через стену

Тплопроводность материалов и потеря тепла через стену

Чтобы понять, как считать теплопроводность - необходимо представить материал в виде вымышленной стены. На практике такие стены будут реальными. Данная статья поможет нам рассчитать теплопотери стены. Сложив все теплопотери стен - получим теплопотери всего дома. Но это только один фактор из трех составляющих теплопотерь дома. Не забывайте про вентиляцию и излучение тепла. О них поговорим в других статьях.

Также решим задачку для реального события. Смотри ниже.

Смотри изображение:

t1, t2 - точки температур. L - толщина стены. S - площадь стены.

Теплопроводность представляет собой количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу толщины слоя материала.

Если быть точнее! То это отношение поверхностной плотности теплового потока к температурному градиенту.

Температурный градиент - это произведение толщины стенки материала на разность температур между противоположными плоскостями одной стенки.

Температурный градиент = L х ( t1 - t2 ).

Плотность теплового потока - это количество теплоты в единицу времени. Количество теплоты измеряется в Калориях. О калориях поговорим ниже.

Сначала я Вам покажу формулу нахождения теплопроводности и связи между ними.

λ - Коэффициент теплопроводности.

t1,t2 - температуры стенки по разные стороны. Измеряется либо в Цельсиях [°C] либо в Кельвинах [K].

°С = K - 273,15

Из-за того, что температура измеряется в разных единицах, то коэффициент теплопроводности, тоже имеет различные единицы измерения:

[ Вт / (м•°С) ] либо [ Вт / (м•K) ]

В редких случаях за место (Вт) может использоваться (Калория).

L - Толщина стенки, измеряется в метрах(м).

Q - Количество теплоты, измеряется в калориях(K) или в ваттах(Вт).

Эталоном значения одной калории является: Количество теплоты необходимое для того, чтобы нагреть один грамм воды на 1 градус Цельсия или Кельвина, при атмосферном давлении (101325 Па).

1 Дж = 0,2388 калорий1000 Калорий = 1 кКалория = 1,163 Ватт • час1 Калория = 4,1868 Дж

Для глубокого понимания коэффициента теплопроводности, нужно понимать, как находят количество теплоты. То есть нам нужно найти количество теплоты, которое расходуется между наружными плоскостями одной стены. Мы фактически находим потерянное тепло через стену.

Можно представить тепло как некую жидкость, проходящую в сквозь стенку. И количество этой некой тепловой жидкости проходящей в единицу времени и будет являться той самой теплотой. Чем больше ее проходит, тем больше мы теряем тепло и тем больше теплопроводность. Теплоизоляторы понижают теплопроводность, и мы теряем меньше тепла.

Данная формула помогает нам найти проходящее количество теплоты в сквозь стену.

Также еще выражаются в такой форме:

R - Температурное сопротивление, измеряется: (м2 • °С) / Вт, или: (м2 • K) / Вт

Q - Количество теплоты. Измеряется в Ваттах (Вт) или Калориях (К)

t1,t2 - температура стенки по разные стороны. Измеряется либо в Цельсиях [°C] либо в Кельвинах [K].

S - площадь стенки, измеряется в квадратных метрах (м2). Площадь находится умножением высоты на длину стенки. S = a • b.

При расчетах не забывайте, переводить единицы измерения в одно измерение! Например, если температура в Цельсиях, то все переменные должны быть указаны или переведены в градусы Цельсия. Расстояния и длины должны быть указаны и переведены к количеству метров (а не сантиметров или милиметров) и тому подобное.

Чем больше значение λ, тем большей теплопроводностью обладает вещество. В общем случае теплопроводность для данного вещества не является величиной постоянной: для твердых тел λ зависит от температуры, а для жидких и газообразных — еще и от давления.

Для металлов (кроме алюминия) теплопроводность с увеличением температуры несколько убывает, что означает, что холодный металл проводит теплоту лучше, чем нагретый. Теплопроводность металлов λ составляет 2,3-420 Вт/(м•К).

Для изоляционных и огнеупорных материалов λ при повышении температуры возрастает. Последнее объясняется тем, что большинство изоляционных материалов не представляют монолитной массы, а являются пористыми телами — конгломератом отдельных частиц с воздушными прослойками между ними. Эти воздушные прослойки уменьшают теплопроводность, но лучистый теплообмен, происходящий в этих прослойках, в итоге увеличивает суммарный теплоперенос при повышении температуры пористого тела. Для таких материалов λ зависит не только от свойств собственно материала, но и от степени его уплотнения, т.е. от плотности. Кроме того, на теплопроводность указанных материалов большое влияние оказывает влажность. С увеличением влажности теплопроводность возрастает. Для влажного материала λ выше, чем для сухого материала и воды, взятых в отдельности. Так, например, для сухого кирпича λ = 0,35 Вт/(м•К), для воды λ = 0,58 Вт/(м•К), а для влажного кирпича λ = 1,05 Вт/(м•К). Это объясняется тем, что адсорбированная в капиллярно-пористых телах вода отличается по физическим свойствам от свободной воды. Поэтому по отношению к такого рода веществам правильнее говорить о так называемой видимой теплопроводности. Теплопроводность теплоизоляционных материалов составляет 0,02—3,0 Вт/(м•К).

Для газов с увеличением температуры теплопроводность также возрастает, но от давления λ практически не зависит, кроме очень низких (менее 2,5 кПа) и очень высоких (более 200 МПа) давлений. Теплопроводность газов колеблется от 0,006 до 0,6 Вт/(м•К).

Для большинства капельных жидкостей теплопроводность находится в пределах 0,09—0,7 Вт/(м•К) и с повышением температуры уменьшается. Вода является исключением: с ростом температуры от 0 до 150 °С теплопроводность возрастает, а при дальнейшем увеличении температуры уменьшается.

Задача:

У меня дома в квартире, в комнате имеется наружная не утепленная стена площадью ( 2,5 х 5метров ), зимой очень холодно. Температура стены 20 °C. Стена без окна. Определить сколько уходит тепла через стену на улицу зимой, когда на улице температура -30 градусов. Стена кирпичная. Толщина 80 см.

Поскольку процесс конвекции хорошо проветривает стену с обоих сторон, то следует пренебречь разницу температур у сомой стенки, и принять температуру воздуха. А с наружи еще естественные ветра проветривают так, что приближают температуру стены к температуре воздуха. Но на будущее имейте в виду, что температура поверхности стены отличается от температуры воздуха, но не значительно. Для реальных событий даже не превысит 5%. Мы это возможно обсудим в других статьях.

Дано:

S=2,5 х 5 = 12,5 м2

t1 = 20 °C, K1 = t1 + 273,15 = 293,15

t2 = -30 °C, K2 = t1 + 273,15 = 243,15

L = 80см = 0,8 метров.

Для кирпича из других источников:

λ = 0,44 Вт/(м•К) в переводе на Цельсия: = 0,44 Вт/(м•°С)

Величины получаются одинаковыми, так как величины Цельсия и Кельвина пропорциональны друг другу, просто сдвинуты на 273,15 единиц. Поэтому разница температур одинакова.

Решение простое: Просто вставляем в формулу имеющиеся значения и занимаемся арифметикой.

Q = 0,44 х (20-(-30))/0,8 х 12,5 = 0,44 х 50/0,8 х 12,5 = 343,75 Вт

Ответ: Теряется тепло стены на 344 Вт.

Если посчитать за месяц, то это будет: 344 Вт х 24 часа х 30 дней = 247,7 кВт•ч.

И это одна только стена столько потребляет! А сколько таких стен может быть?

Конечно, точность расчетов зависит от значения коэффициента теплопроводности для материала, из которого сделана стена. Влажность, тоже имеет значение. Так что этих коэффициентов в инете полным-полно, можете подобрать из различных таблиц.

В целом такой расчет очень даже полезный и почти совпадает с реальными цифрами.

Но не вздумайте пока рассчитывать свой дом по такому методу. Так как существуют еще кое-какие дополнительные расчеты, о которых будет рассказано в следующих статьях.

Таблицы я позже приготовлю! В других статьях будут. А так продолжение следует...

На счет задачи - это шутка конечно! Была бы у меня такая стена - я бы ее давно уже утеплил, так как знаю технологии, как это делать.

Пишите вопросы, обязательно отвечу!


	Если Вы желаете получать уведомленияо новых полезных статьях из раздела:Сантехника, водоснабжение, отопление,то оставте Ваше Имя и Email.

Все о дачном доме Водоснабжение Обучающий курс. Автоматическое водоснабжение своими руками. Для чайников. Неисправности скважинной автоматической системы водоснабжения. Водозаборные скважины Ремонт скважины? Узнайте нужен ли он! Где бурить скважину - снаружи или внутри? В каких случаях очистка скважины не имеет смысла Почему в скважинах застревают насосы и как это предотвратить Прокладка трубопровода от скважины до дома 100% Защита насоса от сухого хода Отопление Обучающий курс. Водяной теплый пол своими руками. Для чайников. Теплый водяной пол под ламинат Обучающий Видеокурс: По ГИДРАВЛИЧЕСКИМ И ТЕПЛОВЫМ РАСЧЕТАМВодяное отопление Виды отопления Отопительные системы Отопительное оборудование, отопительные батареи Система теплых полов Личная статья теплых полов Принцип работы и схема работы теплого водяного пола Проектирование и монтаж теплого пола Водяной теплый пол своими руками Основные материалы для теплого водяного пола Технология монтажа водяного теплого пола Система теплых полов Шаг укладки и способы укладки теплого пола Типы водных теплых полов Все о теплоносителях Антифриз или вода? Виды теплоносителей (антифризов для отопления) Антифриз для отопления Как правильно разбавлять антифриз для системы отопления? Обнаружение и последствия протечек теплоносителей Как правильно выбрать отопительный котел Тепловой насос Особенности теплового насоса Тепловой насос принцип работыПро радиаторы отопления Способы подключения радиаторов. Свойства и параметры. Как рассчитать колличество секций радиатора? Рассчет тепловой мощности и количество радиаторов Виды радиаторов и их особенностиАвтономное водоснабжение Схема автономного водоснабжения Устройство скважины Очистка скважины своими рукамиОпыт сантехника Подключение стиральной машиныПолезные материалы Редуктор давления воды Гидроаккумулятор. Принцип работы, назначение и настройка. Автоматический клапан для выпуска воздуха Балансировочный клапан Перепускной клапан Трехходовой клапан Трехходовой клапан с сервоприводом ESBE Терморегулятор на радиатор Сервопривод коллекторный. Выбор и правила подключения. Виды водяных фильтров. Как подобрать водяной фильтр для воды. Обратный осмос Фильтр грязевик Обратный клапан Предохранительный клапан Смесительный узел. Принцип работы. Назначение и расчеты. Расчет смесительного узла CombiMix Гидрострелка. Принцип работы, назначение и расчеты. Бойлер косвенного нагрева накопительный. Принцип работы. Расчет пластинчатого теплообменника Рекомендации по подбору ПТО при проектировании объектов теплоснабжения О загрязнение теплообменников Водонагреватель косвенного нагрева воды Магнитный фильтр - защита от накипи Инфракрасные обогреватели Радиаторы. Свойства и виды отопительных приборов. Виды труб и их свойства Незаменимые инструменты сантехникаИнтересные рассказы Страшная сказка о черном монтажнике Технологии очистки воды Как выбрать фильтр для очистки воды Поразмышляем о канализации Очистные сооружения сельского домаСоветы сантехнику Как оценить качество Вашей отопительной и водопроводной системы?Профрекомендации Как подобрать насос для скважины Как правильно оборудовать скважину Водопровод на огород Как выбрать водонагреватель Пример установки оборудования для скважины Рекомендации по комплектации и монтажу погружных насосов Какой тип гидроаккумулятора водоснабжения выбрать? Круговорот воды в квартире фановая труба Удаление воздуха из системы отопленияГидравлика и теплотехника Введение Что такое гидравлический расчет? Физические свойства жидкостей Гидростатическое давление Поговорим о сопротивлениях прохождении жидкости в трубах Режимы движения жидкости (ламинарный и турбулентный) Гидравлический расчет на потерю напора или как рассчитать потери давления в трубе Местные гидравлические сопротивления Профессиональный расчет диаметра трубы по формулам для водоснабжения Как подобрать насос по техническим параметрам Профессиональный расчет систем водяного отопления. Расчет теплопотерь водяного контура. Гидравлические потери в гофрированной трубе Теплотехника. Речь автора. Вступление Процессы теплообмена Тплопроводность материалов и потеря тепла через стену Как мы теряем тепло обычным воздухом? Законы теплового излучения. Лучистое тепло. Законы теплового излучения. Страница 2. Потеря тепла через окно Факторы теплопотерь дома Начни свое дело в сфере систем водоснабжения и отопления Вопрос по расчету гидравликиКонструктор водяного отопления Диаметр трубопроводов, скорость течения и расход теплоносителя. Вычисляем диаметр трубы для отопления Расчет потерь тепла через радиатор Мощность радиатора отопления Расчет мощности радиаторов. Стандарты EN 442 и DIN 4704 Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции Найти теплопотери через чердак и узнать температуру на чердаке Подбираем циркуляционный насос для отопления Перенос тепловой энергии по трубам Расчет гидравлического сопротивления в системе отопления Распределение расхода и тепла по трубам. Абсолютные схемы. Расчет сложной попутной системы отопления Расчет отопления. Популярный миф Расчет отопления одной ветки по длине и КМС Расчет отопления. Подбор насоса и диаметров Расчет отопления. Двухтрубная тупиковая Расчет отопления. Однотрубная последовательная Расчет отопления. Двухтрубная попутная Расчет естественной циркуляции. Гравитационный напор Расчет гидравлического удара Сколько выделяется тепла трубами? Собираем котельную от А до Я... Система отопления расчет Онлайн калькулятор Программа расчет Теплопотерь помещения Гидравлический расчет трубопроводов История и возможности программы - введение Как в программе сделать расчет одной ветки Расчет угла КМС отвода Расчет КМС систем отопления и водоснабжения Разветвление трубопровода – расчет Как в программе рассчитать однотрубную систему отопления Как в программе рассчитать двухтрубную систему отопления Как в программе рассчитать расход радиатора в системе отопления Перерасчет мощности радиаторов Как в программе рассчитать двухтрубную попутную систему отопления. Петля Тихельмана Расчет гидравлического разделителя (гидрострелка) в программе Расчет комбинированной цепи систем отопления и водоснабжения Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции Гидравлические потери в гофрированной трубе Гидравлический расчет в трехмерном пространстве Интерфейс и управление в программе Три закона/фактора по подбору диаметров и насосов Расчет водоснабжения с самовсасывающим насосом Расчет диаметров от центрального водоснабжения Расчет водоснабжения частного дома Расчет гидрострелки и коллектора Расчет Гидрострелки со множеством соединений Расчет двух котлов в системе отопления Расчет однотрубной системы отопления Расчет двухтрубной системы отопления Расчет петли Тихельмана Расчет двухтрубной лучевой разводки Расчет двухтрубной вертикальной системы отопления Расчет однотрубной вертикальной системы отопления Расчет теплого водяного пола и смесительных узлов Рециркуляция горячего водоснабжения Балансировочная настройка радиаторов Расчет отопления с естественной циркуляцией Лучевая разводка системы отопления Петля Тихельмана – двухтрубная попутная Гидравлический расчет двух котлов с гидрострелкой Система отопления (не Стандарт) - Другая схема обвязки Гидравлический расчет многопатрубковых гидрострелок Радиаторная смешенная система отопления - попутная с тупиков Терморегуляция систем отопления Разветвление трубопровода – расчет Гидравлический расчет по разветвлению трубопровода Расчет насоса для водоснабжения Расчет контуров теплого водяного пола Гидравлический расчет отопления. Однотрубная система Гидравлический расчет отопления. Двухтрубная тупиковая Бюджетный вариант однотрубной системы отопления частного дома Расчет дроссельной шайбы Что такое КМС?Конструктор технических проблем Температурное расширение и удлинение трубопровода из различных материаловТребования СНиП ГОСТы Требования к котельному помещениюВопрос слесарю-сантехникуПолезные ссылки сантехнику---Сантехник - ОТВЕЧАЕТ!!!Жилищно коммунальные проблемыМонтажные работы: Проекты, схемы, чертежи, фото, описание.Если надоело читать, можно посмотреть полезный видео сборник по системам водоснабжения и отопления

infobos.ru

Закон Джоуля – Ленца: определение, формула, физический смысл

Закон Джоуля Ленца портреты ученых Закон Джоуля – Ленца – закон физики, определяющий количественную меру теплового действия электрического тока. Сформулирован этот закон был в 1841 году английским учёным Д. Джоулем и совершенно отдельно от него в 1842 году известным русским физиком Э. Ленцем. Поэтому он получил своё двойное название — закон Джоуля – Ленца.

Определение закона и формула

Словесная формулировка имеет следующий вид: мощность тепла, выделяемого в проводнике при протекании сквозь него электрического тока, пропорционально произведению значения плотности электрического поля на значение напряженности.

Математически закон Джоуля — Ленца выражается следующим образом:

ω = j • E = ϭ E²,

где ω — количество тепла, выделяемого в ед. объема;

E и j – напряжённость и плотность, соответственно, электрического полей;

σ — проводимость среды. Таблица явлений Закон Джоуля Ленца

Физический смысл закона Джоуля – Ленца

Закон можно объяснить следующим образом: ток, протекая по проводнику, представляет собой перемещение электрического заряда под воздействием электрического поля. Таким образом, электрическое поле совершает некоторую работу. Эта работа расходуется на нагрев проводника.

Другими словами, энергия переходит в другое свое качество – тепло.

Но чрезмерный нагрев проводников с током и электрооборудования допускать нельзя, поскольку это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при коротких замыканиях проводов, когда по проводниках могут протекать достаточно большие токи. Формула закона Джоуля Ленца

В интегральной форме для тонких проводников закон Джоуля – Ленца звучит следующим образом: количество теплоты, которое выделяется в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата силы тока на сопротивление участка.

Математически эта формулировка выражается следующим образом:

Q = ∫ k • I² • R • t,

при этом Q – количество выделившейся теплоты;

I – величина тока;

R — активное сопротивление проводников;

t – время воздействия.

Значение параметра k принято называть тепловым эквивалентом работы. Величина этого параметра определяется в зависимости от разрядности единиц, в которых выполняются измерения значений, используемых в формуле.

Закон Джоуля-Ленца имеет достаточно общий характер, поскольку не имеет зависимости от природы сил, генерирующих ток.

Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.

Область применения

Областей применения в быту закона Джоуля Ленца – огромное количество. К примеру, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга в электросварке, нагревательная нить в электрообогревателе и мн. др. Это наиболее широко распространенный физический закон в повседневной жизни.

pue8.ru

Энциклопедия сантехника Перенос тепловой энергии по трубам

Перенос тепловой энергии по трубам

Формулы и задачи будут ниже.

В системе отопления множество труб, которые друг с другом соединены: Параллельно и последовательно. Теплоноситель, протекающий по трубам - движется в каждой отдельной трубке по-разному. Где-то движется быстрее где-то медленно.

Теплоноситель - это среда, которая переносит температуру, посредством ее движения по трубам. Теплоноситель, проходя через котел, набирает температуру, далее протекает по трубам и, проходя через отопительный прибор (радиатор, теплый пол), теряет тепло в каком-либо количестве. Остывший теплоноситель вновь попадает в котел и цикл повторяется.

Существуют физические законы переноса тепла , которые дают полезные формулы. Эти формулы позволяют точно рассчитать, сколько тепла теряется или приобретается теплоносителем. Причем это формула универсальная и подходит абсолютно для любого отопительного прибора: Радиатор, калорифер, теплый водяной пол, бойлер и тому подобное. Можно даже всю систему отопления рассматривать как отопительный прибор и применить расчеты для всей системы отопления - оптом. Также формула работает и в обратном смысле, это когда нужно рассчитать, сколько тепловой энергии принимает теплоноситель, проходя через котельное оборудование.

За единицу переноса тепла теплоносителем - выбран его объем (м3). То есть, сколько проходит объема той или иной температуры, точно характеризует количество потраченной или приобретенной тепловой энергии. То есть скорость теплоносителя в трубе не принимается в расчет. Самое главное уметь высчитывать, количество пройденного объема теплоносителя.

Например, зная расход теплоносителя и потерю температуры, можно точно найти, сколько тратиться тепловой энергии.

Расход - это количество пройденного объема теплоносителя через трубу, измеряется объемом (метр кубический [м3]).

Потеря температуры - это разница температур между входящим теплоносителем в отопительный прибор и выходящим из отопительного прибора.

Температурный напор - это понятие выражается обычно для того, чтобы обозначить разницу температур между двумя различными телами (средами). Например, разницу между температурой подающего и обратного теплоносителя. Также температурным напором можно обозначить разницу между температурой воздуха в помещение и температурой нагретого радиатора или теплого пола. Чем выше температурный напор, тем больше передается тепловой энергии.

Теплоноситель обладает теплоемкостью, которая характеризует его способность принимать количество тепловой энергии. Чем больше теплоемкость теплоносителя, тем больше он может принять на себя тепловую энергию. Тем самым больше перенести тепловой энергии. То есть, чем больше теплоемкость, тем меньше требуется расход теплоносителя.

Из всех известных теплоносителей вода обладает самой большой теплоемкостью. Антифризы, незамерзающие жидкости обладают меньшей теплоемкостью, примерно на 10%. То есть теплоемкость антифриза может быть меньше на 10%. Мощность отопительных приборов не стоит увеличивать. Необходимо увеличивать расход или уменьшать гидравлическое сопротивление системы. Также антифриз является более вязким веществом и в отличие от воды сильнее сопротивляется движению. То есть система отопления на антифризе имеет большее сопротивление, чем, если бы она была заправлена обычной водой. Сопротивление системы отопления на антифризе может увеличиться до 30%.

На счет сопротивления поговорим в других статьях, где подробно посчитаем сопротивление системы на воде и антифризе.

В принципе цифры небольшие и обычно, когда меняют обычную воду на антифриз не прибегают к дополнительным мерам по улучшению характеристик систем отопления. Просто, обычно в систему отопления закладываются дополнительные ресурсы производительности, которые антифризом не уменьшишь до критического положения.

Любой антифриз обладает сильной текучестью. То есть на стыках труб могут быть микроскопические щели проходы, через которые вода не проходит, а антифриз может пройти.

Также антифриз очень пагубно влияет на систему отопления. Нужно учесть, что антифриз сильно разрушает некоторые металлы и сплавы в отличие от воды. То есть система отопления на антифризе прослужит меньше чем на воде. Рекомендую за место обычной воды заливать дистилированную воду, она меньше разрушает металлы. Также антифриз разбавляйте дистилированной водой.

В некоторых краях земли воды имеют сильные отклонения в сторону (кислотности, щелочности) и поэтому если у вас железные трубы и различные металлы, то следует для систем отопления подготовить воду. Вода должна быть стабильной. Кстати алюминиевые радиаторы тоже подвержены коррозии. В природе нет идеальных металлов. Различные металлы с различной степенью отличаются друг от друга и в различной жидкости ведут себя по разному.

Стабильность воды - это величина, характеризующяя состояние воды, на предмет содержания в ней определенного количества свободной и равновесной углекислоты, которая дает оценку отклонения от требуемого баланса углекислоты стабильной воды. Стабильная вода - это вода, которая содержит одинаковое количество свободной и равновесной углекислоты, то есть соблюдается основное карбонатное равновесие.

Не стабильная вода разрушает стальной трубопровод. При повышенном содержании свободной углекислоты вода ста¬новится коррозионно-агрессивной по отношению к конструкционным материалам, в частности, к бетону и железу.

Как контролируют стабильность воды?

При использовании воды в коммунальном хозяйстве, в промышленности чрезвычайно важно учитывать фактор стабильности. Для поддержания стабильности воды регулируют водородный показатель, щелочность или карбонатную жесткость. Если вода оказывается коррозионно-активной (например, при обессоливании, умягчении), то перед подачей в линию потребления ее следует обогатить карбонатами кальция или провести подщелачивание; если, напротив, вода склонна к выделению карбонатных осадков, требуется их удаление или подкисление воды.

Контроль происходит методом дозирования. Дозирование производится пропорционально в прямой зависимости от объема жидкости прошедшей через расходомер.

И так вернемся к формулам.

Что касается воды

Теплоемкость воды: 1,163 - Вт/(литр•°С)

Или: 1163 Вт/(м3•°С)

Теплоемкость антифриза при температуре 50 °С (с характером замерзания -40 °С):

1,025 Вт/(литр•°С) или: 1025 Вт/(м3•°С)

Данные теплоемкости различных жидкостях можно находить в специальных таблицах.

Задача.

Рассмотрим простенькую схему

Предположим, что при определенных найденных параметрах, мы установили, что расход системы отопления равен:

Q = 1,7 м3/час

Теплоносителем является вода, его теплоемкость равна:

С = 1163 Вт/(м3•°С)

Измерили температуру на подающем и обратном трубопроводе:

Т1 = 60 °С

Т2 = 45 °С

Найти мощность (тепловую энергию) теряемая системой отопления.

Решение.

Для решения используется универсальная формула:

W - энергия, (Вт)С - теплоемкость теплоносителя воды, С=1163 Вт/(м3•°С)Q - расход, (м3/час)t1 - Температура подающего теплоносителяt2 - Температура остывшего теплоносителя

Просто вставляем наши значения, не забывайте учитывать единицы измерения.

По такой формуле работают тепловые счетчики.

Ответ: Система отопления потребляет 30кВт. В течение дня и времени года эта цифра меняется, в зависимости от теплопотерь отопительных приборов.

Очень важно понять расход системы отопления. Если вы даже знаете, что ваш насос качает максимум 40 литров в минуту, это не означает, что Ваш насос столько качает. Все зависит от сопротивления системы отопления. Чем больше сопротивление системы, тем меньше расход. Очень часто на практике сталкивался с засоренными фильтрами грязевиками, которые уменьшают общий расход системы отопления.

Точным расчетом будет, если вы поставите водяной счетчик расхода на систему отопления. Только через водяной счетчик Вы сможете точно узнать расход вашей системы отопления, а потом по характеристикам насоса можете привести сопротивление системы.

Сопротивления системы и более масштабные расчеты будем проводить в другой статье.

Это статья является частью системы: Конструктор водяного отопления.


	Если Вы желаете получать уведомленияо новых полезных статьях из раздела:Сантехника, водоснабжение, отопление,то оставте Ваше Имя и Email.

infobos.ru

Тепловая мощность. Расчет тепловой мощности. Расчет мощности тепловых пушек

Таблица тепловой мощности, необходимой для различных помещений

(для разницы температур улица-помещение 30°С)

Необходимая тепловая мощность, кВт	Объем отапливаемого помещения в новом здании (хорошая теплоизоляция), м³	Объем отапливаемого помещения в старом здании (средняя теплоизоляция), м³
5	70-150	60-110
10	150-300	130-220
20	320-600	240-440
30	650-1000	460-650
40	1050-1300	650-890
50	1350-1600	900-1100
60	1650-2000	1150-1350
75	2100-2500	1400-1650
100	2600-3300	1700-2200
125	3400-4100	2300-2700
150	4200-5000	2800-3300
200	5000-6500	3400-4400

Формула расчета тепловой мощности

Формула для расчета необходимой тепловой мощности:

V x T x K = ккал/ч Перед выбором обогревателя воздуха необходимо рассчитать минимальную тепловую мощность, необходимую для Вашего конкретного пoмещения.

Обозначения:

V – объем обогреваемого помещения (ширина х длина х высота), м3
T – Разница между температурой воздуха вне помещения и необходимой температурой внутри помещения,.С
K – коэффициент рассеивания

K=3,0-4,0 Упрощенная деревянная конструкция или конструкция из гофрированного металлического листа. Без теплоизоляции. K=2,0-2,9 Упрощенная конструкция здания, одинарная кирпичная кладка, упрощенная конструкция окон и крыши. Небольшая теплоизоляция. K=1,0-1,9 Стандартная конструкция, двойная кирпичная кладка, небольшое число окон, крыша со стандартной кровлей. Средняя теплоизоляция. K=0,6-0,9 Улучшенная конструкция, кирпичные стены с двойной теплоизоляцией, небольшое число окон со сдвоенными рамами, толстое основание пола, крыша из высококачественного теплоизоляционного материала. Высокая теплоизоляция.

Пример: V – Ширина 4 м, Длина 12 м, Высота 3 м. Объем обогреваемого помещения 144 м³ T– Температура воздуха снаружи -5ºC. Требуемая температура внутри помещения +18°C. Разница между температурами внутри и снаружи +23°C K – Этот коэффициент зависит от типа конструкции и изоляции помещениятребуемая тепловая мощность: 144 x 23 x 4 = 13 248 ккал/ч (Vx TxK = ккал/ч)

1 кВт = 860 ккал/ч 1 ккал = 3,97 БTe 1 кВт = 3412 БTe 1 БTe = 0,252 ккал/ч

Теперь, зная как рассчитать тепловую мощность, Вы можете легко выбрать тепловую пушку, инфракрасный обогреватель или тепловую завесу.

www.pro-air.ru

Применение уравнения теплового баланса | Физика

1. Первый закон термодинамики и уравнение теплового баланса

До сих пор мы рассматривали первый закон термодинамики применительно к газам. Отличительной особенностью газа является то, что его объем может значительно изменяться. Поэтому согласно первому закону термодинамики переданное газу количество теплоты Q равно сумме совершенной газом работы и изменения его внутренней энергии:

Q = ∆U + Aг.

В этом параграфе мы рассмотрим случаи, когда некоторое количество теплоты сообщают жидкости или твердому телу. При нагревании или охлаждении они незначительно изменяются в объеме, поэтому совершенной ими при расширении работой обычно пренебрегают. Следовательно, для жидкостей и твердых тел первый закон термодинамики можно записать в виде

Q = ∆U.

Простота этого уравнения, однако, обманчива.

Дело в том, что внутренняя энергия тела представляет собой только суммарную кинетическую энергию хаотического движения составляющих его частиц лишь тогда, когда этим телом является идеальный газ. В таком случае, как мы уже знаем, внутренняя энергия прямо пропорциональна абсолютной температуре (§ 42). В жидкостях же и в твердых телах большую роль играет потенциальная энергия взаимодействия частиц. А она, как показывает опыт, может изменяться даже при постоянной температуре!

Например, если передавать некоторое количество теплоты смеси воды со льдом, то ее температура будет оставаться постоянной (равной 0 ºС), пока весь лед не растает. (Именно по этой причине температуру таяния льда и приняли в свое время в качестве опорной точки при определении шкалы Цельсия.) При этом подводимое тепло расходуется на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул:чтобы превратить кристалл в жидкость, необходимо затратить энергию на разрушение кристаллической решетки.

Похожее явление происходит и при кипении: если передавать некоторое количество теплоты воде при температуре кипения, ее температура будет оставаться постоянной (равной 100 ºС при нормальном атмосферном давлении), пока вся вода не выкипит. (Потому ее и выбрали в качестве второй опорной точки для шкалы Цельсия.) В этом случае подводимое тепло также расходуется на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул.

Может показаться странным, что потенциальная энергия взаимодействия молекул в паре больше, чем в воде. Ведь молекулы газа почти не взаимодействуют друг с другом, поэтому потенциальную энергию их взаимодействия естественно принять за нулевой уровень. Так и поступают. Но тогда потенциальную энергию взаимодействия молекул в жидкости надо считать отрицательной.

Такой знак потенциальной энергии взаимодействия характерен для притягивающихся тел. В таком случае, чтобы увеличить расстояние между телами, надо совершить работу, то есть увеличить потенциальную энергию их взаимодействия. И если после этого она становится равной нулю, значит, до этого она была отрицательной.

Итак, изменение состояния жидкостей и твердых тел при сообщении им некоторого количества теплоты надо рассматривать с учетом возможности изменения их агрегатного состояния. Изменения агрегатного состояния называют фазовыми переходами. Это – превращение твердого тела в жидкость (плавление), жидкости в твердое тело (отвердевание или кристаллизация), жидкости в пар (парообразование) и пара в жидкость (конденсация).

Закон сохранения энергии в тепловых явлениях, происходящих с жидкостями и твердыми телами, называют уравнением теплового баланса.Рассмотрим сначала уравнение теплового баланса для случая, когда теплообмен происходит между двумя телами, а их теплообменом с другими телами можно пренебречь (на опыте для создания таких условий используют калориметры – сосуды, которые обеспечивают теплоизоляцию своего содержимого).

Будем считать (как мы считали ранее для газов) переданное телу количество теплоты положительным, если вследствие этого внутренняя энергия тела увеличивается, и отрицательным, если внутренняя энергия уменьшается. В таком случае уравнение теплового баланса имеет вид

Q1 + Q2 = 0, (1)

где Q1 – количество теплоты, переданное первому телу со стороны второго, а Q2 – количество теплоты, переданное второму телу со стороны первого.

Из уравнения (1) видно, что если одно тело получает тепло, то другое тело его отдает. Скажем, если Q1 > 0, то Q2 < 0.

Если теплообмен происходит между n телами, уравнение теплового баланса имеет вид

Q1 + Q2 + … + Qn = 0.

2. Уравнение теплового баланса без фазовых переходов

Будем считать тело однородным, то есть состоящим целиком из одного вещества (например, некоторая масса воды, стальной или медный брусок и т. д.). Рассмотрим сначала случай, когда агрегатное состояние тела не изменяется, то есть фазового перехода не происходит.

Из курса физики основной школы вы знаете, что в таком случае переданное телу количество теплоты Q прямо пропорционально массе тела m и изменению его температуры ∆t:

Q = cm∆t. (2)

В этой формуле как Q, так и ∆t могут быть как положительными, так и отрицательными величинами.

Входящую в эту формулу величину с называют удельной теплоемкостью вещества, из которого состоит тело. Обычно в задачах на уравнение теплового баланса используют температуру по шкале Цельсия. Мы тоже будем так поступать.

? 1. На рисунке 48.1 приведены графики зависимости температуры двух тел от переданного им количества теплоты Q. Масса каждого тела 100 г.а) У какого тела удельная теплоемкость больше и во сколько раз?б) Чему равна удельная теплоемкость каждого тела?

? 2. В калориметр, содержащий 150 г воды при температуре 20 ºС, погружают вынутый из кипятка металлический цилиндр. Удельная теплоемкость воды равна 4,2 кДж/(кг * К). Примите, что тепловыми потерями можно пренебречь.а) Объясните, почему справедливо уравнение

cмmм(tк – 100º) + cвmв(tк – 20º) = 0,

где cм и cв – значения теплоемкости данного металла и воды соответственно, mм и mв – значения массы цилиндра и воды соответственно, tк – значение конечной температуры содержимого калориметра, когда в нем установится тепловое равновесие.

б) Какое из двух слагаемых в приведенной формуле положительно, а какое – отрицательно? Поясните ваш ответ.в) Чему равна удельная теплоемкость данного металла, если масса цилиндра 100 г, а конечная температура равна 25 ºС?г) Чему равна конечная температура, если цилиндр изготовлен из алюминия, а его масса 100 г? Удельная теплоемкость алюминия равна 0,92 кДж/(кг * К).д) Чему равна масса цилиндра, если он изготовлен из меди и его конечная температура 27 ºС? Удельная теплоемкость меди 0,4 кДж/(кг * К).

Рассмотрим случай, когда механическая энергия переходит во внутреннюю. Английский физик Дж. Джоуль пытался измерить, насколько нагреется вода в водопаде при ударе о землю.

? 3. С какой высоты должна падать вода, чтобы при ударе о землю ее температура повысилась на 1 ºС? Примите, что во внутреннюю энергию воды переходит половина ее потенциальной энергии.

Полученный вами ответ объяснит, почему ученого постигла неудача. Примите во внимание, что опыты ученый ставил на родине, где высота самого высокого водопада – около 100 м.

Если тело нагревают с помощью электронагревателя или сжигая топливо, надо учитывать коэффициент полезного действия нагревателя. Например, если коэффициент полезного действия нагревателя равен 60 %, это означает, что увеличение внутренней энергии нагреваемого тела составляет 60 % от теплоты, выделившейся при сгорании топлива или при работе электронагревателя.

Напомним также, что при сгорании топлива массой m выделяется количество теплоты Q, которое выражается формулой

Q = qm,

где q – удельная теплота сгорания.

? 4. Чтобы довести 3 л воды в котелке от температуры 20 ºС до кипения, туристам пришлось сжечь в костре 3 кг сухого хвороста. Чему равен коэффициент полезного действия костра как нагревательного прибора? Удельную теплоту сгорания хвороста примите равной 107 Дж/кг.

? 5. С помощью электронагревателя пытаются довести до кипения 10 л воды, но вода не закипает: при включенном нагревателе ее температура остается постоянной, ниже 100 ºС. Мощность нагревателя 500 Вт, коэффициент полезного действия 90 %.а) Какое количество теплоты передается за 1 с воде от нагревателя?б) Какое количество теплоты передается за 1 с от воды окружающему воздуху при включенном нагревателе, когда температура воды остается постоянной?в) Какое количество теплоты передаст вода за 1 мин окружающему воздуху сразу после выключения нагревателя? Считайте, что за это время температура воды существенно не изменится.г) Насколько понизится температура воды за 1 мин сразу после выключения нагревателя?

3. Уравнение теплового баланса при наличии фазовых переходов

Напомним некоторые факты, известные вам из курса физики основной школы.

Для того чтобы полностью расплавить кристаллическое твердое тело при его температуре плавления, надо сообщить ему количество теплоты Q, пропорциональное массе m тела:

Q = λm.

Коэффициент пропорциональности λ называют удельной теплотой плавления. Она численно равна количеству теплоты, которое надо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг при температуре плавления, чтобы полностью превратить его в жидкость. Единицей удельной теплоты плавления является 1 Дж/кг (джоуль на килограмм).

Например, удельная теплота плавления льда равна 330 кДж/кг.

? 6. На какую высоту можно было бы поднять человека массой 60 кг, если увеличить его потенциальную энергию на величину, численно равную количеству теплоты, которая нужна для того, чтобы расплавить 1 кг льда при температуре 0 ºС?

При решении задач важно учитывать, что твердое тело начнет плавиться только после того, как оно все нагреется до температуры плавления. На графике зависимости температуры тела от переданного ему количества теплоты процесс плавления представляет собой горизонтальный отрезок.

? 7. На рисунке 48.2 изображен график зависимости температуры тела массой 1 кг от переданного ему количества теплоты.а) Какова удельная теплоемкость тела в твердом состоянии?б) Чему равна температура плавления?в) Чему равна удельная теплота плавления?г) Какова удельная теплоемкость тела в жидком состоянии?д) Из какого вещества может состоять данное тело?

? 8. В атмосферу Земли влетает железный метеорит. Удельная теплоемкость железа равна 460 Дж/(кг * К), температура плавления 1540 ºС, удельная теплота плавления 270 кДж/кг. Начальную температуру метеорита до входа в атмосферу примите равной -260 ºС. Примите, что 80 % кинетической энергии метеорита при движении сквозь атмосферу переходит в его внутреннюю энергию.а) Какова должна быть минимальная начальная скорость метеорита, чтобы он нагрелся до температуры плавления?б) Какая часть метеорита расплавится, если его начальная скорость равна 1,6 км/с?

Если при наличии фазовых переходов требуется найти коечную температуру тел, то прежде всего надо выяснить, каким будет конечное состояние. Например, если в начальном состоянии заданы массы льда и воды и значения их температур, то есть три возможности.

В конечном состоянии только лед (такое может быть, если начальная температура льда была достаточно низкой или масса льда была достаточно большой). В таком случае неизвестной величиной является конечная температура льда. Если задача решена правильно, то полученное значение не превышает 0 ºС. При установлении теплового равновесия лед нагревается до этой конечной температуры, а вся вода охлаждается до 0 ºС, затем замерзает, и образовавшийся из нее лед охлаждается до конечной температуры (если она ниже 0 ºС).

В конечном состоянии находятся в тепловом равновесии лед и вода. Такое возможно только при температуре 0 ºС. Неизвестной величиной в таком случае будет конечная масса льда (или конечная масса воды: сумма масс воды и льда дана). Если задача решена правильно, то конечные массы льда и воды положительны. В таком случае при установлении теплового равновесия сначала лед нагревается до 0 ºС, а вода охлаждается до 0 ºС. Затем либо часть льда тает, либо часть воды замерзает.

В конечном состоянии только вода. Тогда неизвестной величиной является ее температура (она должна быть не ниже 0 ºС), В этом случае вода охлаждается до конечной температуры, а льду приходится пройти более сложный путь: сначала он весь нагревается до 0 ºС, затем весь тает, а потом образовавшаяся из него вода нагревается до конечной температуры.

Чтобы определить, какая из этих возможностей реализуется в той или иной задаче, надо провести небольшое исследование.

? 9. В калориметр, содержащий 1,5 л воды при температуре 20 ºС, кладут кусок льда при температуре –10 ºС. Примите, что тепловыми потерями можно пренебречь. Удельная теплоемкость льда 2,1 кДж/(кг * К).а) Какова могла быть масса льда, если в конечном состоянии в калориметре находится только лед? только вода? лед и вода в тепловом равновесии?б) Чему равна конечная температура, если начальная масса льда 40 кг?в) Чему равна конечная температура, если начальная масса льда 200 г?г) Чему равна конечная масса воды, если начальная масса льда равна 1 кг?

То, что для плавления телу надо сообщить некоторое количество теплоты, кажется естественным. Это явление служит нам добрую службу: оно замедляет таяние снега, уменьшая паводки весной.

А вот то, что при кристаллизации тело отдает некоторое количество теплоты, может удивить: неужели вода при замерзании действительно отдает некоторое количество теплоты? И тем не менее это так: замерзая и превращаясь в лед, вода отдает довольно большое количество теплоты холодному воздуху или льду, температура которых ниже 0 ºС. Это явление тоже служит нам добрую службу, смягчая первые заморозки и наступление зимы.Учтем теперь возможность превращения жидкости в пар или пара в жидкость.

Как вы знаете из курса физики основной школы, количество теплоты Q, необходимое для того, чтобы превратить жидкость в пар при постоянной температуре, пропорционально массе m жидкости:

Q = Lm.

Коэффициент пропорциональности L называют удельной теплотой парообразования. Она численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг жидкости, чтобы полностью превратить ее в пар. Единицей удельной теплоты парообразования является 1 Дж/кг.

Например, удельная теплота парообразования воды при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении авиа примерно 2300 кДж/кг.

? 10. В калориметр, в котором находится 1 л воды при температуре 20 ºС, вводят 100 г водяного пара при температуре 100 ºС. Чему будет равна температура в калориметре после установления теплового равновесия? Тепловыми потерями можно пренебречь.

Дополнительные вопросы и задания

11. Чтобы нагреть на плите некоторую массу воды от 20 ºС до температуры кипения, потребовалось 6 мин. Сколько времени потребуется, чтобы вся эта вода выкипела? Примите, что потерями тепла можно пренебречь.

12. В калориметр, содержащий лед массой 100 г при температуре 0 ºС, впускают пар при температуре 100 ºС. Чему будет равна масса воды в калориметре, когда весь лед растает и температура воды будет равна 0 ºС?

13. Нагретый алюминиевый куб положили на плоскую льдину, температура которой 0 ºС. До какой температуры был нагрет куб, если он полностью погрузился в лед? Примите, что потерями тепла можно пренебречь. Удельная теплоемкость алюминия 0,92 кДж/(кг * К).

14. Свинцовая пуля ударяется о стальную плиту и отскакивает от нее. Температура пули до удара равна 50 ºС, скорость 400 м/с. Скорость пули после удара равна 100 м/с. Какая часть пули расплавилась, если во внутреннюю энергию пули перешло 60 % потерянной кинетической энергии? Удельная теплоемкость свинца 0,13 кДж/(кг * К), температура плавления 327 ºС, удельная теплота плавления 25 кДж/кг.

15. В калориметр, в котором содержится 1 л воды при температуре 20 ºС, кладут 100 г мокрого снега, содержание воды в котором (по массе) составляет 60 %. Какая температура установится в калориметре после установления теплового равновесия? Тепловыми потерями можно пренебречь.Подсказка. Под мокрым снегом подразумевают смесь воды и льда при температуре 0 ºС.

phscs.ru

Каталог товаров