Теплота физическое содержание способы определения

Вспоминаем физику: теплота

Дата публикации: 6 февраля 2020

Когда мы будем обсуждать способы отоплении дома, варианты снижения утечек тепла, мы должны понимать, что такое тепло, в каких единицах оно измеряется, как передается и как теряется. На этой странице будут приведены основные сведения из курса физики, необходимые для рассмотрения всех перечисленных вопросов.

Теплота — один из способов передачи энергии

Энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, называется коли́чеством теплоты́ или просто теплотой.

В строгом смысле теплота представляет собой один из способов передачи энергии, и физический смысл имеет лишь количество энергии, переданное системе, но слово «тепло-» входит в такие устоявшиеся научные понятия, как поток тепла, теплоёмкость, теплота фазового перехода, теплота химической реакции, теплопроводность и пр. Поэтому там, где такое словоупотребление не вводит в заблуждение, понятия «теплота» и «количество теплоты» синонимичны. Однако этими терминами можно пользоваться только при условии, что им дано точное определение, и ни в коем случае «количество теплоты» нельзя относить к числу первоначальных понятий, не требующих определения. Во избежание ошибок под понятием «теплота» следует понимать именно способ передачи энергии, а количество переданной этим способом энергии обозначают понятием «количество теплоты». Рекомендуется избегать такого термина, как «тепловая энергия».

Теплота — это кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).

Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемной единицы количества теплоты — калории: международная калория равна 4,1868 Дж.

Теплообмен и теплопередача

Теплопередача — это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда). Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

Теплопроводность

Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью. Теплопроводность стержня оценивается величиной теплового потока, который зависит от коэффициента теплопроводности, площади поперечного сечения, через которое передается теплота и градиента температуры (отношения разности температур на концах стержня к расстоянию между ними). Единицей теплового потока является ватт.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ
Вещества и материалы Теплопроводность, Вт/(м^2*К)
Металлы
Алюминий ___________________205
Бронза _____________________105
Вольфрам ___________________159
Железо ______________________67
Медь _______________________389
Никель ______________________58
Свинец ______________________35
Цинк _______________________113
Другие материалы
Асбест _______________________0,08
Бетон ________________________0,59
Воздух _______________________0,024
Гагачий пух (неплотный) ______0,008
Дерево (орех) ________________0,209
Опилки _______________________0,059
Резина (губчатая) ____________0,038
Стекло _______________________0,75

Конвекция

Конвекция — это теплообмен за счет перемещения масс воздуха или жидкости. При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент конвективного теплопереноса можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается.

Тепловое излучение

Третий вид теплопередачи — лучистый теплообмен — отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение — это один из видов электромагнитного излучения.

Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения составляет примерно 1,37 Вт/м2.

Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры.

Теплоёмкость

Различные вещества обладают разной способностью накапливать тепло; это зависит от их молекулярной структуры и плотности. Количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы вещества на один градус (1 °С или 1 К), называется его удельной теплоемкостью. Теплоемкость измеряется в Дж/(кг•К).

Обычно различают теплоемкость при постоянном объёме (C_V) и теплоемкость при постоянном давлении (С_P), если в процессе нагревания поддерживаются постоянными соответственно объём тела или давление. Например, чтобы нагреть на 1 К один грамм воздуха в воздушном шаре, требуется больше теплоты, чем для такого же его нагрева в герметичном сосуде с жесткими стенками, поскольку часть энергии, сообщаемой воздушному шару, расходуется на расширение воздуха, а не на его нагревание. При нагревании при постоянном давлении часть теплоты идёт на производство работы расширения тела, а часть — на увеличение его внутренней энергии, тогда как при нагревании при постоянном объёме вся теплота расходуется на увеличение внутренней энергии; в связи с этим С_Р всегда больше, чем C_V. У жидкостей и твёрдых тел разница между С_Р и C_V сравнительно мала.

Тепловые машины

Тепловые машины — это устройства, преобразующие теплоту в полезную работу. Примерами таких машин могут служить компрессоры, турбины, паровые, бензиновые и реактивные двигатели. Одной из наиболее известных тепловых машин является паровая турбина, использующаяся на современных тепловых электростанциях. Упрощенная схема такой электростанции на рисунке 1.

Рис. 1. Упрощенная схема паротурбинной электростанции, работающей на ископаемом топливе.

Рабочую жидкость — воду — превращают в перегретый пар в паровом котле, нагреваемом за счет сжигания ископаемого топлива (угля, нефти или природного газа). Пар высокого давления вращает вал паровой турбины, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электроэнергию. Отработанный пар конденсируется при охлаждении проточной водой, которая поглощает часть теплоты. Далее вода подается в охлаждающую башню (градирню), откуда часть тепла уходит в атмосферу. Конденсат с помощью насоса возвращают в паровой котел, и весь цикл повторяется.

Другим примером тепловой машины может служить бытовой холодильник, схема которого представлена на рис. 2.

Рис.2. Схема работы холодильника.

В холодильниках и бытовых кондиционерах энергия для его обеспечения подводится извне. Компрессор повышает температуру и давление рабочего вещества холодильника — фреона, аммиака или углекислого газа. Перегретый газ подается в конденсатор, где охлаждается и конденсируется, отдавая тепло окружающей среде. Жидкость, выходящая из патрубков конденсатора, проходит через дросселирующий клапан в испаритель, и часть ее испаряется, что сопровождается резким понижением температуры. Испаритель отбирает у камеры холодильника тепло, которое нагревает рабочую жидкость в патрубках; эта жидкость подается компрессором в конденсатор, и цикл снова повторяется.

Источник

Теплота и способы ее передачи

Понятие о теплоте.Теплоносители (вода, пар, продукты сгорания, воздух и др), как и все тела, состоят из молекул, которые совершают хаотическое движение. Такое движение называется тепловым движением, а энергия этого движения – внутренней энергией тела. Чем выше темпера-тура тела, тем больше его внутренняя энергия.

Если два тела с разными температурами привести в соприкосновение, то внутренняя энергия более горячего тела будет самопроизвольно передаваться менее горячему телу. Процесс передачи внутренней энергии называется теплообменом, а количество переданной (полученной) внутренней энергии – теплотой. Количество теплоты прямо пропорционально разности температур тел и зависит от характера процесса теплообмена.

Различают следующие виды теплообмена: излучение, теплопроводность и конвекция.

Излучение(лучистый теплообмен) – это передача внутренней энергии горячего тела в виде потока электромагнитной энергии. При облучении холодного тела электромагнитная энергия превращается в тепловую энергию и температура этого тела возрастает. Лучистый теплообмен является основным видом передачи тепловой энергии в топках котлов. От горячих продуктов сгорания (их температура составляет 1400 – 1700 0 С) на каждый м 2 стен топки падает тепловой поток величиной в 100 – 300 кВт. Чтобы создать такой лучистый поток нужно на одном м 2 поверхности расположить от 1000 до 3000 электроламп мощностью по 100 Вт каждая и включить их одновременно. В других устройствах тепловых энергоустановок роль лучистого теплообмена менее заметна.

Теплопроводность – это распространение теплоты от молекулы к молекуле при их соударении. Сталкиваясь с холодной, горячая молекула передает ей свою энергию и скорость ее движения замедляется, а скорость другой увеличивается. Чем плотнее тело, тем ближе его молекулы расположены друг к другу, тем выше теплопроводность данного тела. Плотность стали, например, составляет 7800 кг на м 3 , а воздуха при 0 0 С – 1,29 кг на м 3 . Плотность пористых материалов занимает промежуточное положение и для красного кирпича она равна 2000 кг на м 3 , а для минеральной ваты –100 кг на м 3 . Поэтому теплопроводность стали в 100 и более раз выше теплопроводности кирпича и почти в 2500 раз больше теплопроводности сухого воздуха. Поэтому: чайники для кипячения воды (поверхности нагрева) изготавливают из стали, а для заварки чая – из керамики; дома строятся из кирпича, бетона и дерева, теплоизоляция трубопроводов и оборудования выполняется из минеральной ваты и других теплоизоляционных материалов, а окна имеют две, а то и три рамы. Применяются также окна, выполненные из двух близко расположенных рам, из промежутка которых выкачан воздух. Аналогичную конструкцию имеет и бытовой термос.

Плотность воды составляет 1000 кг/ м 3 . Ее теплопроводность в 80 раз ниже теплопроводности стал и в 15 раз выше теплопроводности минеральной ваты. Поэтому увлажненные пористые материалы имеют более высокую теплопроводность, чем сухие.

Конвекция (конвективный теплообмен) – это перенос теплоты потоком продуктов сгорания, воды или воздуха из одной области в другую. Если поток горячий то, соприкасаясь с холодной поверхностью, он нагревает ее, а сам охлаждается. Если температура поверхности стенки выше температуры потока, то стенка охлаждается, а поток тела нагревается.

Интенсивность конвективного теплообмена пропорциональна скорости потока: чем быстрее движется поток, тем он больше охлаждается или нагревается. Например, для снижения интенсивности конвективного теплообмена оконные рамы конопатятся и заклеиваются. В неподвижном слое воздуха конвекция отсутствует и теплота через окно передается теплопроводностью.

В тепловых установках в распространении теплоты одновременно участвуют все виды теплообмена. Например, поток горячей воды в радиаторе отопления отдает теплоту внутренней стенке радиатора конвекцией. Лучистый теплообмен в жидкостях отсутствует. Через стенку радиатора теплота распространяется теплопроводностью. К воздуху теплота отдается с наружной поверхности радиатора в основном конвекцией и, значительно меньше, излучением. Если температура воды на входе в чугунный радиатор составляет 95 0 С, на выходе 70 0 С, а температура воздуха 18 0 С, то с 1 м 2 . поверхности радиатора в воздух поступает 435 ккал/ч теплоты. При этом через радиатор должно проходить 17,4 кг/ч воды, чему соответствует определенная скорость движения воды.

Единицы измерения теплоты.Согласно закону сохранения энергии теплота не исчезает, а переходит в другие виды энергии: механическую, химическую, электрическую, электромагнитную.

Так как в количественном отношении все виды энергии равны, то все они, в том числе и тепловая, измеряются одной и той же физической величиной – джоулем Дж. Данная единица измерения количества энергии входит в состав международной системы единиц измерения физических величин с сокращенным названием СИ. Наряду с указанной системой временно действует старая система единиц МКГСС, в которой теплота измеряется вкал, работа в кгм, мощность в л.с. и Вт, сила в кгс (килограмм-сила) и др.

Связь джоуля с калорией следующая:

1 кал = 4,19 Дж

Так как эти единицы очень малы, то применяются кратные им величины (кило-, мега-, гигакалория, гигаджоуль):

1 ккал = 10 3 кал; 1Мкал = 10 6 кал; 1Гкал = 10 9 кал.

Алогично указанным величинам используются кДж, МДж и ГДж.

Единицей мощности в системе СИ является 1Вт = 1Дж /с. Из кратных величин чаще используются 1кВт и 1МВт.

В современных условиях количество теплоты (теплопроизводительность и теплопотребление установок) часто выражают в ккал/чиГкал/ч, а тепловую мощность в кВтиМВт. Для перехода от количества теплоты к тепловой мощности нужно умножить количество теплоты на коэффициент 1,163. Например:

860 ккал/ч × 1,163 = 1кВт; 1Гкал/ч × 1,163 МВт = 1,163 МВт

Количество теплоты Q, которое нужно подвести, например, к воде или воздуху, чтобы нагреть их от температуры t₁ до t ₂ можно определить по формуле:

Q = СV (t₂ — t₁)ккал/ч, (1)

где С – теплоемкость, равная: для воды – 1,0 ккал/кг· град, для воздуха – 0,3 ккал/м 3 град;

V— расход воды в кг/ч или воздуха в м 3 /ч;

t_1, t₂ —начальная и конечная температуры теплоносителя, 0 С.

Параметры состояния теплоносителей.При нагревании или охлаждении состояние теплоносителя меняется и для его контроля используются, в основном, такие параметрам, как абсолютная температура и абсолютное давление.

Абсолютная температура. Температура характеризует степень нагрева тела и является показателем средней интенсивности движения молекул. При нагревании тела интенсивность движения молекул увеличивается, а при охлаждении – снижается. Состояние тела при охлаждении, когда его молекулы становятся неподвижными, характеризует ноль градусов международной термодинамической шкалы Кельвина. Температура в шкале Кельвина называется абсолютной.

На практике температура измеряется с помощью термометра, показания которого выражаются в градусах Цельсия. Поэтому абсолютная температура рассчитывается по формуле:

Т = t + 273,15К (2)

Из формулы следует, что ноль градусов в шкале Кельвина находится на 273,15 0 С ниже ноля в шкале Цельсия. При ноле градусов Кельвина молекулы неподвижны и тепловое движение отсутствует. При ноле градусов Цельсия тепловое движение молекул существует, тело обладает внутренней энергией и способно отдавать ее другому телу, если его температура ниже этого ноля. Таким образом, температура, измеренная в шкале Кельвина, соответствуют тепловому состоянию тела и верно его характеризуют.

Задача. Определить, как изменится давление воздуха в баллоне, если его температура увеличилась с 20 до 40 0 С, т.е. в 2 раза. Однако абсолютная температура возросла с 293 до 313 К, или в 1,07 раза. Правильный ответ: Давление увеличится прямо пропорционально изменению абсолютной температуре, т.е. в 1,07 раза.

Абсолютное давление. Давлением называется силаF, которая действует на единицу площади поверхности S по нормали к ней:

р = F / S (3)

В международной системе единиц СИ за единицу силы принят 1 Н (ньютон), за единицу площади 1 м 2 , а за единицу давления 1 Па (паскаль), т.е.

1 Па = 1Н / 1 м 2

В допущенной к временному использованию старой системе единиц МКГС единицами измерения давления являются 1 кгс/ см 2 , 1 м вод. ст., 1 мм вод. ст., 1 кг/м 2 .Связь между единицами измерения давления в указанных системах следующая:

10 м вод. ст. = 1 кгс / см 2 = 10 3 Па,1 мм вод. ст. = 1 кг/ м 2 = 10 Па, 1Па = 0,1 мм вод. ст.

Из-за малой величины паскаля используются кратные паскалю единицы (кило- и мегапаскаль):

1 кПа = 1000 Па; 1 МПа = 10 6 Па. Тогда 1МПа = 10 кгс / см 2 , а 1 кгс / см 2 = 0,1 МПа.

Рис.1. Измерение избыточного давления и разрежения U-образным жидкостным (водяным) манометром и вакуумметром

Если давление рабочего тела р внутри сосуда больше атмосферного Б, то оно называется избыточным. Величина избыточного давления р_изб измеряется манометрами, а потому часто называется манометрическим. Давление, которое ниже Б, называется вакуумметрическим давлением р_вак или разрежением и измеряется с помощью вакуумметров. На рис. 1 избыточному давлению р_изб и разрежению р_ваксоответствуют столбы жидкости высотойhмм.

Манометры и вакуумметры находятся под воздействием давления рабочего тела и давления атмосферного воздуха, т.е. барометрического давления.

На примере U-образного жидкостного манометра (вакуумметра) можно показать, что избыточное давление является разностью давления рабочего тела и барометрического давления:

р _изб = р – Б = h ,(4)

а вакууметрическое (разрежение) – разностью барометрического давления и давления рабочего тела:

р_вак = Б – р = h(5)

В первом случае давление рабочего тела р находится как сумма барометрического давления и показаний манометра, а во втором – как их разность:

р =( р _изб + Б)ир = (Б — р_вак )(6)

Параметром состояния является давление рабочего тела внутри сосуда (трубопровода), которое называется абсолютным давлением. Для его определения используются показания приборов и указанные выше расчетные формулы.

Задача: Определить, во сколько раз возросло давление пара в котле, если в начале процесса растопки котла манометр показывал 0,5 МПа, а в конце процесса – 1 МПа. Барометрическое давление в обоих случаях составляло 0,1 МПа.

Решение. По показаниям манометра давление возросло в 2 раза. Ответ неверный, т.к. не полно учитывает истинное состояние пара. Правильный ответ: абсолютное давление пара менялось от 0,6 = (0,5 + 0,1) до 1,1 = (1 +0,1) МПа и увеличилось в 1,83 раза. Ошибка составляет чуть более 9 %.

Влияние давления на кипение воды.Как известно температура кипения воды зависит от абсолютного давления, при котором находится вода. Например, при атмосферном давлении она равна 100 0 С. С увеличением давления вода кипит при большей температуре и, наоборот, с уменьшением давления температура кипения снижается. Так при давлении 1,4 МПа (14кгс/ см 2 ) температура кипения равна 194 0 С, а при давлении 0,03 МПа (0,3 кгс/см 2 ) – 70 0 С.

Давление, при котором вода кипит называется давлением насыщения. Во избежание вскипания воды в трубопроводах давление воды в них должно быть выше давления насыщения. При температуре воды 150 0 С давление, предотвращающее вскипание воды, должно быть более 0,5 МПа (более 5 кгс/см 2 или 50 м вод. ст)., а при 115 0 С – более 0,17 МПа (более 1,7 кгс/см 2 или 17 м вод.) Здесь 0,5 МПа и 0,17 МПа величины давления насыщения при температурах 150 и 115 0 С, соответственно. При образовании пара в трубопроводах возникают гидравлические удары, перебои в подаче воды, изменяются расходы воды по трубопроводам системы отопления, возможно разрушение трубопроводов и оборудования. Согласно Правил (п.9.3.21) во избежание вскипания воды давление в верхних точках систем отопления при температуре воды выше 100 0 С должно быть больше расчетного не менее, чем на 0,05 МПа (0,5 кгс / см 2 или 5 м вод. ст.).

Низкое давление горячей воды на входе в насосы может вызвать вскипание воды в насосе и, как следствие, перебои в подаче воды, а также подсосы воздуха в систему отопления. Наличие воздуха может выключить систему из работы. Согласно Правил (п.9.3.20) давление в обратном трубопроводе должно превышать статическое давление не менее чем на 0,05 МПа (0,5 кгс / см 2 или 5 м вод.ст.).

Источник