Тепловые явления в различных средах

1.Понятия тепловые явления, параметры, связь между ними.

2.Измерение количества тепла, калориметры.

3. Измерение тепловых потоков

4. Счетчики тепловой энергии.

1.Общая теория теплоты является аксиоматической наукой, Она не вводит специальных гипотез и конкретных представлений о строении вещества и физической природы теплоты. Ее выводы основаны на общих принципах или началах, являющихся обобщением опытных фактов. Она рассматривает теплоту как род какого-то внутреннего движения, но не пытается конкретизировать, что это за движение.

Значимость процесса теплообмена как в природе, так и в технике определяется тем, что свойства тел самым существенным образом зависят от температуры, т.е. от их теплового состояния. Последнее же, в свою очередь, определяется условиями теплообмена, которые поэтому оказывают решающее влияние на процессы изменения агрегатного состояния вещества, на течение химических реакций (в частности, процесса горения), механические, элетроизоляционные, магнитные и другие свойства тел.

В отличие от механической энергии, которая может изменяться только за счет работы, внутренняя энергия может изменяться как за счет работы, так и при контакте с телами, имеющими другую температуру, т.е. в процессе теплообмена. Энергия, переданная при теплообмене (подведении тепла), называется количеством теплоты или теплотой. Теплота считается положительной, если система получает энергию, и отрицательной, если отдает.При соприкосновении двух тел, имеющих различную температуру, происходит обмен энергией движения структурных частиц ( молекул, атомов, свободных электронов), вследствие чего интенсивность движения частиц тела, имеющего меньшую температуру, увеличивается, а интенсивность движения частиц тела с более высокой температурой уменьшается. В результате одно из соприкасающихся тел нагревается, а другое остывает. Поток энергии, передаваемой частицами более горячего тела частицам тела более холодного, называется тепловым потоком.

Таким образом, для возникновения теплового потока, т.е. процесса теплообмена между различными областями пространства, заполненного вещественной средой, необходимо и достаточно, чтобы в этих областях имели место неодинаковые температуры. Иначе говоря, единственным условием возникновения теплообмена является наличие разности температур между рассматриваемыми телами. При этом тепловой поток направлен в сторону меньших температур.

Предметом теории теплообмена являются процессы переноса тепла из одной части пространства и другую.

Наряду с рассмотренным случаем теплообмена непосредственно в вещественной среде, являющегося следствием движения структурных частиц, имеет место также перенос теплоты посредством лучеиспускания (например, в космических процессах). Поэтому следует различать теплообмен путем непосредственного соприкосновения тел и лучистый теплообмен, когда энергия передается от одного тела к другому посредством электромагнитного поля.

В вещественной среде распространение тепла, в конечном счете, всегда связано с тепловым движением структурных частиц. Однако непосредственный перенос определенных порций теплоты из одной области в другую может происходить не только в результате последовательного обмена энергией частиц, заполняющих пространство между рассматриваемыми областями, но и в результате перемещения состоящих из большого количества молекул объемов среды.

Процесс распространения тепла только вследствие движения структурных частиц называется тепопроводностью, а процесс теплопередачи, обусловленный перемещениями молярных объемов среды, - конвекцией.

Таким образом, существует три способа переноса тепла: теплопроводность (кондукция), перемешивание (конвекция) и излучение (радиация). В действительных процессах все эти три способа теплообмена обычно сопутствуют друг другу и частично связаны с переносом массы (диффузией), т.е. имеет место сложный тепло- и массобмен.

В теории теплопередачи расчет сложного теплообмена осуществляется с помощью методов, обобщающих результаты раздельного излучения каждого из трех первичных способов переноса тепла. Следовательно, основным методом теории теплопередачи является расчленение сложного теплообмена на его составляющие по способу (механизму) переноса тепла и излучение этих составляющих методами математической физики и научного опыта.

Простые опыты и наблюдения убеждают нас, что при повышении температуры размеры тел немного увеличиваются, а по охлаждении – уменьшаются до прежней величины. При нагревании увеличивается не только длина тела, но другие линейные размеры. Изменение линейных размеров тела при нагревании называют тепловым линейным расширением. Увеличение линейных размеров сопровождается увеличением объемов тел (объемное расширение тел).

1.1 Понятия, единицы измерения, размерности

Единицей количества тепла Q в Международной системе единиц (СИ) является джоуль (Дж). В технике пока еще нередко приме­няется старая единица тепла — калория (кал), а в англосаксон­ских странах — Британская тепловая единица (Б.т.е.) Соотно­шения между ними:

1 кал = 4,1868 Дж; 1 Б. т. е. = 1055,06 Дж.

Как форма энергии тепло может быть непосредственно сопо­ставлено с электрической или механической энергией:

1 Дж = 1 Вт*с = 1 Н-м.

Тепловой поток Ф — это количество тепла, проходящего через поперечное сечение (А) за единицу времени: Ф = . Тепло­вой поток измеряется в единицах мощности (Дж/с), которые могут быть переведены в другие единицы мощности:

1 Дж/c - 1 Вт = 1 Н*м/с.

Для не глубоких практических расчетов можно принимать 1 ккал/ч 1 Вт (точное значение 1,163 Вт).

Плотность теплового потока q, Дж/(с*м²), определяется как количество тепла, проходящего за единицу времени t чeрез еди­ницу площади поверхности:

Теплоемкость С (ранее называвшаяся также водяным экви­валентом W), Дж/К, означает изменение энтальпии (теплосодер­жания) тепла при изменении его температуры на 1 К:

Удельная теплоемкость с, Дж/(кг*К), характеризует измене­ние энтальпии тела единичной массы (1 кг) при изменении его температуры на 1 К:

2. Измерение количества тепла (калориметрия)

Почти при всех физических и химических процессах происходят изменения количества тепла (Вт*с, Дж). Величина этих изменений определяется свойствами вещества и условиями окружа­ющей среды. Задачей калориметрии является экспериментальное определение влияния различных параметров на превращения тепловой энергии (на тепловой эффект). Устройства, в которых протекают исследуемые процессы, называют калориметрами.

В качестве примера можно назвать некоторые из про­цессов, сопровождающихся высвобождением (выделением) и свя­зыванием (поглощением) определенных количеств тепла: смеши­вание, растворение, титрование, нейтрализация, гидратация, хи­мическая реакция, горение, сорбция, фазовое превращение (струк­турное изменение в твердых веществах), изменение фазового со­стояния (плавление, испарение, сублимация). Для промышлен­ности в первую очередь важно определение теплоты сгорания твер­дых, жидких или газообразных сред (см. раздел “Калориметры горения”).

В соответствии с таким разнообразием областей задач разра­ботано множество калориметрических методов и приборов. Впро­чем, такое разнообразие в настоящее время в связи с усовершен­ствованием методов измерения (чувствительных элементов и элект­ронной обработки сигналов) уже не может считаться оправданным. Классификация методов и приборов для калориметрии довольно сложна. Основными отличительными признаками являются аппа­ратурное исполнение (жидкостные, металлические, двойные [сдвоенные] калориметры) и термодинамические свойства калори­метров — их поведение во время измерения (закон изменения тем­пературы калориметрического сосуда и окружающей среды, тепло­обмен с окружающей средой и т. п.).

Выбирать калориметрический метод и тип прибора следует с учетом целого ряда факторов: диапазонов давления и темпера­туры, физических свойств вещества, количеств энергии, участву­ющих в процессе, допустимого теплообмена с окружающей средой, а также желательной точности и воспроизводимости. Преимущест­вом сложных и высокоточных калориметров является возмож­ность их применения в разнообразных и широких областях. На­против, узкоспециализированные калориметры (одноцелевые) просты по конструкции и удобны в обслуживании.

Калориметр обычно работает таким образом, что после ини­циирования какого-либо процесса проба отдает калориметриче­скому устройству или получает от него некоторое неизвестное количество тепла . При этом специальными мероприятиями в основном предотвращается теплообмен калориметрического устройства с окружающей средой. В соответствии с изменением энтальпии калориметра на его температура повышается или снижается на . Это изменение температуры и является мерой количества тепла , участвовавшего в обмене. Таким образом, измерение количества тепла сводится к определению разности температур (косвенный метод измерения). Тепловой баланс для идеализированной системы записывается в следующем виде:

= С_к +W(Дж),

где С_к — тепловой эквивалент всех компонентов калориметра, термически участвующих в процессе, Дж/К; W — тепловые потери, Дж.

Величину С_к как константу прибора можно определить экспе­риментально, по градуировке в таких же условиях, как при по­следующем эксперименте, причем точно определяемое количе­ство тепла подводится в калориметр либо при помощи электриче­ского нагревателя, либо инициированием известных реакций с ве­ществами—эталонами.

Термическое состояние и массу пробы, вводимой в калориметр или вступающей там в реакцию, выбирают с таким расчетом, чтобы приращение температуры калориметра составляло всего не­сколько градусов. Это ограничение следует соблюдать прежде всего при использовании термометра Бекмана, а также и потому, что константы прибора (в частности С_к) можно считать постоянными лишь в узком диапазоне температур.

Если исследуемый процесс не является непрерывным, то жела­тельно, чтобы температура калориметра до опыта была настолько же ниже температуры окружающей среды насколько она превысит температуру после опыта. Благодаря этому влияние теплообмена калориметра с окружающей средой можно сократить до минимума.