Тепло в чем измеряется: Единицы теплоты

Единицы теплоты

“…- Сколько попугаев в тебе поместится, такой у тебя рост.
– Очень надо! Я не стану глотать столько попугаев!…”

Из м/ф “38 попугаев”

В соответствии с международными правилами СИ (международная система единиц измерения) количество тепловой энергии или количество тепла измеряется в Джоулях [Дж], также существуют кратные единицы килоДжоуль [кДж] = 1000 Дж., МегаДжоуль [МДж] = 1 000 000 Дж, ГигаДжоуль [ГДж] = 1 000 000 000 Дж. и пр. Эта единица измерения тепловой энергии является основной международной единицей и наиболее часто используется при проведении научных и научно-технических расчётов.

Однако, все из нас знают или хотя бы раз слышали и другую единицу измерения количества теплоты (или просто тепла) это калория, а также килокалория, Мегакалория и Гигакалория, что означают приставки кило, Гига и Мега, смотреть пример с Джоулями выше. В нашей стране исторически сложилось так, что при расчёте тарифов за отопление,  будь то отопление электроэнергией, газовыми или пеллетными котлами принято считать стоимость именно одной Гигакалории тепловой энергии.

Так что же такое Гигакалория, килоВатт, килоВатт*час или килоВатт/час и Джоули и как они связаны между собой?, вы узнаете в этой статье.

Итак, основная единица тепловой энергии это, как уже было сказано, Джоуль. Но прежде чем говорить об единицах измерения необходимо в принципе на бытовом уровне разъяснить что такое тепловая энергия и как и для чего её измерять.

Всем нам с детства известно, чтобы согреться (получить тепловую энергию) нужно что-то поджечь, поэтому все мы жгли костры, традиционное топливо для костра – это дрова.  Таким образом, очевидно, при горении топлива (любого: дрова, уголь, пеллеты, природный газ, солярка) выделяется тепловая энергия (тепло).  Но, чтобы нагреть, к примеру, различные объёмы воды требуется разное количество дров (или иного топлива). Ясно, что для нагрева двух литров воды достаточно нескольких пален в костре, а чтобы приготовить полведра супа на весь лагерь, нужно запастись несколькими вязанками дров. Чтобы не измерять такие строгие технические величины, как количество теплоты и теплота сгорания топлива вязанками дров и вёдрами с супом, теплотехники решили внести ясность и порядок и договорились выдумать единицу количества теплоты. Чтобы эта единица была везде одинаковая её определили так: для нагрева одного килограмма воды на один градус при нормальных условиях (атмосферном давлении) требуется 4 190 калорий, или 4,19 килокалории, следовательно, чтобы нагреть один грамм воды будет достаточно в тысячу раз меньше теплоты – 4,19 калории.

Калория связана с международной единицей тепловой энергии – Джоулем следующим соотношением:

1 калория = 4,19 Джоуля.

Таким образом, для нагрева 1 грамма воды на один градус потребуется 4,19 Джоуля тепловой энергии, а для нагрева одного килограмма воды 4 190 Джоулей тепла.

В технике, наряду с единицей измерения тепловой (и всякой другой) энергии существует единица мощности и, в соответствии с международной системой (СИ) это Ватт. Понятие мощности также применимо и к нагревательным приборам. Если нагревательный прибор способен отдать за 1 секунду 1 Джоуль тепловой энергии, то его мощность равна 1 Ватт.  Мощность, это способность прибора производить (создавать) определённое количество энергии (в нашем случае тепловой энергии) в единицу времени. Вернёмся к нашему примеру с водой, чтобы нагреть один килограмм (или один литр, в случае с водой килограмм равен литру) воды на один градус Цельсия (или Кельвина, без разницы) нам потребуется мощность  1 килокалория или 4 190 Дж. тепловой энергии. Чтобы нагреть один килограмм воды за 1 секунду времени на 1 грдус нам нужен прибор следующей мощности:

4190 Дж./1 с. = 4 190 Вт. или 4,19 кВт.

Если мы хотим нагреть наш килограмм воды на 25 градусов за ту же секунду, то нам потребуется мощность в двадцать пять раз больше т.е.

4,19*25 =104,75 кВт.

Таким образом, можно сделать вывод, что пеллетный котёл мощностью 104,75 кВт. нагревает 1 литр воды на 25 градусов за одну секунду.

Раз мы добрались до Ватт и килоВатт, следует и о них словечко замолвить. Как уже было сказано Ватт – это единица мощности, в том числе и тепловой мощности котла, но ведь кроме пеллетных котлов и газовых котлов человечеству знакомы и электрокотлы, мощность которых измеряется, разумеется, в тех же килоВаттах и потребляют они не пеллеты и не газ, а электроэнергию,  количество которой измеряется в килоВатт часах. Правильное написание единицы энергии килоВатт*час (именно, килоВатт умножить на час, а не разделить), запись кВт/час – является ошибкой!

В электрокотлах электрическая энергия преобразуется в тепловую (так называемое, Джоулево тепло), и , если котёл потребил 1 кВт*час электроэнергии, то сколько же он выработал тепла? Чтобы ответить на это простой вопрос, нужно выполнить простой расчёт.

Преобразуем килоВатты  в  килоДжоули/секунды (килоДжоуль в секунду), а часы в секунды: в одном часе 3 600 секунд, получим:

1 кВт*час =[ 1 кДж/с]*3600 c.=1 000 Дж *3600 с = 3 600 000 Джоулей или 3,6 МДж.

Итак,

1 кВт*час = 3,6 МДж.

В свою очередь, 3,6 МДж/4,19 = 0,859 Мкал = 859 ккал = 859 000 кал. Энергии (тепловой).

Теперь перейдём к Гигакалории, цену которой на различных видах топлива любят считать теплотехники.

1 Гкал = 1 000 000 000 кал.

1 000 000 000 кал. = 4,19*1 000 000 000 = 4 190 000 000 Дж.= 4 190 МДж. = 4,19 ГДж.

Или зная, что 1 кВт*час = 3,6 МДж пересчитаем 1 Гигакалорию на килоВатт*часы:

1 Гкал =  4190 МДж/3,6 МДж = 1 163 кВт*часов!

Если прочитав данную статью вы решили, проконсультироваться со специалистом нашей компании по любому вопросу, связанному с теплоснабжением, то вам Сюда!

Тепловая энергия единицы измерения и применение

Тепловая энергия — это система измерения теплоты, которая была изобретена и используется еще два столетия назад. Основным правилом работы с данной величиной было то, что тепловая энергия сохраняется и не может просто исчезнуть, но может перейти в другой вид энергии.

Существует несколько общепринятых единиц измерения тепловой энергии. В основном их используют в промышленных отраслях, таких как энергетика. Внизу описаны самые распространенные из них:

• Калория — единица измерения, не входящая в общую систему, но часто использующаяся для сравнения с другими параметрами. В основном исчисления производят в килокал, Мегакал, Гигакал;
• Тонна пара — одна из специфичных и самых редко используемых величин, с помощью которых измеряют количество энергии тепла в особо больших объемах. Одна единица «тонны пара» равняется количеству пара, который можно получить из 1 тонны воды;
• Джоуль — распространенная единица измерения из СИ, использующаяся для общего обозначения количества энергии в разных ее видах. Основными величинами являются кДж, МДж, ГДж;
• кВт на час (Квт х ч) — основная единица измерения электрической энергии, используемая в частности странами СНГ.

Любая единица измерения, входящая в систему СИ, имеет предназначение в определении суммарного количества того или иного вида энергии, такого как выделения тепла или электроэнергия. Время проведения измерения и количество не влияют на эти величины, почему можно их использовать как для потребляемой, так и для уже потребленной энергии. Кроме того, любая передача и прием, а также потери тоже исчисляются в таких величинах.

Где применяют единицы измерения тепловой энергии

1. Подсчет выработанной энергии пара в котельных за один сезон или год.
2. Определение необходимого количества тепла для проведения нагрева определенного количества воды с конкретным температурным режимом.
3. Полный подсчет количества тепловой энергии, которая служит для обеспечения нагревания горячей воды, отопительных сооружений и вентиляции помещений.
4. В некоторых вариантах величину тепловой энергии используют для измерения объема природного газа. В таком случае учитывается способность определенного количества вещества производить тепло при сжигании.
5. В катальнях зачастую используют данную величину для определения показателя используемой электроэнергии в отопительных сезонах.

Единицы измерения энергии, переведенные в тепловую

Для наглядного примера ниже приведены сравнения различных популярных показателей СИ с тепловой энергией:

• 1 ГДж равен 0,24 Гкал, что в электрическом эквиваленте равняется 3400 миллионов кВт на час. В эквиваленте тепловой энергии 1 ГДж = 0,44 тонны пара;
• В то же время 1 Гкал = 4,1868 ГДж = 16000 млн. кВт на час = 1,9 тонн пара;
• 1 тонна пара равняется 2,3 ГДж = 0,6 Гкал = 8200 кВт на час.

В данном примере приводимая величина пара принята за испарение воды при достижении 100°С.

Чтобы провести расчеты количества тепла, используется следующий принцип: для получения данных о количестве тепла его используют в нагревании жидкости, после чего масса воды умножается на пророщенную температуру. Если в СИ масса жидкости измеряется килограммами, а температурные перепады в градусах Цельсия, то результатом таких расчетов будет количество теплоты в килокалориях.

Если есть необходимость в передаче тепловой энергии от одного физического тела другому, и вы хотите узнать возможные потери, то стоит массу получаемого тепла вещества умножить на температуру повышения, а после узнать произведение получаемого значения на «удельную теплоемкость» вещества.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Единицы измерения температуры и количества тепла

Основной единицей измерения температуры был градус Международной температурной шкалы, практически соответствующий градусу Цельсия. Эта величина равна 1/100 температурного интервала между 0 и 100 °С, т. е. между температурами плавления льда и кипения воды при давлении 760 мм рт. ст.

Абсолютной температурой называется температура, отсчитываемая от абсолютного нуля, т. е. от –273,16 °С, и измеряемая в градусах Кельвина (°К).

Градус Кельвина по величине не отличается от градуса Цельсия. Поэтому абсолютная температура выражается в градусах стоградусной шкалы следующим образом:

Т, °К = t, °С + 273,16

В системе СИ единицей измерения температуры установлен градус Кельвина.

Допускается для выражения практических результатов измерений температуры применение градуса Цельсия наряду с градусом Кельвина, в зависимости от начала отсчета (положения нуля) по шкале.

Пример: 250±5 °С = 523,16±5 °К.

В системе СИ работа, энергия и количество теплоты измеряются в джоулях (Дж). Иногда применяют более крупную и удобную для практических целей единицу — килоджоуль (кДж), равный 1000 Дж. За единицу работы в СИ принимают работу, совершаемую силой в 1 Н на перемещении в 1 м. Энергия — физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело.

В качестве внесистемных тепловых единиц допускается применение калории и килокалории. Калория — это количество тепла, необходимого для нагрева 1 г воды на 1 °С (от 19,5 до 20,5 °С).

1 кал (калория) = 4,1868 Дж;

1 ккал (килокалория) = 1000 кал = 4186,8 Дж = 4,187 кДж;

1 Мкал (мегакалория) = 106 кал = 4,1868 МДж;

1 Гкал (гигакалория) = 109 кал = 4186,8 МДж.

Для сравнения при оценке топлива применяется так называемое условное тепло, теплота сгорания которого для расчета принимается условно равной 7 Мкал/кг или 7 Гкал/т. В таких случаях говорят соответственно об 1 кг или 1 т условного топлива (т. у. т.).

Единицы тепла

Количество тепла

Большая калория (килограмм-калория) есть количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воды при 15° на 1° С.

Практически большая калория = средней калории = 1/10 количества тепла, неодля нагревания 1 кг воды от 0° до 100° С.

Малая калория (грамм-калория) есть количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1° С., т. е. 1/1000 большой калории.

Английская тепловая единица (British Thermal Unit, В. Т. U.) есть количество тепла, необходимое для нагревания 1 англ. фунта воды на 1° Фаренгейта.
1 В. Т. U. = 0,2520 больш. калории.

Во французской системе М — Т — S единицей количества тепла служит термин — количество тепла, необходимое для нагревания 1 тонны воды при 15° на 1° С.

В этой системе большая калория называется миллитермией, малая калория — микротермией.

В холодильной технике для измерения количества теряемого тепла применяется фригория, равная по абсолютной величине большой калории.

Теплота и работа эквивалентны. Значение одной единицы количества тепла в единицах работы называется механическим эквивалентом тепла. Значение одной единицы работы в тепловых единицах называется калорическим эквивалентом работы.

1 б. кал. = 4,186•10¹⁰ эргов = 426,9 килограммометрам = 4184 международн. джоулям = 3,968 В. Т. U.

1 англ. тепловая единица (В. Т. U.) = 0,2520 б. кал. = 778 фунто-футам (анг.) = 107,6 килограммометрам

Теплоемкость

Под теплоемкостью с данного вещества подразумевается число калорий, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1° С.

Для нагревания g кг вещества, имеющего теплоемкость с, на t градусов, требуется g. с. t калорий

Теплоемкость различных веществ при 15° С

Теплоемкость не постоянна: с увеличением температуры она немного возрастает для всех тел, кроме ртути, для которой она убывает

Изменение состояния тел с температурой

Точки плавления и отвердевания различных тел при нормальном атмосферном давлении

Точки плавления конусов 3егера

Керамические материалы и изделия, точка плавления которых соответствует № 26 и выше, называются огнеупорными

Точка кипения разных веществ при атмосферном давлении

Скрытая теплота плавления

Скрытая теплота плавления какого-либо вещества есть число больших калорий, затрачиваемое для превращения 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое без повышения температуры. То же самое количество тепла освобождается при отвердевании расплавленного вещества

Скрытые теплоты плавления различных веществ

Скрытая теплота кипения

Скрытая теплота кипения жидкости есть число больших калорий, затрачиваемое на превращение 1 кг жидкости при постоянном внешнем давлении в пар той же температуры. Такое же количество тепла освобождается при конденсации пара. Скрытая теплота кипения зависит от температуры

Скрытая теплота при температуре кипения

Расширение тел от теплоты

Коэффициент линейного расширения α есть увеличение длины тела при увеличении температуры на 1° С и при первоначальной длине, равной 1.

Коэффициент объемного расширения = 3α для твердых однородных тел. Для всех газов при постоянном давлении расширение на 1° повышения температуры составляет почти одинаково 1/273 = 0,00366 первоначального объема

Коэффициент линейного расширения на 1°С

Железо и сталь имеют почти одинаковое расширение.

Коэффициент расширения в среднем равен между 0° и 100° 11,5 • 10^-6 • t, при более высоких температурах 11,5 • 10^-6 + 0,08 • 10^-6 • t (t повышение температуры в градусах).

Литая сталь в закаленном состоянии обладает большим коэффициентом расширения до 0,000014, который, однако, при отпуске приходит к нормальной величине. У чугуна коэффициент расширения падает до 9 • 10^-6

Усадка

При затвердевании и остывании размеры металлов изменяются. Возникающие натяжения, вызываемые неравномерным охлаждением и неодинаковым распределением материала, увеличивают или уменьшают размеры с одной или другой стороны отливки

Примеры расчета усадки

Чугунный стержень длиной в 2,50 м усаживается на 2,5 х 1,04 см = 2,6 см.

Предмет из бронзы, модель которого имеет объем 300 см³ = 0,000300 м³, получит объем 300 см³ — 0,000300 . 47610 см³ = 300 см³ — 14,28 см³ = 285,72 см³.

В прокатных цехах считают усадку стали ок. 12 мм/м

В вашем браузере отключен Javascript.
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!

ТЕПЛОТА — это… Что такое ТЕПЛОТА?

где q — тепловой поток, k — коэффициент теплопроводности, а A — площадь поперечного сечения. Это соотношение называется законом теплопроводности Фурье; знак «минус» в нем указывает на то, что теплота передается в направлении, обратном градиенту температуры. Из закона Фурье следует, что тепловой поток можно понизить, уменьшив одну из величин — коэффициент теплопроводности, площадь или градиент температуры. Для здания в зимних условиях последние величины практически постоянны, а поэтому для поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшать теплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию. В таблице представлены коэффициенты теплопроводности некоторых веществ и материалов. Из таблицы видно, что одни металлы проводят тепло гораздо лучше других, но все они являются значительно лучшими проводниками тепла, чем воздух и пористые материалы.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ
Вещества и материалы Теплопроводность, Вт/(м? К)
Металлы

Алюминий ___________________205
Бронза _____________________105
Висмут _______________________8,4
Вольфрам ___________________159
Железо ______________________67
Золото _____________________287
Кадмий ______________________96
Магний _____________________155
Медь _______________________389
Мышьяк _____________________188
Никель ______________________58
Платина _____________________70
Ртуть ________________________7
Свинец ______________________35
Цинк _______________________113

Другие материалы

Асбест _______________________0,08
Бетон ________________________0,59
Воздух _______________________0,024
Гагачий пух (неплотный) ______0,008
Дерево (орех) ________________0,209
Магнезия (MgO) _______________0,10
Опилки _______________________0,059
Резина (губчатая) ____________0,038
Слюда ________________________0,42
Стекло _______________________0,75
Углерод (графит) ____________15,6

Теплопроводность металлов обусловлена колебаниями кристаллической решетки и движением большого числа свободных электронов (называемых иногда электронным газом). Движение электронов ответственно и за электропроводность металлов, а потому неудивительно, что хорошие проводники тепла (например, серебро или медь) являются также хорошими проводниками электричества. Тепловое и электрическое сопротивление многих веществ резко уменьшается при понижении температуры ниже температуры жидкого гелия (1,8 K). Это явление, называемое сверхпроводимостью, используется для повышения эффективности работы многих устройств — от приборов микроэлектроники до линий электропередачи и больших электромагнитов.
См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.
Конвекция. Как мы уже говорили, 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). Данное явление называется конвекцией. Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую, нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха. Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости и среды; очень важны также размер и форма нагревателя. Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона q = hA (TW — TҐ), где q — тепловой поток (измеряемый в ваттах), A — площадь поверхности источника тепла (в м2), TW и TҐ — температуры источника и его окружения (в кельвинах). Коэффициент конвективного теплопереноса h зависит от свойств среды, начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в единицах Вт/(м2*К). Величина h неодинакова для случаев, когда воздух вокруг нагревателя неподвижен (свободная конвекция) и когда тот же нагреватель находится в воздушном потоке (вынужденная конвекция). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент h можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается. Турбулентность — это сложное движение жидкости (газа), хаотичное в масштабах, существенно превышающих молекулярные. Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную среду или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой. Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса. Конвекцию необходимо учитывать при проектировании теплообменников, систем кондиционирования воздуха, высокоскоростных летательных аппаратов и многих других устройств. Во всех подобных системах одновременно с конвекцией имеет место теплопроводность, причем как между твердыми телами, так и в окружающей их среде. При повышенных температурах существенную роль может играть и лучистый теплообмен.
Лучистый теплообмен. 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. Другие его виды — радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения — возникают в отсутствие разности температур. На рис. 8 представлена зависимость энергии теплового (инфракрасного) излучения от длины волны. Тепловое излучение может сопровождаться испусканием видимого света, но его энергия мала по сравнению с энергией излучения невидимой части спектра.

Рис. 8. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ теплового излучения по длинам волн при двух разных температурах.
Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры и подчиняется закону Стефана — Больцмана

где, как и ранее, q — тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт), A — площадь поверхности излучающего тела (в м2), а T1 и T2 — температуры (в кельвинах) излучающего тела и окружения, поглощающего это излучение. Коэффициент s называется постоянной Стефана — Больцмана и равен (5,66961 ± 0,00096)*10-8 Вт/(м2 * К4). Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального излучателя — так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают сравнительно слабо. Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных «серых» тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана — Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной способностью. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать 0,98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0,05. Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка для зеркального. Жилые и офисные помещения часто обогревают небольшими электрическими теплоизлучателями; красноватое свечение их спиралей — это видимое тепловое излучение, близкое к границе инфракрасной части спектра. Помещение же обогревается теплотой, которую несет в основном невидимая, инфракрасная часть излучения. В приборах ночного видения применяются источник теплового излучения и приемник, чувствительный к ИК-излучению, позволяющий видеть в темноте. Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год за годом станциями, расположенными во многих точках земного шара, составляет примерно 1,37 Вт/м2. Солнечная энергия — источник жизни на Земле. Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для бытовых нужд. РОЛЬ ТЕПЛОТЫ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
Глобальные процессы теплообмена не сводятся к нагреванию Земли солнечным излучением. Массивными конвекционными потоками в атмосфере определяются суточные изменения погодных условий на всем земном шаре. Перепады температуры в атмосфере между экваториальными и полярными областями совместно с кориолисовыми силами, обусловленными вращением Земли, приводят к появлению непрерывно изменяющихся конвекционных потоков, таких, как пассаты, струйные течения, а также теплые и холодные фронты.
См. также
КЛИМАТ;
МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ. Перенос тепла (за счет теплопроводности) от расплавленного ядра Земли к ее поверхности приводит к извержению вулканов и появлению гейзеров. В некоторых регионах геотермальная энергия используется для обогрева помещений и выработки электроэнергии. Теплота — непременный участник почти всех производственных процессов. Упомянем такие наиболее важные из них, как выплавка и обработка металлов, работа двигателей, производство пищевых продуктов, химический синтез, переработка нефти, изготовление самых разных предметов — от кирпичей и посуды до автомобилей и электронных устройств. Многие промышленные производства и транспорт, а также теплоэлектростанции не могли бы работать без тепловых машин — устройств, преобразующих 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, в которой реализуется часть цикла Ранкина, используемого на современных электростанциях. Упрощенная схема этого цикла представлена на рис. 9. 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, не использованной в цикле Ранкина. 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.

Рис. 9. УПРОЩЕННАЯ СХЕМА РАБОЧЕГО ЦИКЛА паротурбинной электростанции, работающей на ископаемом топливе.
Все процессы в цикле Ранкина иллюстрируют описанные выше начала термодинамики. В частности, согласно второму началу, часть энергии, потребляемой электростанцией, должно рассеиваться в окружающей среде в виде теплоты. Оказывается, что таким образом теряется примерно 68% энергии, первоначально содержавшейся в ископаемом топливе. Заметного повышения КПД электростанции можно было бы достигнуть, лишь повысив температуру парового котла (которая лимитируется жаропрочностью материалов) или понизив температуру среды, куда уходит тепло, т.е. атмосферы. Другой термодинамический цикл, имеющий большое значение в нашей повседневной жизни, — это парокомпрессорный холодильный цикл Ранкина, схема которого представлена на рис. 10. 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.

Рис. 10. УПРОЩЕННАЯ СХЕМА ХОЛОДИЛЬНОГО ЦИКЛА.
Холодильный цикл, представленный на рис. 10, можно использовать и в тепловом насосе. Такие тепловые насосы летом отдают тепло горячему атмосферному воздуху и кондиционируют помещение, а зимой, наоборот, отбирают тепло у холодного воздуха и обогревают помещение. Важным источником теплоты для таких целей, как производство электроэнергии и транспортные перевозки, служат ядерные реакции. В 1905 А.Эйнштейн показал, что масса и энергия связаны соотношением E = mc2, т.е. могут переходить друг в друга. Скорость света c очень велика: 300 тыс. км/с. Это означает, что даже малое количество вещества может дать огромное количество энергии. Так, из 1 кг делящегося вещества (например, урана) теоретически можно получить энергию, которую за 1000 суток непрерывной работы дает электростанция мощностью 1 МВт. См. также
АТОМА СТРОЕНИЕ;
ПЕЧЕЙ И ТОПОК ТЕХНОЛОГИЯ;
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ;
ТЕПЛООБМЕННИК;
ТУРБИНА;
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.
ЛИТЕРАТУРА
Земанский М. Температуры очень высокие и очень низкие. М., 1968 Поль Р. Механика, акустика и учение о теплоте. М., 1971 Смородинский Я.А. Температура. М., 1981 Фен Дж. Машины, энергия и энтропия. М., 1986 Эткинс П.В. Порядок и беспорядок в природе. М., 1987

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество.
2000.

Синонимы:

• ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
• ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Смотреть что такое «ТЕПЛОТА» в других словарях:

• теплота́ — теплота, ы …   Русское словесное ударение

• ТЕПЛОТА — ТЕПЛОТА, теплоты, мн. нет, жен. 1. отвлеч. сущ. к теплый в 1 знач. Теплота тела. Теплота воздуха. || Исходящее от чего нибудь тепло (см. тепло1 во 2 знач.). «Оно (солнце) своею теплотой огромные дубы и недра согревает.» Крылов. 2. перен. Доброе,… …   Толковый словарь Ушакова

• теплота — ы; ж. 1. к Тёплый. Т. солнца, воды, воздуха. Т. дня. Т. рук. Т. шубы. Т. дома. Т. встречи. Т. души, взгляда, сердца. Любить теплоту. 2. = Тепло (1 2, 5 зн.). Лучистая т. Присутствие, наличие теплоты. Единицы измерения теплоты. Превращение… …   Энциклопедический словарь

• ТЕПЛОТА — (1) энергетическая характеристика процесса теплообмена, при котором рассматриваемое тело получает (отдает) энергию. Т. в отличие от внутренней энергии является функцией процесса, а не состояния. Её количественной мерой служит количество теплоты… …   Большая политехническая энциклопедия

• Теплота — один из двух, известных современному естествознанию, способов передачи энергии мера передачи неупорядоченного движения. Количество переданной энергии называют количеством теплоты. В узком смысле о теплоте можно говорить как об энергии,… …   Википедия

• ТЕПЛОТА — (количество теплоты) энергетическая характеристика процесса теплообмена, определяется количеством энергии, которое получает (отдает) тело (физическая система) в процессе теплообмена. Теплота функция процесса: количество сообщенной телу теплоты… …   Большой Энциклопедический словарь

• Теплота — ж. 1. Форма движения материи, представляющая собою беспорядочное движение образующих тело микрочастиц (молекул, атомов, электронов и т.п.). отт. Энергия, создаваемая таким движением; теплота 1.. 2. Нагретое состояние кого либо или чего либо;… …   Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

• ТЕПЛОТА — ТЕПЛОТА, ы, жен. 1. см. теплый. 2. Форма движения материи беспорядочное движение частиц тела; энергетическая характеристика теплообмена, определяющаяся количеством энергии, к рое получает нагреваемое тело (отдает охлаждаемое тело) (спец.). Т.… …   Толковый словарь Ожегова

• теплота — приветливость, мягкость, жар, тепло, нежность, ласковость, ласка Словарь русских синонимов. теплота сущ., кол во синонимов: 9 • жар (39) • ласка …   Словарь синонимов

• ТЕПЛОТА — ТЕПЛОТА. Непосредственное ощущение позволяет различать холодные тела от теплых. Более точно можно определить состояние тела, используя изменения, которые испытывают вещества при действии теплоты: можно использовать расширение тел в зависимости от …   Большая медицинская энциклопедия

• теплота — процесса; теплота Энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии, зависящая только от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому. Энергия, передаваемая более нагретым телом менее нагретому,… …   Политехнический терминологический толковый словарь

Теплота представляет собой один из способов передачи энергии

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.

Теплота и способы ее передачи — Студопедия

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 ⁰С) на каждый м² стен топки падает тепловой поток величиной в 100 – 300 кВт. Чтобы создать такой лучистый поток нужно на одном м² 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 м³, а воздуха при 0⁰ С – 1,29 кг на м³. Плотность пористых материалов занимает промежуточное положение и для красного кирпича она равна 2000 кг на м³, а для минеральной ваты –100 кг на м³. 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/ м³. 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 ⁰С, на выходе 70 ⁰С, а температура воздуха 18 ⁰С, то с 1 м². 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/м³ град;

V— расход воды в кг/ч или воздуха в м³/ч;

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

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 ⁰С 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 ⁰С, 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/м².Связь между единицами измерения давления в указанных системах следующая:

10 м вод. ст. = 1 кгс / см ² = 10³ 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 = 10⁶ 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 ⁰С. 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 ⁰С, а при давлении 0,03 МПа (0,3 кгс/см²) – 70 ⁰С.

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 ⁰С давление, предотвращающее вскипание воды, должно быть более 0,5 МПа (более 5 кгс/см² или 50 м вод. ст)., а при 115 ⁰С – более 0,17 МПа (более 1,7 кгс/см² или 17 м вод.) Здесь 0,5 МПа и 0,17 МПа величины давления насыщения при температурах 150 и 115 ⁰С, 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 ⁰С должно быть больше расчетного не менее, чем на 0,05 МПа (0,5 кгс / см² 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 / см² или 5 м вод.ст.).

В чем измеряется удельная теплоемкость?

Химия

Наука

• Анатомия и физиология

• Астрономия

• Астрофизика

• Биология

• Химия

• наука о планете Земля

• Наука об окружающей среде

• Органическая химия

• Физика

.

тепла — Студенты | Britannica Kids

Введение

Александр Лоури / Фотоисследователи

В физике тепло — это энергия, которая передается от одного тела к другому из-за разницы температур. Жара так хорошо известна с самого раннего детства, что мы почти не задумываемся о ней. Дымящаяся тарелка супа, активный радиатор и сауна кажутся горячими, книга и плитка шоколада при комнатной температуре кажутся менее горячими, а кубик льда кажется холодным.В повседневной речи принято говорить, что у супа больше тепла, чем у книги, а у кубика льда меньше тепла, чем у плитки шоколада. Однако люди часто используют слово тепло , когда на самом деле они имеют в виду температуру или тип энергии, называемый тепловой энергией.

Что такое тепло?

Температура — это мера тепла или холода. Если соединить два объекта с разными температурами, энергия передается, то есть потоки тепла, от более горячего объекта к более холодному.Радиатор излучает тепло, нагревая прохладный воздух вокруг него. Если человек держит неупакованную плитку шоколада, его или ее руки передают тепло шоколаду, в конечном итоге расплавляя его. Неверно говорить о тепле в самом объекте, потому что тепло ограничивается передачей энергии. Энергия, которая сохраняется в объекте из-за его температуры, называется тепловой энергией.

Дон Сметцер / Стоун

Поначалу может быть трудно понять разницу между теплом, температурой и тепловой энергией.Чтобы лучше понять эти три взаимосвязанные концепции, полезно знать, что на самом деле делает вещи горячими или холодными. Тепло, температура и тепловая энергия связаны с микроскопическими движениями вещества. Эти движения объясняются так называемой кинетической теорией материи.

Molecules in Motion

Encyclopædia Britannica, Inc.

Все

Материя, будь то твердое тело, жидкость или газ, состоит из крошечных частиц, таких как молекулы и атомы. Эти частицы постоянно находятся в движении — перемещаются, колеблются или беспорядочно вращаются во всех направлениях.Одна из множества различных форм энергии — это энергия, которой что-то обладает из-за своего движения. Этот вид энергии называется кинетической энергией. Кинетическая энергия частиц вещества является основой температуры, тепловой энергии и тепла.

Интерактивная

Encyclopædia Britannica, Inc. / Кенни Хмелевски

Температура — это мера того, насколько быстро в среднем движутся частицы в каком-либо предмете. Например, при приготовлении тарелки супа в микроволновой печи температура супа повышается за счет ускорения среднего движения его молекул.Молекулы в горячем супе в целом перемещаются быстрее, чем до того, как суп был нагрет. И наоборот, молекулы в кубике льда движутся медленнее.

Таким образом, температура является мерой интенсивности. Это не зависит от количества рассматриваемого вещества. Ледяная крошка и кусок льда будут иметь одинаковую температуру, если средняя скорость их частиц одинакова.

С другой стороны, тепловая энергия представляет собой общее количество кинетической энергии молекул объекта и других частиц.Горячая тарелка супа обладает большей тепловой энергией, чем холодная тарелка супа, потому что общее количество движущихся в ней частиц больше. Однако горячая тарелка супа обладает большей тепловой энергией, чем чашка супа при той же температуре. Точно так же айсберг имеет гораздо больше тепловой энергии, чем раскаленная миска супа. Айсберг настолько больше, чем тарелка супа, что сумма движений всех его частиц больше, чем у супа. Это правда, даже если у супа более высокая температура.Температура — это мера общей скорости движения частиц; тепловая энергия — это мера общей энергии, которую частицы имеют в результате своего движения.

Тепловая энергия представляет собой количество тепла, которое что-то потенциально может испустить. Тепло — это передача тепловой энергии от более горячего вещества к более холодному. Передача тепла веществу обычно повышает его температуру.

Практически во всех случаях объем вещества увеличивается при повышении температуры.В газах увеличение очень велико. Когда молекулы, составляющие газ, начинают ускоряться, они также начинают распространяться. Если давление и вес газа останутся прежними, увеличение объема будет прямо пропорционально повышению температуры.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Передача тепла твердому телу также вызывает его расширение, но в гораздо меньшей степени, чем газ. В металлическом стержне каждая единица длины стержня увеличивается при расширении. Жидкости в целом ведут себя как твердые тела и слегка расширяются при повышении температуры.

Верно и обратное. Когда объект излучает тепло и его температура падает, он сжимается.

Достижение баланса

Encyclopædia Britannica, Inc.

Если горячую кочергу погрузить в холодную воду, кочерга станет прохладнее, а вода станет теплее. Это означает, что горячее тело отдает часть своего тепла холодному телу. Молекулы в воде ускоряются, и вода получает энергию; в то же время игроки в кочергу замедляются, и кочерга теряет энергию.Теплообмен будет продолжаться до тех пор, пока температура воды и кочерги не станет одинаковой. Такой баланс температур известен как тепловое равновесие. Точно так же, если металлическую ложку комнатной температуры поместить в чашку горячего чая, чай будет передавать тепло ложке, повышая температуру ложки, в то время как его собственная температура снижается. Чай будет продолжать передавать тепло, пока не достигнет температуры ложки. Таким образом, температура объекта определяет, течет ли тепло от него или к нему, когда он контактирует с другим объектом с другой температурой.

Тепло всегда естественно перетекает от более горячего вещества к более холодному; он никогда не может спонтанно перетекать от более холодного объекта к более горячему. Если бы в фильме было показано, что стакан теплой воды сам по себе превращается в стакан с горячей водой со льдом, плавающим наверху, сразу стало бы очевидно, что фильм движется в обратном направлении.

Когда более горячее вещество передает тепло более холодному, обычно повышается температура более холодного вещества. Чаще всего, но не всегда.Вещество может поглощать тепло без повышения температуры, переходя из одного физического состояния или фазы — твердого, жидкого или газообразного — в другое. Например, твердое вещество может превратиться в жидкость в результате плавления или непосредственно в газ в результате процесса, известного как сублимация. Точно так же жидкость может превратиться в газ при кипении.

В таких случаях теплопередача заставляет частицы вещества перестраиваться, а не ускоряться. Увеличенная энергия используется для преодоления сил, удерживающих вместе атомы или молекулы в материале.Частицы в твердом теле связаны вместе более плотно, чем, например, в жидкости. Если кубик льда (твердая вода) поставить на столешницу, тепло от окружающего воздуха передается льду. Пока лед тает, теплопередача не меняет температуру льда. Вместо этого тепло заставляет молекулы расширяться, превращая лед в жидкость. Тающий лед остается при 32 ° F (0 ° C), а образующаяся жидкая вода также имеет температуру 32 ° F. После таяния льда температура жидкой воды начинает повышаться.

Количество энергии, поглощаемой или выделяемой веществом во время фазового перехода, известно как скрытая теплота. Эта передача энергии происходит без изменения температуры. Передача энергии, вызывающая изменение температуры, но не изменение фазы, называется явным теплом.

Измерение температуры

Температура выражается в градусах по произвольной шкале. Обычно используются три таких шкалы: Фаренгейта, Цельсия и Кельвина.

Температурные шкалы

Для точного измерения температуры необходимо разработать и изготовить шкалу термометра.Существует два типа шкалы термометра: одна основана на двух фиксированных точках, а другая называется шкалой абсолютной температуры.

Фаренгейта и Цельсия

В шкале температур одного типа выбираются два природных явления, каждое из которых всегда происходит при одной и той же температуре. Точка замерзания воды и точка кипения воды являются двумя такими фиксированными точками. Их легко воспроизвести. Затем каждой из этих фиксированных точек произвольно присваивается число, обозначающее температуру.Наконец, интервал между этими точками делится на фиксированное количество равных степеней. Минусовая температура считается отрицательной.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Обычно используются две температурные шкалы, основанные на фиксированных точках кипящей и замерзающей воды. Шкала Фаренгейта (° F) используется в США и некоторых других англоязычных странах. Он назначает 32 ° F для точки замерзания воды и 212 ° F для точки кипения воды. Интервал между ними делится на 180 равных градусов.Эта шкала в более ранней форме была изобретена немецким физиком 18 века Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом.

Шкала Цельсия (° C) широко используется для научных измерений. Он также широко используется в большинстве стран мира, в странах, где принята метрическая система. На этой шкале 0 ° C — это точка замерзания воды, а 100 ° C — температура кипения воды. Интервал между ними делится на 100 градусов. Шкала была изобретена в 1742 году шведским астрономом Андерсом Цельсием.Иногда ее также называют шкалой Цельсия.

Кельвина

Encyclopædia Britannica, Inc.

Каждая шкала Цельсия и Фаренгейта имеет соответствующую шкалу абсолютных температур. Многие физические законы и научные формулы можно выразить проще, если использовать шкалу абсолютных температур. В такой шкале ноль градусов равен абсолютному нулю, самой холодной температуре, которая теоретически возможна. При абсолютном нуле частицы вещества имеют минимально возможную энергию.Поскольку абсолютные шкалы устанавливают свою нулевую точку на минимально возможную температуру, они не имеют отрицательных значений.

Абсолютная шкала, основанная на градусах Цельсия, называется шкалой Кельвина (K) в честь британского физика 19 века лорда Кельвина. Шкала Кельвина была принята в качестве международного стандарта для научного измерения температуры. Поскольку абсолютный ноль равен -273,15 ° C по шкале Цельсия, шкала Кельвина по существу представляет собой шкалу Цельсия, сдвинутую на 273,15 градуса. Единицей измерения температуры по шкале Кельвина является кельвин, а по величине он равен градусу Цельсия.Символ градуса не используется со значениями по шкале Кельвина, поэтому точка кипения воды выражается как 373,15 K (а не 373,15 ° K).

Абсолютная шкала, основанная на градусах Фаренгейта, называется шкалой Ренкина. Когда-то он использовался в определенных областях техники в Соединенных Штатах.

Часто бывает необходимо преобразовать температуру по одной шкале в соответствующую температуру по другой. Основные коэффициенты пересчета следующие.

Фаренгейта в Цельсия: ° C = (° F — 32) ÷ 1.8

Цельсия в Фаренгейта: ° F = (° C × 1,8) + 32

Цельсия в Кельвин: K = ° C + 273,15

Термометры

© koya79 / Fotolia

Температура измеряется прибором, называемым термометром. Изобретение термометра приписывают итальянскому математику и физику Галилео. В его инструменте, построенном примерно в 1592 году, изменение температуры перевернутого стеклянного сосуда вызывало расширение или сжатие воздуха внутри него. Это, в свою очередь, изменило уровень жидкости в длинной горловине сосуда с открытым ртом.

Любое вещество, которое так или иначе изменяется при изменении температуры, может использоваться в качестве основного компонента термометра. Газовые термометры лучше всего работают при очень низких температурах. Чаще встречаются жидкостные термометры. Они простые, недорогие, долговечные и способны измерять широкий температурный диапазон.

Жидкость в термометре почти всегда представляет собой ртуть, запечатанную в стеклянной трубке с газообразным азотом, составляющим остальной объем трубки. Если ртуть нагревается, она расширяется, а если охлаждается, она сжимается.Это изменение вызывает заметное повышение или понижение уровня ртути в трубке. Маркировка на внешней стороне трубки указывает соответствующий подъем или падение в градусах в соответствии с температурной шкалой.

Электронные цифровые термометры работают по принципу, согласно которому электрическое сопротивление металла (обычно платины) изменяется с изменениями температуры. Электричество легче проходит через платиновую проволоку, когда температура проволоки снижается. Когда термометр используется, подается напряжение, заставляющее электрический ток течь через платиновую проволоку.Измерение этого тока является показателем сопротивления — и, следовательно, температуры — провода. Компьютерный чип измеряет ток, вычисляет температуру и отображает ее на экране.

Термопары являются одними из наиболее широко используемых промышленных термометров. Они состоят из двух проводов из разных материалов. Провода соединяются с обоих концов и подключаются к прибору для измерения напряжения. Один конец соединенных проводов помещают в место измерения температуры, а другой конец поддерживают при постоянной более низкой температуре.Разница температур между двумя концами создает напряжение, которое можно измерить и преобразовать в меру температуры.

Измерение тепла

Все многочисленные виды энергии, включая тепло, можно преобразовать в работу. По этой причине количество энергии выражается в единицах работы. Для измерения количества тепла, передаваемого во время химической или физической реакции, наиболее часто используемыми единицами измерения являются калория, джоуль и британская тепловая единица.

Удельная теплоемкость

Encyclopædia Britannica, Inc.

В 18 веке шотландский ученый Джозеф Блэк заметил, что равным массам разных веществ требуется разное количество тепла, чтобы повысить их температуру на одинаковую величину. Например, для повышения температуры грамма воды на один градус требуется гораздо больше тепла, чем для повышения температуры грамма ртути на один градус. Из своих наблюдений Блэк основал понятие удельной теплоемкости. Удельная теплоемкость вещества — это количество энергии, необходимое для поднятия единицы массы вещества через определенный температурный интервал, обычно на один градус.Значение теплоемкости сильно различается для разных веществ.

В метрической системе единицей измерения удельной теплоемкости является калория. Он определяется как количество тепла, необходимое для повышения температуры одного грамма воды с 14,5 ° C до 15,5 ° C. Удельная теплоемкость воды установлена ​​на уровне 1.000 калорий на грамм. Все остальные значения основаны на этом устройстве. (Калория, используемая для измерения удельной теплоты, отличается от единицы, используемой в питании. «Калория», используемая для измерения того, сколько энергии тело может получить от пищи, на самом деле является килокалорией, которая равна 1000 калорий.)

Удельная теплоемкость также может быть выражена в джоулях, единицах работы или энергии в Международной системе единиц (СИ). Одна калория равна 4,1855 джоулей.

В английской системе измерений британская тепловая единица (BTU) — это единица теплоемкости. Одна британская тепловая единица — это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного фунта воды с 63 ° F до 64 ° F. Одна BTU равна примерно 252 калориям. При измерении теплосодержания топлива. БТЕ — это единица измерения удельной теплоты, используемой для измерения теплосодержания топлива.

Измерение теплопередачи

В химической или физической реакции количество переданного тепла — это количество тепла, которое поглощается или теряется окружающей средой. Q — это символ количества теплопередачи. При потере тепла Q является положительным числом, и реакция называется экзотермической. Если тепло поглощается, Q является отрицательным числом, и реакция называется эндотермической.

Количество переданного тепла можно измерить с помощью прибора, называемого калориметром.По сути, калориметр состоит из сосуда, помещенного в сосуд большего размера, наполненный жидкостью, например водой. В сосуде меньшего размера происходит реакция. Вода в большом сосуде поглощает тепло реакции и ее температура повышается.

Для измерения теплопередачи масса испытуемого вещества полностью сжигается в меньшей емкости. Затем повышение температуры воды измеряется чувствительным термометром. Поскольку количество воды и повышение температуры известны, количество теплового потока можно рассчитать.Количество переданного тепла ( Q ) равно изменению температуры воды, умноженному на удельную теплоемкость вещества, умноженное на массу вещества.

Как передается тепло

Тепло может передаваться тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. При нагревании здания или котла с водой или в естественных условиях, таких как гроза, теплопередача обычно включает все три процесса.

Проводимость

Encyclopædia Britannica, Inc.

Проводимость передает тепло внутри тела или между двумя соприкасающимися телами. Это поэтапный процесс передачи тепла. Проводимость происходит в твердых телах, жидкостях или газах, которые находятся в состоянии покоя. Энергия течет, но вещество, через которое передается тепло, не течет.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Если одна часть тела нагревается от прямого контакта с источником тепла, соседние части нагреваются последовательно. Таким образом, если металлический стержень помещен в горелку, тепло передается по стержню за счет теплопроводности.Это можно объяснить кинетической теорией вещества. Молекулы стержня увеличивают свою энергию движения. Это большее движение передается по стержню от молекулы к молекуле. Точно так же, если горячий суп налить в миску комнатной температуры, контакт с горячим супом заставляет молекулы миски ускоряться, и миска нагревается.

Проводимость включает передачу энергии между соседними молекулами и другими частицами. Когда частица начинает двигаться или вибрировать более энергично, вероятность столкновения с соседней частицей возрастает.Такое столкновение заставляет соседнюю частицу двигаться сильнее. Он, в свою очередь, с большей вероятностью столкнется с другими частицами. Таким образом, «по линии» передается большее движение. В случае супа, например, быстро движущиеся частицы горячего супа, контактирующие с миской, начинают сталкиваться с внутренней частью миски. Затем частицы внутри чаши начинают двигаться быстрее, таким образом сталкиваясь с частицами, находящимися дальше внутри чаши. Передается тепло, и температура чаши повышается.

Проводимость — обычно относительно медленный процесс. Разница температур между веществами, а также количество и тип материала влияют на скорость теплопередачи. Тепло быстрее течет между веществами с большей разницей температур. Прикосновение к металлическому стержню при температуре 150 ° F (66 ° C) нагревает руки человека намного быстрее, чем прикосновение к стержню, температура которого составляет всего 100 ° F (38 ° C). По мере того как более горячий объект нагревается более холодным, он, как правило, сам становится холоднее. Разница температур между ними уменьшается, и скорость передачи тепла замедляется.

Размер и форма объекта также являются факторами. Тепло передается быстрее через более короткий и тонкий стержень, чем через более длинный и толстый стержень. Это потому, что ему не нужно проходить так далеко в более коротком и тонком стержне. Если миска с супом заполнена наполовину, жидкости потребуется больше времени, чтобы нагреть всю миску, чем если бы миска была наполнена до верха. Чем больше площадь контакта горячего супа с миской, тем быстрее она нагреется.

Из-за своей атомной структуры некоторые материалы гораздо лучше проводят тепло, чем другие.Металлы — особенно хорошие проводники. Если поместить металлическую ложку и деревянную ложку в кастрюлю с томатным соусом, нагретую на плите, ручка металлической ложки нагреется намного быстрее, чем у деревянной. С другой стороны, воздух — плохой проводник тепла. Обычно наименьшую теплопроводность имеют газы, за ними следуют жидкости. Твердые тела — лучшие проводники тепла.

Конвекция

Метод передачи тепла, называемый конвекцией, происходит в жидкостях, то есть жидкостях и газах.Обычно это довольно быстрый процесс. Это зависит от движения нагретого материала. Движение является результатом изменений плотности (массы на единицу объема), сопровождающих процесс нагрева. Вода в чайнике нагревается конвекцией. Горячая печь также нагревает воздух в комнате за счет конвекции.

Когда жидкость нагревается, ее плотность уменьшается. Частицы жидкости ускоряются и разлетаются. Жидкость расширяется, становясь более плавучей. Более теплый объем жидкости будет подниматься, в то время как более холодный и, следовательно, более уплотненный объем жидкости будет опускаться.

В чайнике, нагреваемом над горелкой, вода, контактирующая с горячим дном чайника, нагревается за счет теплопроводности. Однако тепло распространяется по воде за счет конвекции. Вода на дне чайника становится более горячей, более энергичной и менее плотной, чем остальная вода. Струи горячей воды поднимаются вверх, отталкивая более холодную воду из верхней части чайника. Эта более холодная вода опускается на дно, где затем нагревается. Затем эта вода поднимается, и процесс повторяется.Конвекция передает тепло через такие циркуляционные потоки восходящей и нисходящей жидкости.

Этот процесс называется естественной конвекцией. Другой известный пример естественной конвекции — это циркуляция воздуха из печи с горячим воздухом. Когда жидкость или газ перемещаются из одного места в другое под действием некоторой механической силы (а не из-за разницы в плотности), этот процесс известен как вынужденная конвекция. Циркуляция воздуха с помощью электрического вентилятора является примером принудительной конвекции.

Радиация

Кэтлин Меллоан / Стоун

Третий способ передачи тепла из одного места в другое называется излучением.В излучении никакой материальный носитель не передает энергию. Источник тепла и нагретое тело не соприкасаются, и материя не должна перемещаться между ними. Хороший пример — Солнце, излучающее тепло наружу через солнечную систему. Во-первых, нагретая поверхность (например, Солнце) излучает энергию в виде электромагнитного излучения. Это излучение распространяется во всех направлениях со скоростью света. Как и свет, излучение передается волнами через пространство или даже через материалы. Наконец, излучение попадает в тело, где оно поглощается.Увеличивается тепловая энергия тела и повышается его температура. Когда излучение Солнца достигает земли на Земле, земля поглощает энергию, заставляя ее частицы ускоряться. Тепло, передаваемое электромагнитными волнами, известно как лучистая энергия или тепловое излучение. Таким образом, электрический обогреватель передает тепло.

Все тела, горячие или холодные, излучают энергию. Чем горячее тело, тем больше энергии оно излучает. Более того, все тела получают излучение от других тел. Обмен лучистой энергией происходит непрерывно.Таким образом, тело при постоянной температуре не перестает излучать. Он получает энергию с той же скоростью, что и излучает энергию. Его тепловая энергия или температура не меняются.

Предоставлено НИИ газа

Передача тепла излучением не пропорциональна разнице температур между горячими и холодными объектами, как в случае передачи тепла за счет теплопроводности и конвекции. Он пропорционален разнице между четвертыми степенями абсолютных температур (температур по шкале Кельвина) двух объектов.Таким образом, передача тепла посредством излучения намного эффективнее при высоких температурах, чем при низких.

Передача излучения зависит также от природы излучающего объекта и объекта, который поглощает излучение. Объекты, которые хорошо излучают тепловое излучение, также являются хорошими поглотителями. Почерневшая поверхность является прекрасным излучателем и отличным поглотителем. Если одна и та же поверхность посеребрена, она станет плохим излучателем и плохим поглотителем.

Термодинамика

Изучение взаимосвязей между теплом, другими формами энергии, работой и температурой известно как термодинамика.Этот раздел физики занимается передачей энергии из одного места в другое и из одной формы в другую. Ключевое понятие заключается в том, что тепло — это форма энергии, соответствующая определенному количеству механической работы.

Чтобы применить принципы термодинамики, ученые определяют систему, которая в некотором смысле отличается от своего окружения. Например, система может представлять собой образец газа внутри цилиндра с подвижным поршнем, целую паровую машину, марафонца, планету Земля или черную дыру в космосе.В общем, системы могут свободно обмениваться работой, теплом и другими формами энергии со своим окружением. Если система полностью отделена от своего окружения, так что она не может обмениваться ни веществом, ни энергией, она называется изолированной системой. Замкнутая система может обмениваться энергией с окружающей средой, но не материей.

Внутренняя энергия любой системы — это общее количество энергии микроскопических молекул и других частиц в телах, составляющих систему. Он включает тепловую энергию (энергия движения частиц) и энергию, которая удерживает сами частицы вместе.

Законы термодинамики

Основные принципы термодинамики выражены в трех законах. Хотя эти законы просто сформулировать, они имеют далеко идущие последствия.

Первый закон

Первый закон термодинамики утверждает, что общее количество энергии системы плюс ее окружение сохраняется или не изменяется. Энергия может быть преобразована в работу и из одной формы в другую, например, из кинетической энергии в тепловую.Однако количество энергии в системе остается прежним. Это означает, что полная энергия Вселенной остается постоянной. Первый закон выражает закон сохранения энергии, который можно сформулировать как «энергию нельзя ни создать, ни уничтожить».

Согласно первому закону, количество тепла, поступающего в систему, в точности равно любому изменению внутренней энергии системы плюс вся работа, выполняемая системой. Этот закон показывает, что добавление тепла к системе позволяет ей выполнять работу.

Первый закон термодинамики обеспечивает своего рода строгую систему учета энергии, подобную банковскому счету, на котором изменяется баланс как снятием, так и депозитом. Рассмотрим классический пример газа, заключенного в цилиндр с подвижным поршнем. Стенки цилиндра действуют как граница, отделяющая газ внутри от внешнего мира. Подвижный поршень позволяет газу выполнять работу, расширяясь против силы, удерживающей поршень на месте. Если газ перемещает поршень и, таким образом, работает, это похоже на снятие средств с банковского счета, потому что это снижает энергию газа.Часть его энергии была преобразована в работу. Если тепло передается газу из окружающей среды через стенки цилиндра, это добавляет энергии и действует как банковский депозит. Изменение внутренней энергии системы всегда будет равняться отложениям (добавленному теплу) за вычетом отвода (проделанной работы).

Второй закон

Большинство видов энергии можно полностью превратить в работу или другие формы энергии и обратно. Однако тепло принципиально другое. Не все тепло, выделяемое в системе, можно превратить в работу или другую форму энергии, даже в принципе.Это фундаментальное ограничение выражается вторым законом термодинамики.

В двигателе автомобиля, например, горячий газ расширяется и заставляет поршни двигаться. Затем механическая энергия поршней используется для вращения шин и движения автомобиля. Таким образом, двигатель преобразует тепло в механическую энергию и работу. Однако часть тепла просто нагревает двигатель и тратится впустую. Даже если бы все генерируемое тепло было собрано и сохранено каким-либо образом, его невозможно полностью преобразовать обратно в механическую энергию движения.Если бы тепло можно было полностью преобразовать, можно было бы сделать двигатель эффективным на 100%, но, к сожалению, это невозможно.

Следствием второго закона является то, что ни одна изолированная система не может спонтанно стать менее беспорядочной. Тепловая энергия — это наиболее неупорядоченная форма энергии, поскольку она зависит от случайных движений частиц внутри тела. Таким образом, повышение температуры приводит к увеличению степени беспорядка или хаотичности системы. Мера беспорядка в системе называется энтропией.

Третий закон

Третий закон термодинамики гласит, что для системы фактически невозможно достичь абсолютного нуля. Когда температура системы падает, частицы внутри нее замедляются, и их энтропия уменьшается. Все меньше и меньше тепловой энергии передается из системы. Поскольку температура системы приближается к абсолютному нулю, становится все труднее извлекать энергию из системы. В конце концов, это становится теоретически невозможным.

Открытие природы тепла

© duncan1890— DigitalVision Vectors / Getty Images

Природа тепла была основным предметом изучения с самого начала современной науки. Некоторые ранние исследователи, в том числе Галилей, Роберт Бойль и Исаак Ньютон, объясняли тепло как движение крошечных частиц, из которых состоят тела.

Теория калорийности

В 18 веке теория калорийности тепла получила широкое распространение. Согласно этой теории, тепло — это жидкость, которая течет от одного объекта к другому.Идея жидкости для представления тепла помогла объяснить многие, но не все аспекты тепловых явлений. Хотя сейчас известно, что тепло не является материальной субстанцией, теория калорийности явилась шагом к нынешней концепции энергии, то есть, что энергия остается постоянной посредством многих физических процессов и преобразований.

© Photos.com/Jupiterimages © Archivist / Fotolia.com

Шотландский ученый 18-го века Джозеф Блэк отличил тепло от температуры. И Блэк, и выдающийся французский химик Антуан-Лоран Лавуазье подчеркивали, что изменение тепла можно измерить.Лавуазье разработал теории, которые помогли объяснить связь между теплотой и химическими реакциями. Однако его теории по-прежнему основывались на идее, что тепло — это жидкость.

Теория калорийности оставалась влиятельной до середины 19 века. К тому времени многие виды экспериментов заставили признать, что тепло — это форма передачи энергии.

Кинетическая теория и развитие термодинамики

В 1798 году Бенджамин Томпсон (граф фон Румфорд), британский физик и военный инженер американского происхождения, возродил кинетическую теорию тепла (которая в настоящее время принята).Как мы видели, эта теория объясняет тепло в терминах кинетической энергии частиц, составляющих материю. Томпсон заинтересовался этим предметом, заметив, что очень высокие температуры образуются, когда внутренняя часть пушки просверливается или высверливается. Он отметил, что количество выделяемого тепла пропорционально работе, проделанной при токарной обработке тупого расточного инструмента. Томпсон решил, что тепло — это не материальная жидкость, а перенос энергии. Его наблюдение пропорциональности между выделяемым теплом и проделанной работой лежит в основе термодинамики.

Примерно сорок лет спустя британский физик Джеймс П. Джоуль показал, что различные формы энергии — механическая, электрическая и тепловая — в основном одинаковы и могут быть преобразованы друг в друга. Он пришел к выводу, что объем работы, необходимый для осуществления любого данного обмена энергией, не зависит от вида выполняемой работы, скорости работы или метода ее выполнения. Следовательно, в изолированной системе работа может быть преобразована в тепло в соотношении один к одному. Таким образом, Джоуль сформулировал основу первого закона термодинамики.

Historia-Photo Historia-Photo Предоставлено Йельским университетом

Термодинамика быстро развивалась в 19 веке в ответ на необходимость улучшения характеристик паровых двигателей. Этой проблемой занимался французский военный инженер Сади Карно. Он провел исследование тепла, которое объяснило механику потока тепла от горячей области к более холодной. (Однако Карно все еще верил в калорийную теорию тепла). Среди других пионеров термодинамики XIX века был шотландский физик лорд Кельвин, который использовал концепции Карно для создания шкалы абсолютных температур.Различие между теплом и температурой разъяснили такие ученые, как Ж.-Б. Фурье из Франции, Густав Кирхгоф из Германии и Людвиг Больцманн из Австрии. Немецкий физик-математик Рудольф Клаузиус сформулировал второй закон термодинамики. Применяя математику, Клаузиус, Больцман и Дж. Уиллард Гиббс из Соединенных Штатов превратили термодинамику в точную науку.

Дополнительная литература

Кук, Тревор. Эксперименты с теплом (PowerKids Press, 2009).Школа Discovery Channel. Sizzle: The Heat Files (Discovery, 2000), Фуллик, Энн. Увеличивая тепло: энергия (Хайнеманн, 2005 г.) Гарднер, Роберт, и Кемер, Эрик. Научные проекты Easy Genius с температурой и жарой (Enslow, 2009). Киркланд, Кайл. Время и термодинамика (Факты в файле, 2007). Лафферти, Питер. Тепло и холод , 3-е изд. (Times, 2000) Сондерс, Найджел и Чепмен, Стивен. Передача энергии (Рейнтри, 2006).Снедден, Роберт. Energy Transfer , ред. изд. (Хайнеманн, 2007) Уайман, Кэтрин. Энергетика и тепло , новое изд. (Stargazer, 2005) Вингольц, Валли и другие. Thermodynamic Thrills (Loose in the Lab, 2002).

.

Измерение тепловых островов | Эффект теплового острова

Разработка подхода к оценке теплового острова вашего города

Ваш город — городской остров тепла? Где в городе «горячие точки» и более прохладные районы? Живут ли уязвимые группы населения, такие как пожилые люди или люди с низким доходом, в более теплых районах? Информация на этой странице может помочь вам ответить на эти вопросы. Он проведет вас через этапы разработки подхода, чтобы определить, влияет ли эффект теплового острова на ваш город, и если да, то как.

Вы начинаете с уточнения своих целей, что поможет сосредоточить ваши усилия на поиске и анализе информации, которая отвечает вашим потребностям. Затем вы можете перейти к разработке общего подхода, который включает определение географической области, которую вы будете изучать (где), определение соответствующего времени суток и сезона (когда) и рассмотрение того, какие типы данных подходят.

После того, как вы разработали свой подход и будете готовы начать фактическую оценку, вы можете использовать информацию в конце этой страницы, чтобы найти источники существующих данных и ссылки на подробные протоколы и методологии для сбора и анализа температуры и другой информации.

На этой странице представлена ​​простая схема принятия решений и основные соображения, которые следует учитывать при разработке оценки эффекта теплового острова вашего города. В нем нет подробных инструкций по выполнению комплексного анализа теплового острова, поскольку конкретные шаги, которые вы предпримете, будут зависеть от ваших целей, типов данных, которые вы решите использовать, и имеющихся у вас ресурсов.

Уточняющие цели

Упрощенное дерево решений для выбора подхода к оценке теплового острова города.Он начинается с определения цели, которая определяет тип и расположение требуемых данных о температуре, которые, в свою очередь, определяют, что и когда измерять. Первый и наиболее важный шаг — определить цели, которые вы пытаетесь достичь. Есть много причин для проведения оценки теплового острова, но наиболее распространенными являются две:

• Понимание последствий для энергии : Более высокие городские температуры стимулируют спрос на кондиционирование воздуха, что приводит к увеличению счетов за электроэнергию в теплые месяцы года.Анализ того, как температура в городской местности отличается от температуры в окружающей местности, поможет вам количественно оценить энергетическое воздействие.
• Понимание рисков для здоровья населения : острова тепла могут способствовать ухудшению качества воздуха, усиливать воздействие экстремальной жары и подвергать здоровье людей повышенному риску. Выявление горячих точек в городе может помочь сосредоточить меры вмешательства там, где они больше всего необходимы во время волн тепла.

Определение потребностей в данных

После уточнения целей вы готовы определить географический охват ваших усилий по сбору данных, тип необходимых данных (воздух илитемпература поверхности или и то, и другое), и где вы можете найти полезные источники существующих данных о температуре. Ваши цели будут определять ваши потребности в данных и источники.

Географическое покрытие (Где)

• Оценки сосредоточены в первую очередь на воздействиях, связанных с энергией. тепловых островов обычно сравнивают температуру в городской зоне в целом с температурой в окружающей сельской местности, чтобы определить, какой дополнительный спрос на энергию вызван городским тепловым островом.
• Оценки, сфокусированные на воздействиях на здоровье тепловых островов, как правило, сосредоточены на оценке различий в температурах воздуха между разными точками в пределах города (т. Е. На выявлении горячих точек).

Типы данных о температуре (что) и технологии сбора данных (как)

Следующим шагом после принятия решения о том, где проводить измерения, является выбор того, собирать ли данные о температуре воздуха, температуре поверхности или их комбинации.

На этой концептуальной карте с наложенными изотермами (линиями равной температуры воздуха) показан полностью развитый ночной атмосферный городской остров тепла. Пунктирная красная линия обозначает ход, вдоль которого производятся измерения. Предоставлено: Изменено из Voogt, 2000.

.

• Температуры воздуха , важные для оценки тепловых островов, — это те острова, которые находятся в пределах городского полога, от уровня земли до верхушек деревьев и зданий. Они наиболее полезны для исследования, целью которого является снижение рисков для здоровья населения, поскольку они являются лучшими индикаторами условий, с которыми в действительности сталкиваются люди.Температуру воздуха можно измерять напрямую, используя стандартные метеостанции и другие инструменты мониторинга и / или мобильные траверсы (автомобили с датчиками, которые регистрируют температуру вдоль фиксированной линии). Однако, поскольку сети мониторинга и маршруты обычно покрывают лишь часть территории города, они не могут дать репрезентативную картину температур в масштабах города. Модели городского климата могут использоваться вместе с данными наблюдений для оценки температуры в местах, где нет полевых данных.

Снимок со спутника Landsat многоузлового острова тепла в Атланте, штат Джорджия. Более темные тона обозначают более высокие температуры.

• Температура поверхности представляет собой тепловую энергию, выделяемую землей, зданиями и другими поверхностями. Технологии измерения температуры поверхностей, такие как приборы, установленные на спутниках и самолетах, могут обеспечить лучший географический охват, чем те, которые используются для регистрации температуры воздуха. Они могут выявить разницу температур в очень мелких масштабах: например, между крышами, тротуарами и лужайками.Однако спутниковые данные имеют ряд ограничений (см. «Рекомендации по измерению температуры поверхности» ниже). Комбинация спутниковых данных о температуре поверхности и данных станций мониторинга или маршрутов о температуре воздуха дает наиболее полную картину теплового острова города.

• Сезонные и суточные колебания температуры — еще один элемент данных, который следует учитывать. Например, ночные температуры могут представлять более высокий риск для здоровья, чем дневные, а тепловые острова могут существовать не в летнее время, а в другие сезоны.

Основные соображения

Точная оценка теплового острова города — сложное мероприятие, в котором задействовано множество переменных. При разработке своего подхода важно принять во внимание ключевые соображения, перечисленные ниже.

Рекомендации по измерению температуры воздуха

• Оцените и нанесите на карту расположение существующих мониторов данных (таких как стандартные метеостанции и другие сети мониторинга), чтобы определить районы города с пробелами в информации, имеющими отношение к вашему конкретному анализу.
• Выберите места сбора данных, которые репрезентативны для окружающей среды с точки зрения материалов поверхности, геометрии и человеческой деятельности.
• Создайте разумное количество участков мониторинга, чтобы избежать предвзятости (например, сравнение данных только одного городского объекта с данными одного сельского участка может неточно характеризовать тепловой остров города).

• Следуйте согласованному протоколу в отношении расположения мониторов, высоты и направления датчиков, защиты от солнечного света и других ключевых факторов, которые могут влиять на регистрируемые температуры.Например, крыши являются популярным местом для мониторов температуры воздуха, но зарегистрированные значения температуры могут быть неточными, если мониторы расположены слишком близко к оборудованию отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха на крыше.
• Четко задокументируйте методологию и метаданные исследования (например, период времени, пространственную область).

Рекомендации по измерению температуры поверхности

Температура поверхности может быть измерена косвенно с помощью спутников, самолетов и наземных инструментов.Хотя можно оценить температуру воздуха по данным о температуре поверхности, эти оценки менее надежны, чем прямые измерения.

• Спутники обеспечивают обширный географический охват, но не могут отображать более тонкие детали горячих точек в окрестностях. Деревья или высокие здания могут мешать спутникам точно фиксировать температуру поверхностей на уровне земли. Данные собираются только в то время, когда спутник проходит над городом, и доступны только при ясных погодных условиях.
• Данные о температуре поверхности от бортовых приборов предлагают более высокое разрешение, чем со спутников, поскольку самолеты летают на более низких высотах, но данные с самолетов более дороги и обеспечивают неравномерное покрытие.
• Наземное тепловое зондирование (например, с использованием ручных инструментов, которые направляют на поверхности для измерения их температуры) может использоваться для получения данных о температуре поверхности для конкретных городских объектов (например, парковок по сравнению с городскими парками) или различных поверхностей типы, такие как светлые крыши по сравнению с темными крышами.

Источники исторических и текущих данных о температуре

После того, как вы уяснили цели оценки теплового острова и определили, что, где и как получать данные о температурах, вы готовы приступить к поиску и анализу данных. Некоторые из необходимых вам данных могут уже существовать (см. Таблицы ниже для общих источников исторических и текущих бесплатных данных о температуре воздуха и поверхности), но важно помнить, что вам все равно может потребоваться провести собственные полевые работы, чтобы получить самая точная картина острова тепла вашего города.

Данные о температуре воздуха

Данные о температуре поверхности

Дополнительная информация

После того, как вы закончите разработку подхода к оценке теплового острова вашего города, вы можете найти подробное руководство по проведению оценки, включая пошаговые процедуры и протоколы здесь:

• Вугт, Дж., 2007. Как исследователи измеряют городские острова тепла (PDF) (34 стр, 2.4 МБ). Обзор методов.
• Стюарт, I., 2010. Систематический обзор и научная критика методологии в современной городской литературе острова тепла. Рекомендации по эффективному проектированию и внедрению оценок теплового острова.
• Оке, Т., 2006. Руководство по получению репрезентативных метеорологических наблюдений на городских участках. Соображения по размещению наземных приборов.
• Город Кембридж, Массачусетс, 2015. Протокол городского острова тепла для картирования прогнозов температуры.Пошаговая документация о том, как городские власти Кембриджа получили и проанализировали спутниковые данные для измерения текущей температуры поверхности в городе, оценки температуры воздуха, расчета индекса жары и разработки прогнозов будущих температур.

.