Как правильно сделать отопление в доме: устройство, особенности и схемы

Система отопления является очень важной частью обустройства частного или загородного дома, дачи или коттеджа. Поэтому, если вы решили начать строительство, вам необходимо знать, как правильно сделать отопительную систему частного дома.

Схема отопления двухэтажного дома.

В наше время существует большое количество различных типов систем отопления, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее популярными являются системы водяного отопления, которые основаны на циркуляции в трубах нагретого в котле теплоносителя.

Принцип работы системы отопления

Водяное отопление имеет достаточно простой принцип работы. Антифриз или вода нагреваются в котле с помощью газа, угля, дров или электронагревателей. В связи с тем, что холодная и горячая вода имеет различную плотность, осуществляется ее движение по системе трубопроводов.

Горячая вода поднимается по стояку к нагревательным приборам (конвекторам, регистрам, радиаторам). Отдавая свое тепло, вода остывает и по обратному трубопроводу поступает обратно в котел.

Чтобы увеличить скорость движения теплоносителя, можно сделать систему принудительной циркуляции с помощью небольших насосов.

Схема отопления двухэтажного дома.

Кроме батарей, труб и котла, водяное отопление включает в себя предохранительные клапаны, воздухоотводчики, манометр, циркуляционный насос и терморегуляторы. Важно правильно выбрать мощность котла в зависимости от площади обогрева, так как котел меньшей мощности будет неэффективно обогревать дом, а за котел большей мощности придется переплачивать. Для площади дома от 60 до 200 м² оптимальная мощность составляет не более 25 кВт, от 200 до 300 м² – 25-35 кВт, от 300 до 600 м² – 35-60 кВт, от 600 до 1200 м² – 600-100 кВт.

Для площади от 30 до 1000 м² можно использовать электрические котлы, мощность которых составляет от 3 до 100 кВт соответственно. Однако высокая стоимость электроэнергии и возможность перепадов напряжения при использовании мощных котлов делают электрические котлы не особо популярными при проектировании системы отопления.

Вернуться к оглавлению

Водяное отопление в частном доме

Схема водяного отопления частного дома.

Наиболее легким способом подключить водяное отопление является подсоединение к центральной системе водоснабжения. Для этого нужно только оформить соответствующий договор, и после получения разрешения можно подключать свое отопление к центральной системе.

Отопление частного дома на основе индивидуальной системы водоснабжения создать несколько проблематично. Для ее создания понадобятся существенные финансовые затраты и время. Самым простым видом отопительной системы является естественная циркуляция теплоносителя по трубам, в которых вода передвигается за счет давления горячих и холодных внутренних масс теплоносителя.

Чтобы создать водяное отопление, необходимо обзавестись следующими материалами:

• котел выбранного типа;
• циркуляционный насос;
• радиатор;
• трубопровод;
• расширительный бак, объем которого должен составлять приблизительно 10% от объема всего теплоносителя;
• термостат;
• автоматический воздухоотводчик;
• предохранительные клапаны;
• манометр;
• сварочный аппарат;
• молоток;
• гайки, болты и другие расходные материалы.

Отопление частного дома.

Первым делом следует правильно посчитать количество нужной воды, необходимой для создания оптимальной температуры в доме. Далее, имея эти данные, можно определить мощность насосного оборудования.

Конструируя водяное отопление в доме, нужно знать некоторые особенности отопительной системы. Чтобы сохранить внешний вид интерьера, а также из соображений безопасности, котел лучше всего размещать в подвальном помещении. Если в доме нет подвала, котел можно установить на цокольном этаже.

Наиболее распространены системы отопления, работающие по принципу естественной циркуляции теплоносителя, которая происходит при его движении на расстоянии не более 20 м. Именно на таком расстоянии происходит уменьшение давления воды в системе. Чтобы продлить срок службы отопительной системы, нужно использовать трубы большого диаметра.

Вернуться к оглавлению

Установка отопительной системы

Схема однотрубной и двухтрубной системы отопления.

После того как определено место для установки котла, можно приступать к монтажу отопительной системы. Сначала нужно сделать на листе схему разводки, на которой следует обозначить все тонкости (расположение радиаторов, труб, стояков и др.). Радиаторы лучше всего размещать под окнами, что позволит обогревать оконную раму и предотвращать их запотевание.

Отопление в частном доме нужно создавать с минимальным количеством изгибов. Их большое количество может помешать нормальной циркуляции теплоносителя.

Многие хозяева в связи с недостаточными финансовыми возможностями неправильно выбирают материал для оборудования системы, а также неверно рассчитывают ее общую протяженность. Не стоит забывать, что наличие специальных сечений в магистральных трубах системы обеспечивает быстрое и простое движение теплоносителя.

Расширительный бак устанавливается в самой высокой точке всей отопительной системы дома. Его конструкция играет большую роль: он может быть открытого и закрытого типа, с трубопроводом и переливом или без него. Если выбран бак открытого типа, то его нужно установить на определенном участке системы. Бак закрытого типа чаще всего устанавливается на небольшом расстоянии от котла.

После установки бака переходим к монтированию радиаторов и трубопроводов между ними. Установка выполняется достаточно просто: необходимо провести трубу к месту расположения радиатора, а затем установить и сам агрегат, потом соединить выводы и вводы. После установки одного радиатора можно переходить к установке второго и т.д.

Стоит отметить, что при эксплуатации отопительных систем лучше всего оснащать каждый радиатор своим краном, с помощью которого можно будет легко избавиться от создавшейся воздушной пробки на определенном участке.

Последним этапом при монтировании отопительной системы частного дома является возврат в точку начала – нужно произвести замыкание отопительного контура, то есть соединить снова с котлом. Для принудительной циркуляции теплоносителя котел можно оснастить электрическим насосом, а для очищения воды – фильтром, установленным до насоса.

Отопление помещения с помощью водяной системы имеет несколько недостатков: дорогой и трудоемкий монтаж, а также необходимость выполнения профилактических работ. Если в системе отопления в частном доме используются антифризы, то нужно знать, что они могут стать причиной утечки. Антифриз необходимо заменять каждые 5 лет, потому что он подвергается старению, вследствие чего увеличивается температура его замерзания.

Ошибки при монтаже отопления – как правильно установить отопление

Оптимизация расходов на эксплуатацию жилья в условиях нашего климата зависит главным образом от повышения эффективности и экономичности отопительной системы, используемой в доме. Как избежать ошибок при монтаже отопления и получить надежную, комфортную и, главное, недорогую систему?

Отопительные мощности работают не круглый год, но основная доля расходов на содержание дома приходится именно на оплату энергоносителя, расходуемого в это время. Поэтому так важно не допустить ошибки при монтаже отопления – они дорого обходятся потребителю. Вопрос масштабный и в рамках одной статьи в должной мере осветить даже базовые аспекты невозможно. Поэтому попробуем кратко, тезисно остановиться на наиболее важных моментах, как правильно установить отопление.

 

Основные промахи застройщиков при проектировании и ошибки при монтаже системы отопления

Повышенные расходы на обогрев зимой могут оказаться следствием слабого утепления дома или огрехов при установке окон, но эти риски при привлечении профессионалов минимальны. Куда чаще причина кроется именно в правильном отоплении частного дома. Кратко расскажем, что нужно учесть при монтаже системы отопления частного дома, чтобы в процессе эксплуатации не было нареканий и аварийных ситуаций.

 

Мощность котла

Можно тщательно продумать, как установить систему отопления, начиненную самыми современными разработками в данной области, и не достичь желаемого результата из-за одной досадной ошибки – неверного расчета мощности котла.

 

 

Слабый котел не сможет нормально прогреть дом, будет постоянно работать с большой нагрузкой, что приведет к резкому сокращению срока его службы. Избыток мощности чреват перерасходом энергоносителя и лишними тратами уже на этапе монтажа – согласитесь, правильная система отопления в частном доме должна исключать такую возможность.

 

Недостаток воздуха для горения

Для сгорания любого топлива необходим кислород, который в котлы (и газовые, и твердотопливные, и на жидком топливе) поступает из помещения, где выполнен монтаж котла.

Обычно объема котельной недостаточно, и организуют приточную вентиляцию. Если установка приточной вентиляции окажется неверно рассчитанной и поступающего объема воздуха окажется мало, в дымоходах станет скапливаться сажа (из-за низкой эффективности сгорания), а автоматика станет отключать котлы, что помешает развить штатную мощность. Это не слишком очевидный, но важный фактор среди ошибок при монтаже систем отопления.

 

Для котельной выбрано влажное помещение

Для повышения эффективности систем отопления монтаж газового котла или твердотопливного и аппаратура, отвечающая за его работу, должны устанавливаться в сухом помещении, поскольку влага нарушает работу автоматики, приводит к повышенной коррозии элементов конструкции, снижает эффективность сгорания топлива и способствует ускоренному зарастанию дымоходов продуктами горения.

Не забудьте об этом, решая, как правильно установить отопление.

 

Низкий дымоход

Дымоход для котла должен иметь строго определенные размеры. Если выполнен монтаж дымохода недостаточной высоты, невозможно исключить влияние ветра на тягу (если ветер дует со стороны препятствия) или он будет засоряться снегом, сметаемым с кровли. Во всех случаях это ведет к перебоям в работе и способно сделать монтаж котельной в доме неэффективным.

Нет отсекающего крана

В конструкции важно предусмотреть отсекающий кран, с помощью которого циркуляцию теплоносителя пускают по малому кругу. Его отсутствие затрудняет пуск системы после длительного перерыва и блокирует возможность даже мелких ремонтных работ без выключения всей системы и слива всего объема теплоносителя.

Правильно комбинирование излучателей тепла

Специалисты считают, что правильное отопление в частном доме должно быть комбинированным: на первом этаже теплые полы, на втором – радиаторы. Объясняется просто. Чем ниже излучатель тепла, тем эффективнее его работа. Тепло поднимается вверх, и потому первый этаж надо греть лучше. Но теплые полы –это не всегда комфорт, особенно в спальных комнатах, которые часто размещают на втором уровне дома, в них как правило, применяют радиаторы.

 

Правильный расчет теплопотерь

Мощность отопления должна возмещать теплопотери помещения. Для чего необходимо сделать точный расчет этих параметров. Часто используют упрощенную формулу, согласно которой 1 кВт мощности обогревателя расходуется на 10 м² отапливаемой площади.

Но греть надо не площадь, а объем. То есть нужно учитывать высоту потолков, наличие второго света, материал стен, пола, кровли, площадь и характер остекления, ряд других факторов – все, что нужно для эффективной системы отопления частного дома.

 

Безопасность котла

Нельзя экономить на безопасности. У каждой системы свой перечень необходимой автоматики, и сокращать его недопустимо. Какие требования предъявляют к котельным в частном доме, подробно изложено в нашей статье.

 

Тонкости выбора насоса

Циркуляцию в системе обеспечивает насос, который должен четко соответствовать диаметру труб и объему системы. В противном случае он не справится с транспортировкой теплоносителя (скажется неравномерным прогревом по мере удаления от котла) или поток станет замедляться по причине суженной магистрали. Все это приведет к работе оборудования с повышенной нагрузкой. Следует выбрать циркуляционный насос с керамическими подшипниками (а не металлическими) – это отразится на общем комфорте и увеличит срок эксплуатации котельного оборудования.

Циркуляционный насос лучше врезать в обратную магистраль, поскольку она имеет более низкую температуру. Это снизит напряженность режима работы насоса.

Как видите, нюансов очень много и изучение вопроса, как правильно выбрать циркуляционный насос и учесть все ошибки монтажа отопления частного дома, на практике сведутся для Вас к выбору компетентной компании, и понадобятся вам скорее для контроля каждого этапа работ.

УЗНАЙТЕ РАСЦЕНКИ на  ПРОФЕССИОНАЛЬНУЮ УСТАНОВКУ КОТЛОВ
📞+375 29 601-41-44

СМОТРИТЕ ФОТО ВЫПОЛНЕННЫХ ПРОЕКТОВ

Ошибки при выборе и монтаже радиаторов и труб

Объем теплоносителя и разное количество конечных получателей тепла в частном доме требует определенной пропускной способности применяемых труб, которые для облегчения работы насосного оборудования должны иметь определенное повышение по мере удаление от котла или распределяющего коллектора. Консультация в магазине на вопрос какие трубы нужны для отопления хорошего результата не даст – этот вопрос надо решать после планировки и расчета всей системы.

• Неправильное направление потока теплоносителя может привести к завоздушиванию всей системы

• Установка радиаторов отопления должны выполняться в нижнем ярусе помещения и иметь не менее 10-20 см свободного пространства и снизу, и сверху правильной конвекции теплого воздуха.
• Нельзя подбирать радиаторы по ширине оконного проема. Их выбор обусловлен требуемой тепловой мощностью, а не геометрией или симметрией. Важно учитывать их площадь рассеивания. Недостаток площади не даст нужного объема тепла, а избыток приведет к перегреву, который невозможно устранить регулировкой.
• Важно точно подобрать конструкцию радиатора. Современные радиаторы имеют комбинированную конструкцию, адаптированные под определенные условия эксплуатации: давление в системе, вид теплоносителя и так далее. Неправильный подбор может обернуться аварией.

Подробнее, как выбрать радиаторы отопления и способах их подключения, читайте тут.

 

Сочетаемость материалов

 

        Любой трубопровод при нагреве меняет свои размеры, хоть визуально это незаметно. Поэтому нужно знать, не только как правильно выполнить разводку труб, но и как ведут себя различные материалы в сочетании друг с другом. Они не должны вступать в реакции и иметь близкий коэффициент теплового расширения. Чтобы повысить эффективность системы отопления и избежать аварий в будущем, предоставьте решение вопроса, какие трубы лучше для отопления вашем доме, профессионалам.

 

Нарушение технологий монтажа

Отрезки труб от коллектора до радиаторов должны быть цельными и не иметь на пути следования сочленений. Каждый элемент системы после сборки должен пройти испытание давлением, несколько превышающим рабочее. Это делают для повышения надежности и эффективности системы отопления.

Чтобы обеспечить безопасную эксплуатацию трубопровода отопления, делайте прокладку труб в дымоходном или вентиляционном канале, участки, проходящие по полу, выполняйте в защитных гильзах, учитывая коэффициент теплового расширения.

 

Теплоноситель

В дешевом варианте в качестве теплоносителя при монтаже радиаторов используют воду. Это упрощает заполнение системы, но приводит к проблемам впоследствии, поскольку вода способствует повышенной коррозии металла, из нее могут выпадать известковые примеси, нарушающие баланс в системе. Поэтому лучше применять антифриз, который лишен таких недостатков.

 

Отсутствие теплоизоляции на магистралях

Тепло должно транспортироваться до точки потребления с минимальными потерями. Поэтому важно обеспечить надежную теплоизоляцию труб до коллектора. Особенно если магистраль проходит через неотапливаемое помещение. Иначе резко возрастут расходы на энергоноситель.

 

Элементы регулировки

Мало не допустить грубых ошибок монтажа отопления. Важно сделать возможной тонкую настройку отопительной системы на всех ее участках. Для чего стоит предусмотреть термостаты. В идеале – на каждом радиаторе. Также крайне нужный элемент системы – краны (воздушные клапаны) Маевского, с помощью которых происходит удаление воздушных пузырей из системы.

 

Капризные теплые полы

При монтаже теплого пола есть очень много тонких моментов.

• Нельзя на большую площадь раскладывать пол одной петлей. Такое удлинение магистрали затруднит транспортировку по ней теплоносителя.
• Слабость теплоизоляционного слоя под теплым полом приведет к неоправданным потерям. Тонкий слой стяжки над ним может привести к нарушению целостности системы и плохому рассеиванию тепла (неравномерный прогрев отдельных участков пола), а слишком массивная стяжка увеличит инерционность теплого пола и обернется перерасходом материалов.
• Нельзя заливать стяжку над теплыми полами без заполнения труб теплоносителем или его эрзацем. Велик риск смять трубы, что чревато полной заменой петли – сращивать теплые полы под стяжкой недопустимо.
• Подключение теплого пола возможно только при полностью высохшей стяжке. Иначе ее может просто порвать. Что позднее снова чревато повреждениями труб теплого пола.

 

Расширительная система

Объем расширительного бака должен соответствовать объему теплоносителя, циркулирующего по системе. Иначе или произойдет его утечка, или система будет регулярно воздушить. При закрытой системе недостаток объема расширителя может обернуться разрывом магистрали.

 

Только надежные соединения

Фитинговые соединения, особенно с резиновыми уплотнителями без возможности их осмотра и ревизии недопустимы. Все соединения должны быть предельно надежными.

Элементы автоматизации

Человек в состоянии настроить систему с обилием механических регуляторов, но эта настройка займет много времени, окажется излишне инерционной, не будет отличаться вариативностью. Поэтому лучше применять максимально адаптивную автоматику, которая позволит регулировать работу системы вовремя и точно в автономном режиме.

  

Заключение

          Учесть все нюансы и точно знать, как правильно установить отопление в частном доме может только профессионал. Любитель рискует допустить грубые ошибки в расчете и монтаже отопления.

К тому же потребности отопительной системы неразрывно связаны с мощностями водоснабжения. Поэтому лучше привлечь квалифицированных специалистов уже на этапе бурения скважины – это поможет избежать ненужных трат уже на этапе проектирования и во время эксплуатации.

 

Также следует учесть, что устройство всех коммуникаций – и монтаж водопровода и прокладка канализации целесообразны вместе с монтажом отопления под ключ, так вы получите гарантированно эффективную эксплуатацию жилья.

 

ДРУГИЕ ПОЛЕЗНЫЕ СТАТЬИ

 

Расчет системы отопление – как сделать правильно?

Какой газовый котел лучше?

Преимущества конденсационных котлов?

 

ВЕРНУТЬСЯ В БЛОГ

8.1: Кривые нагрева и фазовые переходы

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

119748

Навыки развития

• Описать процессы, представленные типичными кривыми нагрева и охлаждения, и рассчитать тепловые потоки и изменения энтальпии, сопровождающие эти процессы
• Объясните построение и использование типичной фазовой диаграммы
• Использование фазовых диаграмм для идентификации стабильных фаз при заданных температурах и давлениях, а также для описания фазовых переходов, происходящих в результате изменения этих свойств
• Описать сверхкритическую флюидную фазу вещества

Кривые нагревания и охлаждения

На кафедре термохимии было введено соотношение между количеством теплоты, поглощенной или отнесенной веществом, q, и сопутствующим ему изменением температуры, ΔT:

\[q=mcΔT\]

где m — масса вещества, а c — его удельная теплоемкость. Это отношение применимо к материи, которая нагревается или охлаждается, но не претерпевает изменения в состоянии. Когда нагреваемое или охлаждаемое вещество достигает температуры, соответствующей одному из его фазовых переходов, дальнейший прирост или потеря тепла является результатом уменьшения или усиления межмолекулярного притяжения, а не увеличения или уменьшения кинетической энергии молекул. Пока вещество претерпевает изменение состояния, его температура остается постоянной. На рисунке \(\PageIndex{1}\) показана типичная кривая нагрева.

Рисунок \(\PageIndex{1}\) : Типичная кривая нагревания вещества показывает изменения температуры, происходящие по мере того, как вещество поглощает все больше тепла. Плато на кривой (области постоянной температуры) проявляются при фазовых переходах вещества.

Рассмотрим пример нагревания кастрюли с водой до кипения. Горелка плиты будет подавать тепло примерно с постоянной скоростью; первоначально это тепло служит для повышения температуры воды. Когда вода достигает точки кипения, температура остается постоянной, несмотря на постоянный ввод тепла от горелки печи. Эта же температура поддерживается водой до тех пор, пока она кипит. Если увеличить мощность горелки, чтобы обеспечить более высокую скорость нагрева, температура воды не повышается, а вместо этого кипение становится более энергичным (быстрым). Такое поведение наблюдается и для других фазовых переходов: например, температура остается постоянной, пока происходит изменение состояния.

Пример \(\PageIndex{1}\): Общее количество тепла, необходимое для изменения температуры и фазы вещества

Сколько тепла требуется для превращения 135 г льда при -15 °C в водяной пар при 120 °C?

Решение

Описанный переход включает следующие этапы:

1. Нагрев льда от −15 °C до 0 °C
2. Растаявший лед
3. Нагрев воды от 0 °C до 100 °C
4. Кипятить воду
5. Нагрев пара от 100 °С до 120 °С

Теплота, необходимая для изменения температуры данного вещества (без фазового перехода): q = m × c × Δ T (см. предыдущую главу о термохимии). Количество тепла, необходимое для того, чтобы вызвать заданное изменение фазы, определяется как q = n × Δ H .

Используя эти уравнения с соответствующими значениями удельной теплоемкости льда, воды и пара, а также энтальпий плавления и испарения, мы имеем:

\[\begin{align*}
q_\ce{total}&=(m⋅c⋅ΔT)_\ce{лед}+n⋅ΔH_\ce{fus}+(m⋅c⋅ΔT)_ \ce{вода}+n⋅ΔH_\ce{пар}+(м⋅c⋅ΔT)_\ce{пар}\\[7pt]
&=\mathrm{(135\: г⋅2,09\: Дж/ г⋅°C⋅15°C)+\left(135⋅\dfrac{1\: моль}{18,02\:g}⋅6,01\: кДж/моль
\right)}\\[7pt]
&\mathrm {+(135\: г⋅4,18\: Дж/г⋅°C⋅100°C)+\left(135\: г⋅\dfrac{1\: моль}{18,02\:г}⋅40,67\: кДж /моль\справа)}\\[7pt]
&\mathrm{+(135\: г⋅1,84\: Дж/г⋅°C⋅20°C)}\\[7pt]
&=\mathrm{4230 \: Дж+45,0\: кДж+56 500\: Дж+305\: кДж+4970\: Дж}
\end{align*}\]

Преобразование величин в Дж в кДж позволяет суммировать их и получить общее необходимое количество тепла:

\[\mathrm{=4,23\:кДж+45,0\ : кДж+56,5\: кДж+305\: кДж+4,97\: кДж=416\: кДж} \номер\]

Упражнение \(\PageIndex{1}\)

Какое общее количество тепла выделится при 94,0 г воды при 80,0 °C охлаждается с образованием льда при −30,0 °C?

Ответить

40,5 кДж

В предыдущем разделе было описано изменение равновесного давления паров жидкости в зависимости от температуры. Принимая во внимание определение точки кипения, графики зависимости давления пара от температуры показывают, как точка кипения жидкости зависит от давления. Описано также использование кривых нагрева и охлаждения для определения температуры плавления (или замерзания) вещества. Выполнение таких измерений в широком диапазоне давлений дает данные, которые можно представить графически в виде фазовой диаграммы. Фазовая диаграмма объединяет графики зависимости давления от температуры для равновесий фазовых переходов жидкость-газ, твердое тело-жидкость и твердое тело-газ. На этих диаграммах показаны физические состояния, существующие при определенных условиях давления и температуры, а также приведена зависимость от давления температур фазовых переходов (температуры плавления, сублимации, кипения). Типичная фазовая диаграмма чистого вещества показана на рисунке \(\PageIndex{2}\).

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Физическое состояние вещества и температуры его фазовых переходов представлены графически на фазовой диаграмме.

Чтобы проиллюстрировать полезность этих графиков, рассмотрим фазовую диаграмму воды, показанную на рисунке \(\PageIndex{3}\).

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Оси давления и температуры на этой фазовой диаграмме воды не нарисованы в постоянном масштабе, чтобы проиллюстрировать несколько важных свойств.

Мы можем использовать фазовую диаграмму для определения физического состояния образца воды при заданных условиях давления и температуры. Например, давление 50 кПа и температура -10 °С соответствуют области диаграммы, обозначенной как «лед». В этих условиях вода существует только в твердом состоянии (лед). Давление 50 кПа и температура 50 °С соответствуют области «вода» — здесь вода существует только в виде жидкости. При 25 кПа и 200 °C вода существует только в газообразном состоянии. Обратите внимание, что на H ₂ O фазовая диаграмма, оси давления и температуры не вычерчены в постоянной шкале, чтобы можно было проиллюстрировать несколько важных особенностей, как описано здесь.

Кривая BC на рисунке \(\PageIndex{3}\) представляет собой график зависимости давления паров от температуры, как описано в предыдущем модуле этой главы. Эта кривая «жидкость-пар» разделяет жидкую и газообразную области фазовой диаграммы и дает точку кипения воды при любом давлении. Например, при 1 атм температура кипения составляет 100°С. Обратите внимание, что кривая жидкость-пар заканчивается при температуре 374 °C и давлении 218 атм, что указывает на то, что вода не может существовать в виде жидкости выше этой температуры, независимо от давления. Физические свойства воды в этих условиях занимают промежуточное положение между свойствами ее жидкой и газообразной фаз. Это уникальное состояние вещества называется сверхкритической жидкостью, и эта тема будет описана в следующем разделе этого модуля.

Кривая паров твердого тела, обозначенная AB на рисунке \(\PageIndex{3}\), показывает температуру и давление, при которых лед и водяной пар находятся в равновесии. Эти пары данных температура-давление соответствуют точкам сублимации или осаждения воды. Если бы мы могли увеличить линию твердого газа на рисунке \(\PageIndex{2}\), мы бы увидели, что лед имеет давление паров около 0,20 кПа при -10 °C. Так, если поместить замороженный образец в вакуум с давлением менее 0,20 кПа, лед возгонится. Это лежит в основе процесса «сублимационной сушки», часто используемого для сохранения продуктов, таких как мороженое, показанное на рисунке \(\PageIndex{4}\).

>

Рисунок \(\PageIndex{4}\): Сублимированные продукты, такие как это мороженое, обезвоживаются сублимацией при давлении ниже тройной точки для воды. (кредит: ʺlwaoʺ/Flickr)

Кривая твердого тела и жидкости, обозначенная BD, показывает температуры и давления, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии, представляя точки плавления/замерзания воды. Обратите внимание, что эта кривая имеет небольшой отрицательный наклон (сильно преувеличенный для ясности), что указывает на то, что температура плавления воды немного снижается при увеличении давления. В этом отношении вода является необычным веществом, так как у большинства веществ температура плавления повышается с повышением давления. Такое поведение частично отвечает за движение ледников, как показано на рисунке \(\PageIndex{5}\). Дно ледника испытывает огромное давление из-за своего веса, которое может растопить часть льда, образуя слой жидкой воды, по которому леднику легче скользить.

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Огромное давление под ледниками приводит к их частичному таянию, образуя слой воды, обеспечивающий смазку, способствующую движению ледников. На этом спутниковом снимке показан наступающий край ледника Перито-Морено в Аргентине. (кредит: НАСА)

Точка пересечения всех трех кривых обозначена буквой B на рисунке \(\PageIndex{3}\). При давлении и температуре, представленных этой точкой, все три фазы воды сосуществуют в равновесии. Эта пара данных температура-давление называется тройной точкой. При давлении ниже тройной точки вода не может существовать в жидком состоянии независимо от температуры.

Видео \(\PageIndex{1}\): Циклогексан в тройной точке.

Пример \(\PageIndex{2}\): определение состояния воды

Используя диаграмму состояния воды, приведенную на рис. 10.4.2, определите состояние воды при следующих температурах и давлениях:

1. −10 °C и 50 кПа
2. 25 °C и 90 кПа
3. 50 °C и 40 кПа
4. 80 °C и 5 кПа
5. −10 °C и 0,3 кПа
6. 50 °C и 0,3 кПа

Раствор

Используя фазовую диаграмму для воды, мы можем определить, что состояние воды при каждой заданной температуре и давлении следующее: (а) твердое; (б) жидкость; (в) жидкость; (г) газ; (д) твердый; (е) газ.

Упражнение \(\PageIndex{2}\)

Какие фазовые превращения может претерпевать вода при изменении температуры, если поддерживать давление на уровне 0,3 кПа? Если давление держится на уровне 50 кПа?

Ответ:

При 0,3 кПа: с⟶ г при −58 °C. При 50 кПа: s⟶ l при 0 °C, l ⟶ g при 78 °C

В качестве другого примера рассмотрим фазовую диаграмму двуокиси углерода, показанную на рисунке \(\PageIndex{6}\). Кривая твердое-жидкое имеет положительный наклон, что указывает на то, что температура плавления CO ₂ увеличивается с давлением, как и для большинства веществ (вода является заметным исключением, как описано ранее). Обратите внимание, что тройная точка намного выше 1 атм, что указывает на то, что углекислый газ не может существовать в виде жидкости в условиях атмосферного давления. Вместо этого охлаждение газообразного диоксида углерода до 1 атм приводит к его осаждению в твердом состоянии. Точно так же твердый диоксид углерода не плавится при давлении 1 атм, а возгоняется с образованием газообразного CO 9 .0142 2 . Наконец, обратите внимание, что критическая точка для углекислого газа наблюдается при относительно скромных температуре и давлении по сравнению с водой.

Рисунок \(\PageIndex{6}\) : Показана фазовая диаграмма двуокиси углерода. Ось давления построена в логарифмическом масштабе, чтобы соответствовать большому диапазону значений.

Пример \(\PageIndex{3}\): определение состояния углекислого газа

Используя фазовую диаграмму для углекислого газа, показанную на рисунке 10.4.5, определите состояние CO ₂ при следующих температурах и давлениях:

1. −30 °C и 2000 кПа
2. −60 °C и 1000 кПа
3. −60 °C и 100 кПа
4. 20 °C и 1500 кПа
5. 0 °C и 100 кПа
6. 20 °C и 100 кПа

Раствор

Используя приведенную фазовую диаграмму для двуокиси углерода, мы можем определить, что состояние CO ₂ при каждой заданной температуре и давлении следующее: (а) жидкость; (б) твердый; (в) газ; (г) жидкость; д) газ; (е) газ.

Упражнение \(\PageIndex{3}\)

Определите, какие фазовые изменения претерпевает углекислый газ, когда его температура изменяется, при этом его давление остается постоянным на уровне 1500 кПа? При 500 кПа? При каких примерных температурах происходят эти фазовые превращения?

Ответить

при 1500 кПа: с⟶л при -45°С, л⟶г при -10°С; при 500 кПа: с⟶ г при −58 °C

Сверхкритические жидкости

Видео \(\PageIndex{2}\): Наблюдайте за поведением сверхкритических флюидов.

Если мы поместим образец воды в герметичный контейнер при 25 °C, удалив воздух и позволив установиться равновесию испарения-конденсации, мы получим смесь жидкой воды и водяного пара при давлении 0,03 банкомат Отчетливо наблюдается четкая граница между более плотной жидкостью и менее плотным газом. По мере повышения температуры давление водяного пара увеличивается, как описано кривой жидкость-газ на фазовой диаграмме воды (рис. \(\PageIndex{3}\)), и двухфазное равновесие жидкости и остается газообразная фаза. При температуре 374 °С давление пара возросло до 218 атм, и дальнейшее повышение температуры приводит к исчезновению границы между жидкой и паровой фазами. Вся вода в сосуде теперь находится в одной фазе, физические свойства которой занимают промежуточное положение между газообразным и жидким состояниями. Эта фаза вещества называется сверхкритической жидкостью, а температура и давление, выше которых эта фаза существует, являются критической точкой (рис. \(\PageIndex{5}\)). При температуре выше критической газ не может сжижаться, какое бы давление ни применялось. Давление, необходимое для сжижения газа при его критической температуре, называется критическим давлением. Критические температуры и критические давления некоторых обычных веществ приведены в таблице \(\PageIndex{1}\).

3, and 647.1. Under the “Critical Pressure ( a t m )” column are the following: 12.8, 33.5, 49.7, 73.0, 111.5, 77.7, and 217.7.”>

Таблица \(\PageIndex{1}\) : Критические температуры и критические давления некоторых веществ

Вещество	Критическая температура (К)	Критическое давление (атм)
водород	33,2	12,8
азот	126.0	33,5
кислород	154,3	49,7
двуокись углерода	304,2	73,0
аммиак	405,5	111,5
диоксид серы	430,3	77,7
вода	647. 1	217,7

Видео \(\PageIndex{3}\): Переход из жидкости в сверхкритическую жидкость для двуокиси углерода.

Подобно газу, сверхкритическая жидкость будет расширяться и заполнять контейнер, но ее плотность намного выше плотности обычного газа и обычно близка к плотности жидкости. Подобно жидкостям, эти жидкости способны растворять нелетучие растворенные вещества. Однако они практически не проявляют поверхностного натяжения и имеют очень низкую вязкость, поэтому они могут более эффективно проникать в очень маленькие отверстия в твердой смеси и удалять растворимые компоненты. Эти свойства делают сверхкритические жидкости чрезвычайно полезными растворителями для широкого спектра применений. Например, сверхкритический диоксид углерода стал очень популярным растворителем в пищевой промышленности, его используют для декофеинизации кофе, удаления жиров из картофельных чипсов и извлечения вкусовых и ароматических соединений из цитрусовых масел. Он нетоксичен, относительно недорог и не считается загрязнителем. После использования CO ₂ можно легко восстановить, снизив давление и собрав образовавшийся газ.

Рисунок \(\PageIndex{7}\): (а) Герметичный контейнер с жидким диоксидом углерода нагревается немного ниже его критической точки, что приводит к (б) образованию сверхкритической флюидной фазы. Охлаждение сверхкритической жидкости снижает ее температуру и давление ниже критической точки, что приводит к восстановлению отдельных жидких и газообразных фаз (c и d). Цветные поплавки иллюстрируют разницу в плотности между жидким, газообразным и сверхкритическим флюидным состоянием. (кредит: модификация работы «mrmrobin»/YouTube)

Пример \(\PageIndex{4}\): Критическая температура углекислого газа

Если встряхнуть углекислотный огнетушитель в прохладный день (18 °C), мы услышим, как жидкий CO ₂ плещется. внутри цилиндра. Однако тот же самый цилиндр не содержит жидкости в жаркий летний день (35 °C). Объясните эти наблюдения.

Раствор

В прохладный день температура СО ₂ ниже критической температуры СО ₂ , 304 K или 31 °C (таблица \(\PageIndex{1}\)), поэтому в цилиндре присутствует жидкий CO ₂ . В жаркий день температура CO ₂ выше его критической температуры 31 °C. Выше этой температуры никакое давление не может сжижать CO ₂ , поэтому в огнетушителе нет жидкого CO ₂ .

Упражнение \(\PageIndex{4}\)

Аммиак можно сжижать путем сжатия при комнатной температуре; кислород не может быть сжижен в этих условиях. Почему два газа ведут себя по-разному?

Ответить

Критическая температура аммиака составляет 405,5 К, что выше комнатной температуры. Критическая температура кислорода ниже комнатной температуры; таким образом, кислород не может быть сжижен при комнатной температуре.

Декофеинизация кофе с использованием сверхкритического CO

₂

Кофе является вторым наиболее широко продаваемым товаром в мире после нефти. Во всем мире люди любят аромат и вкус кофе. Многие из нас также зависят от одного компонента кофе — кофеина, который помогает нам двигаться утром или сохранять бодрость днем. Но в конце дня стимулирующий эффект кофе может помешать вам уснуть, поэтому вечером вы можете пить кофе без кофеина.

С начала 1900-х годов для удаления кофеина из кофе применялось множество методов. У всех есть преимущества и недостатки, и все зависит от физических и химических свойств кофеина. Поскольку кофеин представляет собой несколько полярную молекулу, он хорошо растворяется в воде, полярной жидкости. Однако, поскольку многие из более чем 400 других соединений, влияющих на вкус и аромат кофе, также растворяются в H ₂ O, процессы декофеинизации горячей водой также могут удалить некоторые из этих соединений, что отрицательно скажется на запахе и вкусе кофе без кофеина. Дихлорметан (СН ₂ Cl ₂ ) и этилацетат (CH ₃ CO ₂ C ₂ H ₅ ) имеют полярность, аналогичную кофеину, и поэтому являются очень эффективными растворителями для экстракции кофеина, но оба они также удаляют некоторые компоненты вкуса и аромата, и их использование требует длительного времени экстракции и очистки. Поскольку оба этих растворителя являются токсичными, возникают опасения по поводу воздействия остаточного растворителя, остающегося в кофе без кофеина, на здоровье.

Рисунок \(\PageIndex{8}\): (a) Молекулы кофеина имеют как полярные, так и неполярные области, что делает его растворимым в растворителях различной полярности. (b) На схеме показан типичный процесс удаления кофеина с использованием сверхкритического диоксида углерода.

Сверхкритическая флюидная экстракция с использованием диоксида углерода в настоящее время широко используется как более эффективный и экологически безопасный метод удаления кофеина (рис. \(\PageIndex{8}\)). При температуре выше 304,2 К и давлении выше 7376 кПа СО ₂ — сверхкритическая жидкость, обладающая свойствами как газа, так и жидкости. Подобно газу, он проникает глубоко в кофейные зерна; подобно жидкости, он эффективно растворяет определенные вещества. Экстракция пропаренных кофейных зерен сверхкритическим диоксидом углерода удаляет 97-99% кофеина, оставляя вкусовые и ароматические соединения кофе нетронутыми. Поскольку CO ₂ представляет собой газ при стандартных условиях, его удаление из экстрагированных кофейных зерен осуществляется легко, как и извлечение кофеина из экстракта. Кофеин, извлеченный из кофейных зерен с помощью этого процесса, является ценным продуктом, который впоследствии можно использовать в качестве добавки к другим продуктам питания или лекарствам.

Сводка

Видео \(\PageIndex{4}\): Обзор фазовых переходов и фазовых диаграмм.

Температуры, при которых происходят фазовые переходы, определяются относительной силой межмолекулярного притяжения и, следовательно, зависят от химической идентичности вещества. Условия температуры и давления, при которых вещество существует в твердом, жидком и газообразном состояниях, суммированы на фазовой диаграмме для этого вещества. Фазовые диаграммы представляют собой объединенные графики трех кривых равновесия давления и температуры: твердое тело-жидкость, жидкость-газ и твердое тело-газ. Эти кривые представляют отношения между температурами фазового перехода и давлениями. Точка пересечения всех трех кривых представляет тройную точку вещества — температуру и давление, при которых все три фазы находятся в равновесии. При давлениях ниже тройной точки вещество не может существовать в жидком состоянии независимо от его температуры. Конец кривой жидкость-газ представляет критическую точку вещества, давление и температуру, выше которых не может существовать жидкая фаза. 9{−ΔH_\ce{испарение}/RT}\)

• \(\ln P=-\dfrac{ΔH_\ce{vap}}{RT}+\ln A\)
• \(\ln\left(\dfrac{P_2}{P_1}\right)=\dfrac{ΔH_\ce{vap}}{R}\left(\dfrac{1}{T_1}-\dfrac{1} {T_2}\справа)\)

Глоссарий

критическая точка

температура и давление, выше которых газ не может сконденсироваться в жидкость

фазовая диаграмма

график давление-температура, обобщающий условия, при которых могут существовать фазы вещества

сверхкритическая жидкость

вещество при температуре и давлении выше его критической точки; проявляет промежуточные свойства между газообразным и жидким состояниями

тройная точка

температура и давление, при которых паровая, жидкая и твердая фазы вещества находятся в равновесии

Авторы

• Пол Флауэрс (Университет Северной Каролины, Пембрук), Клаус Теопольд (Университет Делавэра) и Ричард Лэнгли (Государственный университет Стивена Ф. Остина) с соавторами. Контент учебника, созданный OpenStax College, находится под лицензией Creative Commons Attribution License 4.0. Скачать бесплатно на http://cnx.org/contents/85abf193-2бд…[email protected]).

• Аделаида Кларк, Орегонский технологический институт
• Ускоренный курс Физика: Ускоренный курс является подразделением компании Complexly, и видео можно бесплатно транслировать в образовательных целях.

Обратная связь

Хотите оставить отзыв об этом тексте? Кликните сюда.

Нашли опечатку и хотите получить дополнительные баллы? Кликните сюда.

 

---

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Лицензия

   СС BY

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   На этой странице нет тегов.

Учебное пособие по физике

Урок 1 этой главы посвящен значению температуры и тепла. Особое внимание уделялось разработке корпускулярной модели материи, способной объяснить макроскопические наблюдения. Были предприняты усилия для разработки прочного концептуального понимания темы в отсутствие математических формул. Мы узнали, что тепло передается от одного объекта к другому (между системой и окружающей средой), когда между системой и окружающей средой существует разница температур. Теперь в этом разделе мы исследуем тему измерения количества тепла, которое передается между системой и окружающей средой. Этот урок посвящен калориметрии – науке, связанной с определением изменения энергии системы путем измерения теплообмена с окружающей средой. Прежде чем мы сможем понять математику калориметрии, мы должны ответить на критический вопрос, который, по крайней мере частично, был рассмотрен в Уроке 1. Вопрос заключается в следующем: что делает тепло? Когда тепло теряется или приобретается объектом, что он делает?

Для некоторых студентов сам вопрос что делает тепло? сбивает с толку. Подумайте о вопросе на мгновение. Вас смущает вопрос (не только ответ)? Путаница в этом вопросе иногда вызывается неверными представлениями о том, что такое тепла . Причина длительных дискуссий в Уроке 1 заключалась в том, чтобы обеспечить прочную концептуальную основу для понимания математики Урока 2. Если вопрос сбивает с толку, вы можете просмотреть Урок 1 или, по крайней мере, просмотреть обсуждение, относящееся к тому, что такое тепло? В Уроке 1 подчеркивалось, что тепло — это не то, что содержится в объекте. Объекты не содержат тепло . Объекты, состоящие из атомов, молекул и ионов, содержат энергию. Тепло – это передача энергии от объекта к его окружению или к объекту из его окружения. Итак, вопрос, который задают на этой странице, заключается в том, что это тепло делает с объектом и с окружающей средой, когда оно передается? Как и многие вопросы в физике, это простой ответ с глубоким смыслом. Простые ответы с глубоким смыслом всегда тренируют мозг. Так что наденьте шапку мышления и давайте перейдем к ответу.

 

Тепло изменяет температуру объектов

Что делает тепло? Во-первых, он изменяет температуру объекта. Если тепло передается от объекта к окружающей среде, то объект может остыть, а окружающая среда может нагреться. Когда тепло передается объекту его окружением, то объект может нагреваться, а окружение охлаждаться. Тепло, когда-то поглощенное как энергия, вносит свой вклад в общую внутреннюю энергию объекта. Одной из форм этой внутренней энергии является кинетическая энергия; частицы начинают двигаться быстрее, что приводит к большей кинетической энергии. Это более энергичное движение частиц отражается повышением температуры. Применяется и обратная логика. Энергия, выделившаяся в виде тепла, приводит к уменьшению общей внутренней энергии объекта. Поскольку кинетическая энергия является одной из форм внутренней энергии, выделение тепла от объекта вызывает уменьшение средней кинетической энергии его частиц. Это означает, что частицы движутся медленнее и температура объекта снижается. Высвобождение или поглощение объектом энергии в виде тепла часто связано с изменением температуры этого объекта. Это было в центре внимания Термометров как Спидометров в Уроке 1. То, что можно сказать об объекте, можно также сказать и об окружающей среде. Выделение или поглощение окружающей средой энергии в виде тепла часто связано с изменением температуры окружающей среды. Мы часто обнаруживаем, что передача тепла вызывает изменение температуры как в системе, так и в окружающей среде. Один согревает, а другой охлаждает.

Тепло изменяет состояние материи

Но всегда ли поглощение или выделение энергии в виде тепла вызывает изменение температуры? Удивительно, но нет. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим следующую ситуацию, которую часто демонстрируют или даже экспериментируют на уроке теплофизики в школе. Пара-дихлорбензол, основной ингредиент многих форм нафталиновых шариков, имеет температуру плавления около 54 °C. Предположим, что образец химического вещества собран в пробирку и нагрет примерно до 80°C. Пара-дихлорбензол будет в жидком состоянии (хотя большая его часть сублимируется и будет наполнять комнату весьма заметным ароматом). Теперь предположим, что в пробирку вставлен термометр, а сама пробирка помещена в стакан с водой комнатной температуры. Данные о температуре и времени можно собирать каждые 10 секунд. Вполне ожидаемо можно заметить, что температура пара-дихлорбензола постепенно снижается. По мере того как тепло передается от пробирки с высокой температурой к воде с низкой температурой, температура жидкого пара-дихлорбензола снижается. Но затем совершенно неожиданно можно было заметить, что это устойчивое снижение температуры прекращается примерно при 54°С. Как только температура жидкого пара-дихлорбензола упадет до 54°C, уровень термометра резко стоит на месте . Судя по показаниям термометра, можно подумать, что тепло не передается. Но взгляд в пробирку показывает, что происходят кардинальные изменения. Жидкий пара-дихлорбензол кристаллизуется с образованием твердого пара-дихлорбензола. Как только последний след жидкого пара-дихлорбензола исчезает (а он находится в твердой форме), температура снова начинает снижаться с 54°С до температуры воды. Как эти наблюдения могут помочь нам понять вопрос о том, что делает тепло?

Во-первых, снижение температуры с 80°C до 54°C легко объяснимо. В Уроке 1 мы узнали, что тепло передается между двумя соседними объектами, имеющими разные температуры. Пробирка и пара-дихлорбензол имеют более высокую температуру, чем вода, окружающая стакан. Тепло из пробирки с пара-дихлорбензолом будет поступать в воду, в результате чего пара-дихлорбензол охлаждается, а вода нагревается. И понижение температуры от 54°С до температуры воды в стакане тоже легко объяснимо. Два соседних объекта с разной температурой будут передавать тепло между собой до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие. Сложное объяснение включает в себя объяснение того, что происходит при 54°C. Почему температура больше не снижается, когда жидкий пара-дихлорбензол начинает кристаллизоваться? Существует ли передача тепла между пробиркой с пара-дихлорбензолом и стаканом с водой, даже если температура не меняется?

Ответ на вопрос Передается ли тепло? — это громкое да! Ведь принцип заключается в том, что тепло всегда передается между двумя соседними объектами, имеющими разную температуру. Термометр, помещенный в воду, показывает, что вода все еще нагревается, хотя температура пара-дихлорбензола не меняется. Так что тепло определенно передается от пара-дихлорбензола к воде. Но почему температура пара-дихлорбензола остается постоянной в течение этого периода кристаллизации? Прежде чем пара-дихлорбензол сможет продолжать снижать свою температуру, он должен сначала перейти из жидкого состояния в твердое. Кристаллизация пара-дихлорбензола происходит при 54°С – температуре замерзания вещества. При этой температуре энергия, которую теряет пара-дихлорбензол, связана с изменением другого вида внутренней энергии — потенциальной энергии. Вещество обладает не только кинетической энергией из-за движения своих частиц, но и потенциальной энергией из-за межмолекулярного притяжения между частицами. Поскольку пара-дихлорбензол кристаллизуется при 54°C, потеря энергии отражается уменьшением потенциальной энергии пара-дихлорбензола при изменении его состояния. Как только весь пара-дихлорбензол переходит в твердое состояние, потеря энергии еще раз отражается уменьшением кинетической энергии вещества; его температура снижается.

Кривые отопления

Итак, второй ответ на вопрос Что делает тепло? заключается в том, что он способствует изменению состояния вещества. Большинство учащихся знакомы как минимум с тремя агрегатными состояниями вещества – твердым, жидким и газообразным. Добавление тепла к образцу вещества может привести к тому, что твердые тела превратятся в жидкости, а жидкости – в газы. Точно так же отвод тепла от образца вещества может привести к тому, что газы превратятся в жидкости, а жидкости — в твердые тела. Каждый из этих переходов между состояниями происходит при определенных температурах, обычно называемых температурой точки плавления, температурой точки замерзания, температурой точки кипения и температурой точки конденсации.

Чтобы дополнительно проиллюстрировать взаимосвязь между теплопередачей, изменением температуры и изменением состояния, рассмотрим следующий мысленный эксперимент . Предположим, что образец воды был помещен в чашку из пенопласта с цифровым термометром. И предположим, что вода помещена в морозильную камеру (температура = -20°С) и заморожена. Предположим, что термометр можно подключить к компьютеру с программным обеспечением, способным собирать данные о температуре во времени. После того как вода замерзнет и останется в морозилке на несколько часов, ее вынимают и помещают в стакан на нагревательная плита . Плитка включается, нагревается и начинает передавать энергию в виде тепла стакану и воде. Какие изменения будут наблюдаться в температуре и вещественном состоянии воды с течением времени?

На приведенной ниже диаграмме показана так называемая кривая нагрева воды. Кривая нагрева представляет изменения температуры во времени для образца вещества (например, воды), которому передается тепло.

Обратите внимание на три наклонных участка и два горизонтальных участка на графике зависимости температуры от времени. Первый наклонный участок соответствует изменению температуры льда от -20°С до 0°С. Вода в твердом состоянии нагревается до точки плавления — температуры, при которой вода переходит из твердого состояния в жидкое. Тепло, переданное льду, вызывает изменение температуры. Как только достигается температура перехода (точка плавления) 0°C, подводимое к воде тепло заставляет воду переходить из твердого состояния в жидкое. Это называется плавлением. Плавление происходит при постоянной температуре. На этом этапе эксперимент энергия, поглощаемая водой, используется для ослабления притяжения, удерживающего одну ледяную частицу от другой. Как только все эти притяжения ослабнут, лед будет полностью таять. Содержимое стаканчика из пенополистирола полностью жидкое. Следующий участок кривой отопления представляет собой наклонный участок. Жидкая вода повышает свою температуру от 0°C до 100°C. Температура кипения воды 100°С; это температура, при которой вода переходит из жидкого состояния в газообразное. Как только образец воды достигает этой температуры, происходит кипение. По всему объему жидкости будут наблюдаться большие пузырьки газа. Тепло, добавляемое к жидкости на этом этапе мысленного эксперимента, вызывает ослабление притяжения, удерживающего частицы воды в жидком состоянии. Температура остается постоянной, а состояние воды меняется. Как только вся вода переходит из жидкого состояния в газообразное, образец воды (теперь уже в газообразном состоянии) снова начинает повышать свою температуру.

Таким образом, три наклонных участка представляют тепло, вызывающее изменение температуры вещества, которое его поглощает. И два участка плато представляют собой тепло, вызывающее изменение состояния вещества, которое его поглощает. Любознательный студент может спросить: «Каково объяснение этих изменений на уровне частиц?» (Спасибо, что спросили. ) Изменения температуры являются результатом дополнительной энергии, заставляющей частицы воды двигаться более энергично. Либо твердые частицы сильнее колеблются вокруг своего фиксированного положения, либо частицы жидкости и газа быстрее перемещаются вокруг своего сосуда. В любом случае добавление тепла вызывает увеличение средней кинетической энергии частиц в образце воды. Изменения состояния являются результатом добавленной энергии, вызывающей изменения силы притяжения между частицами. Притяжение, которое удерживает воду в твердом или жидком состоянии, преодолевается. Энергия используется для того, чтобы ослабить эти влечения и перейти в состояние большей потенциальной энергии.

 

Фото физики с Flickr

а) Вода в колбе нагрета до температуры кипения. Газ, выходящий из колбы, охлаждается при прохождении через медную трубку. Видны капли конденсированной воды, выходящие из конца медной трубки.
(b) Температура этой конденсированной воды намного меньше 100°C. Он недостаточно горячий, чтобы вызвать ожог.
(c) Пламя горелки Бунзена используется для нагрева змеевиков конденсатора медной трубы. Это повышает температуру выходящей воды выше точки кипения. Это газообразная вода с температурой выше 100°C, которая выходит из медной трубки.
г) Этот водяной пар настолько горяч, что мгновенно воспламеняет спичку, поднесенную к его горлышку.
(e) Все еще нагреваясь пламенем бунзеновской горелки, выходящий водяной пар достаточно горячий, чтобы обжечь лист бумаги…
(f) … и это означает phun для людей, которые делают и смотрят демонстрацию!

Теплота совершает Работа

Итак, передача энергии в виде тепла связана с изменением температуры или изменением состояния образца вещества. Но это все? Может ли тепло сделать что-нибудь еще? Еще раз, ответ Да! Перенос энергии в виде тепла может привести к совершению работы над системой или окружающей средой. Устройства, которые используют тепло для выполнения работы, часто называют тепловыми двигателями. В общем, двигатель — это устройство, которое работает. Тепловой двигатель — это устройство, использующее теплопередачу в качестве источника энергии для выполнения работы.

Двигатель внутреннего сгорания автомобиля является примером теплового двигателя. В большинстве двигателей внутреннего сгорания используется четырехтактный процесс, показанный на анимации справа. Когда топливо сгорает (вступает в реакцию с кислородом) в двигателе, из системы химических веществ выделяется энергия. Происходит передача тепла от горячей системы к окружающему цилиндру воздуху. Эта передача тепла воздуху в цилиндре воздействует на поршень, толкая его вниз. Поршень соединен с коленчатым валом автомобиля. Возвратно-поступательное движение поршня внутри цилиндра приводит к вращательному движению коленчатого вала и выработке энергии, необходимой для приведения автомобиля в движение. Двигатель внутреннего сгорания является примером теплового двигателя.