Расчет тепловой энергии на отопление помещений

Расчет тепловых потерь является одним из самых важных документов, благодаря которому человек с легкостью может определить как суточное, так и годовое потребление тепла для какого-либо сооружения.

Схема радиаторов отопления.

При расчете тепловой энергии необходимо учитывать достаточно много факторов.

Схема вентиляционной системы отопления.

Во-первых, необходимо принимать во внимание тип сооружения – будь то частный дом, одноэтажное или, наоборот, многоэтажное сооружение или другой вид здания. Во-вторых, для проведения необходимых расчетов, необходимо учитывать еще и количество проживающих (работающих) в этом здании людей. Разумеется, что наряду с типом здания необходимо принимать во внимание еще и такие факторы, как его функциональное предназначение, а также конструкции крыши, стен и полов этого сооружения. Помимо этого учитываются габариты крыш, полов, стен и т.д. И последним фактором, на который необходимо обращать внимание, является температурный режим каждого отдельно взятого помещения в сооружении, где будет производиться расчет тепловой энергии, при этом расчеты никак не зависят от того, что будет потреблять котел в качестве топлива.

Использование котла на газе, количество потребления топлива – все эти факторы имеют свое значение.

Если расчеты произвести верно, можно будет с легкостью определить мощность, которую должен иметь котел (его потребление материалов), подобрать необходимое оборудование и получить ТУ.

Расчеты энергии

В первом случае перед тем, как приобрести котел того или иного вида, необходимо произвести определенный тепловой расчет, исходя из которого можно будет подобрать котел, который будет работать наиболее эффективно, и вы сможете получить бесперебойное горячее водоснабжение и хороший обогрев всего сооружения целиком. Мощность будущей отопительной системы определяется достаточно легко. Она представляет собой сумму тепловых затрат на обогрев всего помещения и на другие нужды подобного рода.

Схема организации системы отопления двухэтажного частного дома.

Далеко не каждый котел сможет подойти, а это значит, что необходимо приобретать котел именно такой мощности, который будет работать даже при самых максимальных нагрузках, и при этом срок эксплуатации подобного оборудования не сократится. Для того чтобы добиться необходимых результатов при выборе, необходимо обращать пристальное внимание на этот аспект. Примерно то же касается и выбора оптимального оборудования для отопления помещения в целом. Правильный расчет тепловой энергии не только позволит приобрести те приборы отопления, которые прослужат долго, но и даст возможность немного сэкономить на покупке, а значит, затраты на отопление помещения тоже могут снизиться.

Что касается получения ТУ и согласования на газификацию объекта, то расчет энергии в данном случае является основополагающим фактором. Подобного рода разрешения необходимо получать тогда, когда в качестве топлива предполагается использование природного газа под котел. Чтобы получить документацию такого рода, нужно предоставить показатели годового расхода топлива и сумму мощности отопительных источников (Гкал/час). Разумеется, что получить такую информацию можно только исходя из проведенного расчета тепловой энергии, а затем можно будет приобрести отопительный прибор, который помимо всего прочего сведет к минимуму затраты на отопление.

Использование природного газа в качестве топлива под котел сегодня является одним из наиболее популярных способов на отопление помещения.

Вернуться к оглавлению

Первая и вторая формулы для расчета

Схема однотрубной системы отопления.

Основная формула, которую используют для расчета: Qгв=Gгв×(tгв – tхв)/1000= … Гкал, где Qгв является количеством тепловой энергии, Gгв – расход горячей воды, tгв – температура горячей воды, tхв – температура холодной воды (не учитывается количество затрат газа на отопление). Все температуры рассчитываются в данном случае в градусах Цельсия. Может быть использована формула Q

т(кВт/час)=V×DT×K/860 (не учитывается количество затрат газа), где Q_т – тепловая нагрузка на помещение, К – коэффициент расхода тепла всего сооружения, V – объем помещения, а DT – разница между температурами внутри сооружения и снаружи. Благодаря этим формулам количество расхода газа на отопление сможет определить каждый самостоятельно.

Коэффициент расхода тепла напрямую зависит от типа конструкции отапливаемого сооружения, а также от изоляции. Чтобы упростить расчеты, можно использовать следующие значения: К=0,6-0,9, если в помещении имеется сравнительно небольшое количество окон, устройство которых состоит из сдвоенных рам, стены с изоляцией, крыша из хорошего материала и др. Этот коэффициент отображает наивысшую степень теплоизоляции помещения. К=1-1,9 – в том случае, если сооружение, для которого производится расчет, имеет среднюю степень теплоизоляции, то есть небольшое количество окон, стены состоят из двойной кирпичной кладки и т.д. К=2-2,9 – используется, когда уровень теплоизоляции помещения низкий – конструкция состоит не из вышеперечисленных материалов, а из других, из-за чего количество расхода тепла увеличивается. Последний уровень коэффициента – от 3 до 4 – используется, если теплоизоляция полностью отсутствует либо очень плохая.

Расчет тепла снаружи и внутри дома необходимо в этом случае производить исходя из степени комфорта, которую можно будет получить, подключив необходимую тепловую установку.

Для определения коэффициента разницы между температурами принято использовать значения, которые определены СНиП 2.04.05-91, а именно: +18 градусов Цельсия должно быть в общественных помещениях и в различных производственных помещениях, +12 градусов должны иметь складские помещения, +5 – гаражи и складские помещения, которым не нужно постоянное обслуживание.

Вернуться к оглавлению

Лучшая формула для расчета

Таблица примеров расчета воды радиаторов в системе отопления.

Стоит сказать о том, что ни первая, ни вторая формула не позволит человеку рассчитать различия между тепловыми потерями здания в зависимости от используемых в здании ограждающих конструкций и конструкций утепления. Для того чтобы наиболее точно произвести необходимые расчеты, должна быть использована несколько усложненная формула, благодаря которой можно будет избавиться от значительных затрат. Эта формула выглядит следующим образом: Q_т(кВт/час)=(100 Вт/м²×S (м²)×К1×К2×К3×К4×К5×К6×К7)/1000 (не учитывается количество затрат газа на отопление).

В данном случае S – площадь комнаты. Вт/м² представляет собой удельную величину теплопотерь, сюда входят все показатели расхода тепла – стены, окна и др. Каждый коэффициент умножается на последующий и в этом случае обозначает тот или иной показатель утечки тепла.

К1 – коэффициент расхода тепловой энергии через окна, имеющий значения 0,85, 1, 1,27, которые будут меняться в зависимости от качества используемых окон и их утепления. К2 – количество расхода тепла через стены. Этот коэффициент имеет такие же показатели, как и в случае с потерей тепла через окна. Он может варьироваться в зависимости от теплоизоляции стен (плохая теплоизоляция – 1,27, средняя (при использовании специальных утеплителей) – 1, высокий уровень теплоизоляции имеет коэффициент 0,854). К3 – такой показатель, который определяет соотношение площадей как окон, так и пола (50% – 1,2, 40% – 1,1, 30% – 1,0, 20% – 0,9, 10% – 0,8), следующий коэффициент – температура снаружи помещения (К4=-35 градусов – 1,5; -25 градусов – 1,3; -20 градусов – 1,1; -15 градусов – 0,9; -10 градусов – 0,7).

К5 в данной формуле представляет собой такой коэффициент, который отображает количество стен, выходящих наружу (4 стены – 1,4; 3 стены – 1,3; 2 стены – 1,2; 1 стена – 1,1). К6 представляет тип теплоизоляции помещения, которое находится над тем, для которого производится этот расчет. Если оно обогревается, тогда коэффициент будет равен 0,8, если имеется теплая мансарда, тогда – 0,9, если это помещение никак не обогревается, коэффициент будет равен 1. И последний коэффициент, который применяется при расчете по этой формуле, обозначает высоту потолков в помещении. Если высота равна 4,5 метра, тогда коэффициент равен 1,2; 4 метра – 1,15; 3,5 метра – 1,1; 3 метра – 1,05; 2,5 метра – 1.

Вернуться к оглавлению

Подведение итогов

Итак, именно вторая формула является наиболее точной для проведения расчетов тепловой энергии на отопление (не учитывается количество затрат газа на отопление). Она имеет намного больше коэффициентов, что позволит наиболее точно определить все параметры мощности будущей системы отопления в помещении, благодаря которой затраты на отопление могут снизиться до минимума. Таким образом, если все расчеты будут произведены верно и в соответствии с приведенными выше формулами, можно будет избежать лишних материальных затрат, а также и временных затрат, которые зависят от потребления, например, газа.

Значит, первая, вторая или третья формулы являются обязательными при расчете, так как именно благодаря им можно вычислить оптимальную мощность отопительной системы и свести количество материальных затрат к минимуму.

К вопросу определения количества тепловой энергии для отопления зданий | C.O.K. archive | 2017

* Статья предлагается в порядке обсуждения.

Итак, как известно, потребители тепловой энергии производят оплату за отопление двумя способами. По первому способу оплата потребителями осуществляется ежемесячно равными долями в размере 1/12 годового потребления тепловой энергии — независимо от фактического ежемесячного количества поставленной тепловой энергии для отопления. При этом величина тепловой энергии в последующем году уточняется с учётом действительного количества потреблённой тепловой энергии в прошедшем году (в зависимости от температуры наружного воздуха в течение прошедшего отопительного периода).

По второму способу оплата осуществляется в каждый месяц отопительного периода в соответствии со среднемесячной температурой наружного воздуха.

Первый способ оплаты позволяет теплоснабжающим организациям получать оплату равномерно в течение всего года при условии неизменности схемы поставки тепловой энергии.

Однако при оплате за тепловую энергию по первому способу в ряде регионов часто возникают и решаются спорные вопросы в судах, когда происходит смена теплоснабжающей организации и появляется необходимость определения доли фактического потребления тепловой энергии за отопительный период, предшествующий смене теплоснабжающей организации.

В этом случае рекомендуется использовать требования, установленные Постановлением Правительства Российской Федерации от 23 мая 2006 года №306 «Об утверждении Правил установления и определения нормативов потребления коммунальных услуг и нормативов потребления коммунальных ресурсов в целях содержания общего имущества в многоквартирном доме», позволяющие расчётным путём определить долю тепловой энергии, потребляемой в каждый месяц отопительного периода.

В данных Правилах представлена формула для расчёта количества тепловой энергии [Гкал/год], необходимой для отопления многоквартирного дома или жилого дома в каждом месяце:

где q_max — расчётная часовая тепловая нагрузка на отопление многоквартирного дома или жилого дома, ккал/ч; t_вн — средняя температура внутреннего воздуха отапливаемых жилых помещений многоквартирного дома или жилого дома, °C; t_см — среднемесячная температура наружного воздуха каждого месяца, принимаемая в соответствии с табл. 5.1 Свода Правил 131.13330.2012 «Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01–99*», °C; t_po — расчётная температура наружного воздуха для проектирования отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, принимаемая в соответствии с табл. 3.1 Свода Правил 131.13330.2012, °C; n_м — продолжительность отопительного периода [сут.] в месяце; 24 — количество часов в сутках; 10^–6 — коэффициент перевода из килокалорий в гигакалории.

Как известно, температура наружного воздуха разной обеспеченности, принимаемая в СП 131.13330.2012, рассчитана по данным наблюдений за период с 1966 по 2010 годы.

Необходимо отметить, что количество тепловой энергии, предъявляемой населению к оплате за конкретный месяц по расчёту с использованием значений температуры t_см по табл. 5.1 Свода Правил 131.13330.2012, не тождественно количеству фактически потреблённой потребителями тепловой энергии в этом месяце. Это можно объяснить тем, что в разные годы среднемесячная температура каждого месяца отопительного периода разная, то есть в отдельные годы может быть меньше или больше. Значения среднемесячной температуры наружного воздуха каждого месяца в городах Москве, Орле, Екатеринбурге и Омске после 2010 года и по Своду Правил 131.13330.2012 представлены в табл. 1, 2, 3 и 4. Соответственно, и разные значения Δt_см.

При этом значение расчётной температуры наружного воздуха для проектирования отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха можно принимать по табл. 3.1 СП 131.13330.2012 при определении с достаточной точностью количества тепловой энергии в каждый месяц.

Количество тепловой энергии, соответствующей Δt_см, определённой с использованием среднемесячных температур по табл. 1 в Москве, например, в 2013 году, составит 95 % от количества тепловой энергии, определённой с использованием среднемесячных температур по Своду Правил 131.13330.2012, в 2014-м — 87,5 %, в 2015-м — 79,5 %.

А количество тепловой энергии, определённой с использованием среднемесячных температур по табл. 2 в Орле, в 2013 году составит 92,4 % от количества тепловой энергии, определённой с использованием среднемесячных температур по Своду Правил 131.13330.2012, в 2014-м — 88 %, в 2015-м — 78 %.

В Екатеринбурге количество тепловой энергии, определённой с использованием среднемесячных температур по табл. 3, в 2013 и 2014 годах составит 94 %, а в 2015-м — 87 %. А в Омске количество тепловой энергии, определённой с использованием среднемесячных температур по табл. 4, в 2013 году составит 93 %, в 2014-м — 96 %, в 2015-м — 87 %.

Представленная разница в количестве тепловой энергии на примере четырёх городов существенна и совершенно не безразлична для большинства потребителей тепловой энергии.

Следует отметить, что во многих городах средняя за год температура наружного воздуха, представленная в Своде Правил 133.13330.2012, меньше средней температуры воздуха за год после 2010 года.

В связи с изложенным, до принятия новой редакции свода правил по строительной климатологии для определения более точного количества фактически расходуемой потребителями тепловой энергии на отопление в каждом месяце отопительного периода после 2010 года предлагается использовать в расчётах среднемесячную температуру наружного воздуха каждого месяца tсм не по табл. 5.1 Свода Правил 131.13330.2012, а по данным гидрометеорологической службы для конкретного населённого пункта после 2010 года.

Тепловые свойства вещества

Тепловые свойства вещества

Удельная теплоемкость:
(ккал/(кг ^o C))

Вода	1,0
Лед	0,49
Пар	0,48
Стекло	0,20
Сталь	0,11
Медь	0,092
Алюминий	0,215

Единица ккал (килокалория) является единицей энергии. 1 ккал = 4186 Дж
В единицах ккал/(кг ^o С) удельная теплоемкость воды равна 1,

.

При переходе тепла от одного материала к другому температура контакта слой более холодного материала увеличивается. От тепловой энергии контактного слоя должен распространяться по холодному материалу путем проводимости или конвекции. Как Эффективность передачи тепла зависит от

удельная теплоемкость материал. Удельная теплоемкость с – это количество энергии, необходимое для повысить температуру одного кг материала на 1 градус Кельвина или Цельсия.

с = ΔQ/(мΔТ).
Удельная теплоемкость: (ккал/(кг ^o C))

Удельная теплоемкость воды примерно в 4 раза выше, чем у воздуха. Точная удельная теплоемкость вещества зависит от условие, при котором он измеряется. Для газов удельная теплоемкость измеренная при постоянном объеме, отличается от удельной теплоемкости измеряется при постоянном давлении.

Чем меньше удельная теплоемкость материала, соприкасающегося с кожей, тем меньше тепла требуется для доведения температуры пограничного слоя до температура вашей кожи. Как быстро тепло уносится от этой границы слой теперь зависит от теплопроводности материала и от того, нет конвекционных токов. Чтобы свести к минимуму потерю тепла кожей, окружить его материалом с низкой удельной теплоемкостью и низкой проводимостью, и предотвратить конвекцию. Кроме того, вы должны свести к минимуму потери тепла через излучение.

Проблема:

Образец меди массой 50 г находится при температуре 25 ^o C. При 1200 Дж тепловой энергии добавляется к нему, какова конечная температура меди?

Решение:

• Рассуждение:
  Мы знаем удельную теплоемкость меди, поэтому знаем, какую энергию она требуется, чтобы поднять температуру одного кг меди на 1 градус Кельвина или Цельсия.
• Детали расчета:
  ΔT = ΔQ/(см·м). Для меди с = 9,2*10 ^-2 ккал/( ^{кг o} С).
  ΔT = 1200 Дж*(1 ккал/4186 Дж)/(0,05 кг*9,2*10 ^-2 ккал/(кг ^o С)) = 62,3 ^o С.  
  T = 87,3 ^o С. 

Проблема:

В алюминиевом калориметре массой 100 г содержится 250 г воды. калориметр и вода находятся в тепловом равновесии при 10 ^o С. Два металлических блока помещаются в воду. Один кусок 50 г. медь 80 ^o C. Другой имеет массу 70 г и исходно при температуре 100 ^o C. Вся система стабилизируется при конечной температуре 20 ^o C.
(a) Определите удельную теплоемкость неизвестного образца.
(b) Угадайте материал неизвестного образца.

Решение:

• Рассуждение:
  Калориметр минимизирует обмен энергией с среда. Таким образом, полная энергия системы равна (приблизительно) постоянный.
  ΔQ _всего = ΔQ _вода + ΔQ _{алюминий} + ΔQ _медь + ΔQ _{неизвестный объект} = 0,
  
• Детали расчета:
  Температура алюминиевого калориметра и температура воды повышаются на 10 ^o C. Количество энергии, полученное объектом, температура которого повышается на ΔT, равно ΔQ = мкΔТ.
  Приток воды ΔQ _воды = 0,25 кг*1 ккал/(кг ^o С)*10 ^o С = 2,5 ккал.
  Прирост алюминия ΔQ _{алюминия} = 0,1 кг*0,215 ккал/(кг ^o Кл)*10 ^o Кл = 0,215 ккал.
  Температура меди падает 60 ^o С.
  Потери меди ΔQ _меди = -0,05 кг*0,092 ккал/(кг ^o Кл)*60 ^o Кл = -0,276 ккал.
  Неизвестный объект поэтому теряет ΔQ _{unknown объект} = (-2,5 + -0,215 + 0,276) ккал = -2,439ккал.
  Его удельная теплоемкость c = ΔQ/(m ΔT) = 2,439/(0,07*80) ккал/(кг ^o С) = 0,436 ккал/(кг ^o Кл) = 1,82 Дж/(г К).
  Неизвестный материал, вероятно, бериллий.

Вопрос:

Почему температура в прибрежных городах достаточно стабильна, но в пустыне оно может значительно различаться между днем ​​и ночью?

Ответ:
Ключевым фактором здесь является вода. Вода имеет высокую удельную теплоемкость, поэтому она способна сохранять, поглощать и высвобождать много энергии. У побережья вода поглощает тепло в течение дня и хранит его, высвобождая ночью, действуя как теплоотвод. В пустыне мало воды, чтобы запасать энергию и высвобождать ее в таком количестве. цикла, поэтому температура гораздо более чувствительна к тому, светит солнце или нет.

---

Материя существует в разных состояниях. Может, для например, быть в твердом, жидком или газообразном состоянии. Эти состояния называются фазами . Атомы и молекулы, составляющие материю, движутся по-разному в разные фазы.

• В твердом теле атомы колеблются около равновесия позиции, но не могут течь или распространяться. Межмолекулярный силы очень сильны, а импульсивные силы от столкновений атомы с тепловой энергией в среднем значительно слабее.
• В жидкостях атомы или молекулы могут протекать мимо друг друга, но поддерживают тесный контакт. Некоторый порядок сохраняется в диапазоне нескольких молекулярных диаметров. межмолекулярные силы не пренебрежимо малы по сравнению с импульсивные силы от столкновений с атомами тепловой энергии и молекулы.
• В газах атомы или молекулы движутся свободно. Их среднее расстояние намного больше атомного или диаметр молекулы и межмолекулярная сила становятся пренебрежимо малы по сравнению с импульсивными силами от столкновений с теплоэнергетические атомы и молекулы. Поведение большинства газов хорошо описывается законом идеального газа, PV = Nk _Б Т.

Твердые

Жидкие

Газовые

Как правило, тепло передается от объекта с более высокой температурой к объект более низкой температуры. Температура – ​​это величина, которая указывает, будет ли течь теплота и в каком направлении она будет течь. При переходе тепла от более горячего к более холодному объекту температура более горячего объекта уменьшается, а температура более холодный объект поднимается. Средняя кинетическая энергия молекул в более горячем объекте уменьшается, а среднее кинетическое энергия молекул в более холодном объекте увеличивается. Но когда объект меняет фазу, его температура не меняется, хотя добавляется или отводится тепло. плавка льда и кипящей воды являются знакомыми примерами. Во время смены фаза температура не меняется, но внутренняя энергия делает. Внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии молекул и химической потенциальной энергии молекулы. При фазовом переходе средняя кинетическая энергия молекулы остаются прежними, но средняя потенциальная энергия изменения.

Процессы, представленные красными стрелками, требуют энерговклад.
Процессы, представленные черными стрелками, высвобождают энергию.

Плавление это фазовый переход . Лед и вода — разные фазы одного и того же вещества. При атмосферном сжатый лед существует при температурах ниже 0, ^o C. Если мы хотим поднять температуру 1 кг льда на 1 градус Цельсия, скажем, с -5 ^до С до – 4 ^o С, нам нужно 0,49 ккал тепла. Но если мы хотим расплавиться На 1 кг льда при 0 ^o С нам нужно 80 ккал тепла. Это тепло используется для разрыва химических связей и преобразуется в потенциальную энергию. Это называется скрытой теплотой плавления или скрытой теплотой плавления сплав (L _f ). Скрытая теплота – это теплота, изменяющая фазу вещество без изменения его температуры. Когда мы нагреваем смесь вода и лед, тепло будет перетекать из воды в лед при 0, ^или С пока весь лед не растает. Если бы мы могли термически изолировать смесь, она достигло бы теплового равновесия при температуре 0, ^o °С, и лед больше не таял бы. Если теплота отводится от воды при температуре 0, ^o °С, она замерзает в лед, а не превращается в лёд. становится холоднее. Замораживание выпускает скрытая теплота плавления.

При замораживании выделяется большое количество тепла. поэтому температура большого водоема очень стабильна вблизи точки замерзания. Зимняя погода умеренная до большой степени этим фактором. Зимние температуры останутся около 0 ^o C, пока вся местная вода не замерзнет. Но также требуется много энергии, чтобы растопить лед, и поэтому Местные температуры не сильно повышаются до тех пор, пока лед не растаял.

Кипение  является фазовым переходом . Вода и пар – это разные фазы одного и того же вещества. При атмосферном давлении вода существует при температуре от 0 ^o C до 100 ^o C. Если мы хотим поднять температуру 1 кг воды на 1 градус Цельсия, скажем, от 50 ^o C до 51 ^o C нам потребуется 1 ккал тепла. Но если мы хотим вскипятить 1 кг воды при 100 ^o С и превратить ее в пар, который нам нужен 540 ккал тепла. Это называется скрытым кодом . теплота парообразования (L _V ). Он используется для разрыва связи, удерживающие молекулы воды в жидкости.   Кипение температура воды зависит от давления. Чем ниже давление, тем ниже это температура кипения. При более низком давлении молекулам требуется меньше кинетических энергии для выхода из жидкости.

 

Кипящая вода не повышает температуру выше 100 ^o C, пока вся вода не испарится. Пар, который мы видим, не водяной пар, который невидим, а скопление мелкой воды капли, которые образуются при охлаждении газообразного водяного пара.

Фазы материи

Добавление тепла в заданную фазу изменяет температуру.
Удельная теплоемкость c: ΔQ = c*m*ΔT
Добавление тепла во время фазового перехода преобразует одну фазу в другую фазу. без изменения температуры.
Скрытая теплота L: ΔQ = m*L

Проблема:

Сколько тепловой энергии требуется, чтобы превратить кубик льда массой 40 г из твердого тела при -10 ^o C в пар при 110 ^o C?

Решение:

• Рассуждение:
  Тепловой энергии требуется до
  поднять температуру льда до 0 ^o C,
  растопить лед,
  поднять температуру воды до 100 ^o С,
  кипятить воду,
  и поднять температуру пара до 110 ^o С,
• Детали расчета:
  Поднять температуру льда до 0 ^o C нам нужно
  ΔQ = 0,04 кг*(0,49 ккал/(кг ^o C))*10 ^o С = 0,196 ккал.
  Чтобы растопить лед, нам нужно
  ΔQ = 0,04 кг * 80 ккал/кг = 3,2 ккал.
  Поднять температуру воды до 100 ^o C нам потребуется
  ΔQ = 0,04 кг*(1 ккал/(кг ^или С))*100 ^o C= 4 ккал.
  Чтобы вскипятить воду, нам нужно
  ΔQ = 0,04 кг * 540 ккал/кг = 21,6 ккал.
  Для повышения температуры пара до 110 ^o С нужно
  ΔQ = 0,04 кг*(0,48 ккал/(кг ^o С))*10 ^o С = 0,192 ккал.
  Общая необходимая тепловая энергия составляет
  (0,196 + 3,2 + 4 + 21,6 + 0,192) ккал = 29,188 ккал.

Проблема:

Если 90 г расплавленного свинца при его температуре плавления из 327,3 ^o C заливают в отливку массой 300 г. форме из железа и вначале при 20 ^o С, что является конечным температура системы? Предположим, что энергия не теряется к окружающей среде.
Свинец: скрытая теплота L _f = 2,45*10 ⁴ Дж/кг, удельная теплоемкость с = 128 Дж/(кг ^o С).
Железо: удельная теплоемкость с = 448 Дж/(кг ^o С).

Решение:

• Обоснование:
  Энергосбережение: Энергия, выделяемая свинцом, поглощается железо.
  Температура плавления свинца 327,3 ^o °С. Свинец будет выделять энергию по мере затвердевания и охлаждения до температуры T.
  Железо будет поглощать энергию по мере нагревания до температуры T.
• Детали расчета:
  Предположим, что конечная температура системы равна T.
  Тогда количество энергии, выделяемой свинца при затвердевании составляет
  ΔQ = 0,09 кг*(2,45*10 ⁴ Дж/кг) = 2205 Дж,
  , а количество энергии, выделяемой при его охлаждении, равно 9.0003 ΔQ = 0,09 кг*(128 Дж/(кг ^o Кл))*(327,3 ^o Кл – Т) = (11,52 Дж/ ^o Кл)*(327,3 ^или С-Т).
  Эта энергия поглощается железом. Таким образом, для железа имеем
  2205 Дж + (11,52 Дж/ ^o Кл)*(327,3 ^o Кл – Т) = 0,3 кг*448. Дж/(кг ^o Кл))*(Т – 20 ^o Кл).
  5975,5 Дж – (11,52 Дж/ ^o Кл)*T = (134 Дж/ ^o Кл)*T – 2688 Дж.
  8663,5 Дж = (145,52 Дж/ ^o Кл)*T.
  Т = 59.5 ^o С.

---

Выпаривание и сублимация

Температура вещества является мерой средней кинетической энергии атомов или молекулы, из которых состоит вещество. Но не все частицы имеют одинаковую кинетическую энергии, они имеют распределение энергий. Некоторые частицы в жидкости или твердое тело может иметь достаточную кинетическую энергию, чтобы разорвать химические связи и оставить вещество. Жидкость испаряется и твердое тело сублимация . Когда частицы с наибольшей кинетической энергией покидают вещество, средняя кинетическая энергия оставшихся частиц уменьшается. Поэтому температура вещества уменьшается. Испарение охлаждает вещество.

Игрушка, демонстрирующая процесс охлаждения Испарение — это диппи-птица. Диппи-птица изготавливается путем выдувания стеклянная трубка, впадающая в колбу, как горловина воронки. Этот верхняя луковица становится головой птицы. Вторая лампочка становится тело. Трубка доходит почти до дна этого нижнего луковица, как соломинка в безалкогольный напиток.

Птица наполнена жидкостью с высоким давлением паров. Голова птицы покрыта пухом, что дает большую площадь для испарение. Когда голова мокрая, испарение вызывает охлаждение и конденсация газа внутри фары, и давление капли. Это заставляет жидкость ползти вверх по шее в область более низкого давления. Центр тяжести смещается к голове конец птицы. Птица падает в стакан с водой, где пух снова становится влажным. Но когда птица достигает своего максимальная обедненность, нижний конец трубки торчит из жидкости, и жидкость может вытекать из трубки обратно в нижнюю колбу. Это смещает центр тяжести назад и смешивает газ. Процесс продолжается пока в стакане есть вода.

Внешний ссылка: инженерия поилки (Youtube)

Терминология для различных фазовых переходов:

Из жидкости в газ:	Испарение
Из газа в жидкость:	Конденсат
Твердое вещество в газообразное:	Сублимация
Из газа в твердое:	Депонирование

---

Относительная влажность

Молекулы могут покидать жидкую воду в результате испарения, но молекулы также могут повторно войти в жидкую воду, если в окружающем воздухе есть водяной пар. Мы назовем это явление конденсацией . Относительная влажность – отношение скорости конденсации к скорости испарения. Если уйдет в два раза больше молекул жидкости, чем возвращаются в жидкость, то относительная влажность равна 0,5 или 50%. Относительная влажность зависит от температуры и от плотность водяного пара в воздухе. Чем выше температура, тем выше средняя кинетическая энергия молекул и, следовательно, скорость при которые они уходят. Чем выше плотность водяного пара в воздухе, тем выше скорость возвращения молекул.

В закрытом контейнере при заданной температуре равновесие будет достигнут, и количество молекул воды, покинувших поверхность воды, будет равно числу, возвращаемому в единицу времени. Давление водяного пара при равновесие называется давлением насыщенных паров . В более высокая температура, больше молекул может покинуть поверхность и насыщенный пар давление выше. Температура, при которой давление пара равно к атмосферному давлению называется температурой кипения. Если жидкость открытым для воздуха, то давление пара рассматривается как парциальное давление вдоль с другими составляющими воздуха.

При температуре ниже 100 ^o С вода, оставленная открытой для воздуха, медленно испаряется с его поверхности. Давление его паров намного ниже, чем атмосферное давление. Внутри также образуются микроскопические пузырьки. но эти крошечные пузырьки водяного пара с низким давлением, равным давление, немедленно подавляются гораздо более высоким давлением атмосфера давит на поверхность жидкости. Когда вода нагревается и его температура достигает 100 ^o C, давление его паров достигает давление окружающего воздуха. Теперь пузырьки, которые образуются при испарении в внутренности жидкости больше не подавляются. Они вырастают до больших размеров, поднимаются на поверхность и выпускают пары в воздух. Это иногда взрывоопасно испарение, которое начинается внутри жидкости, называется кипением. Пузыри представляют собой водяной пар, возможно смешанный с небольшим количеством воздуха, который раньше растворил воду. Ранее растворенный воздух также производит крошечные пузырьки. которые появляются в начале процесса нагрева.

Вопрос:

Погода в Ноксвилле летом часто жаркая и влажная. Под теми условиях, почему время после восхода солнца самое комфортное время суток? Почему это не время сразу после захода солнца, когда температура начинает падать? немного опуститься?

Ответ:
Сразу после восхода солнца, когда температура повышается, скорость испарения увеличивается. Однако количество водяного пара в воздухе все еще невелико. Поэтому скорость конденсации и относительная влажность довольно низкие. Таким образом, пот на коже испаряется. Испарение охлаждает оставшуюся пот и, посредством проводимости, кожу. Так как плотность водяного пара в воздух увеличивается, чистая скорость испарения уменьшается, потому что больше и больше молекул попадает в жидкость. Пот больше не охлаждает кожу эффективно. Сразу после захода солнца, когда температура падает, влажность увеличивается еще больше, потому что скорость испарения падает, но плотность водяного пара в воздухе по-прежнему высока.

Вопрос:

Работала бы “Dippy Bird”, если бы влажность была 100%?

---

Фазовые диаграммы

Каждое вещество может существовать в твердом, жидком или газообразном состоянии. Фазовая диаграмма представляет собой график всех кривых равновесия между любые две фазы на диаграмме давление-температура. Точная форма фазовая диаграмма зависит от вещества. Там только одна точка диаграмма, на которой все три фазы чистого вещества находятся в равновесие. Это называется тройная точка .

---

Встроенный вопрос 2

Какая связь между теплом и температурой? Объяснять!

Обсудите это со своими однокурсниками на форуме!

14.2 Изменение температуры и теплоемкость – Колледж физики, главы 1-17

14 Методы теплопередачи и переноса

Резюме

• Наблюдайте за теплопередачей и изменением температуры и массы.
• Рассчитать конечную температуру после теплопередачи между двумя объектами.

Одним из основных эффектов теплопередачи является изменение температуры: нагревание повышает температуру, а охлаждение снижает ее. Мы предполагаем, что фазового перехода нет и что над системой или системой не совершается никакой работы. Опыты показывают, что передаваемое тепло зависит от трех факторов — изменения температуры, массы системы, вещества и фазы вещества.

Рис. 1. Теплота, Q переданная для изменения температуры, зависит от величины изменения температуры, массы системы, а также вовлеченного вещества и фазы. а) Количество переданного тепла прямо пропорционально изменению температуры. Чтобы удвоить изменение температуры массы m , нужно удвоить теплоту. б) Количество переданного тепла также прямо пропорционально массе. Чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в удвоенной массе, нужно добавить в два раза больше тепла. в) Количество переданного тепла зависит от вещества и его фазы. Если требуется сумма Q тепла, чтобы вызвать изменение температуры Δ T в заданной массе меди, потребуется в 10,8 раз больше тепла, чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в той же массе воды при условии отсутствия фазового перехода в любом веществе.

Зависимость от изменения температуры и массы легко понять. Благодаря тому, что (средняя) кинетическая энергия атома или молекулы пропорциональна абсолютной температуре, внутренняя энергия системы пропорциональна абсолютной температуре и числу атомов или молекул. Благодаря тому, что переданное тепло равно изменению внутренней энергии, теплота пропорциональна массе вещества и изменению температуры. Переносимое тепло также зависит от вещества, так что, например, теплота, необходимая для повышения температуры, для спирта меньше, чем для воды. Для одного и того же вещества передаваемая теплота также зависит от фазы (газовая, жидкая или твердая). { \circ}\textbf{C)}}.[/latex]Напоминаем, что изменение температуры[latex]\boldsymbol{(\Delta{T})}[/latex]одинаково в единицах кельвина и градусах Цельсия. Если теплоотдачу измерять в килокалориях, то 9{\circ}\textbf{C}}}.[/латекс]

Значения удельной теплоемкости обычно нужно искать в таблицах, потому что нет простого способа их рассчитать. В общем случае удельная теплоемкость также зависит от температуры. В таблице 1 приведены репрезентативные значения удельной теплоемкости для различных веществ. За исключением газов, зависимость теплоемкости большинства веществ от температуры и объема слабая. Из этой таблицы мы видим, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла, и в десять раз больше, чем у железа, а это значит, что требуется в пять раз больше теплоты, чтобы поднять температуру воды на ту же величину, что и для стекла, и в десять раз больше, чем для стекла. много тепла, чтобы поднять температуру воды, как для железа. На самом деле вода имеет одну из самых больших удельных теплоемкостей среди всех материалов, что важно для поддержания жизни на Земле. 9{\circ}\textbf{C}}.[/latex](a) Сколько тепла требуется? Какой процент тепла используется для повышения температуры (b) кастрюли и (c) воды?

Стратегия

Посуда и вода всегда имеют одинаковую температуру. Когда вы ставите кастрюлю на плиту, температура воды и сковороды увеличивается на одинаковую величину. Воспользуемся уравнением теплообмена при заданном изменении температуры и массы воды и алюминия. Удельные теплоемкости воды и алюминия приведены в табл. 1. 94\textbf{J}=27.0\textbf{кДж}}.[/latex]

Сравните процент тепла, поступающего в кастрюлю, и процент тепла, поступающего в воду. Сначала находим общее количество переданного тепла:

[латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{Всего}}=Q_{\textbf{W}}+Q_{\textbf{Al}}=62,8\textbf{кДж}+ 27,0\textbf{кДж}=89,8\ textbf{кДж}}.[/латекс]

Таким образом, количество тепла, идущего на нагрев сковороды, равно

[латекс]\boldsymbol{\frac{27,0\textbf{кДж}}{89,8\textbf{кДж}}}[/latex][латекс]\boldsymbol {\times100\%=30,1\%},[/латекс]

, а количество, идущее на нагрев воды, равно

[латекс]\boldsymbol{\frac{62,8\textbf{кДж}}}{89,8\textbf{кДж}}}[/latex][латекс]\boldsymbol{\times100 \%=69,9\%}. [/latex]

Обсуждение

В этом примере тепло, переданное контейнеру, составляет значительную долю от общего количества переданного тепла. Хотя масса кастрюли в два раза больше массы воды, удельная теплоемкость воды более чем в четыре раза больше, чем у алюминия. Следовательно, для достижения заданного изменения температуры воды требуется чуть более чем в два раза больше тепла по сравнению с алюминиевой кастрюлей.

Рис. 2. Дымящиеся тормоза этого грузовика являются видимым свидетельством механического эквивалента тепла.

Пример 2: Расчет увеличения температуры по работе, проделанной над веществом: Перегрев тормозов грузовика при движении под уклон тормозной материал. Это преобразование предотвращает преобразование потенциальной энергии гравитации в кинетическую энергию грузовика. Проблема заключается в том, что масса грузовика велика по сравнению с массой тормозного материала, поглощающего энергию, и повышение температуры может происходить слишком быстро, чтобы достаточное количество тепла передавалось от тормозов в окружающую среду.

9{\circ}\textbf{C}}[/latex], если материал удерживает 10% энергии от 10 000-килограммового грузовика, спускающегося с высоты 75,0 м (при вертикальном перемещении) с постоянной скоростью.

Стратегия

Если тормоза не задействованы, гравитационная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию. При торможении потенциальная энергия гравитации преобразуется во внутреннюю энергию тормозного материала. Сначала мы вычисляем гравитационную потенциальную энергию[латекс]\boldsymbol{(Mgh)}[/латекс], которую весь грузовик теряет при спуске, а затем находим повышение температуры только в тормозном материале. 9{\circ}\textbf{C}}.[/латекс]

Обсуждение

Эта температура близка к температуре кипения воды. Если бы грузовик какое-то время ехал, то непосредственно перед спуском температура тормозов, вероятно, была бы выше температуры окружающей среды. Повышение температуры при спуске, вероятно, повысит температуру тормозного материала выше точки кипения воды, поэтому этот метод нецелесообразен. Однако та же идея лежит в основе новейшей гибридной технологии автомобилей, где механическая энергия (потенциальная энергия гравитации) преобразуется тормозами в электрическую энергию (аккумулятор).

Вещества	Удельная теплоемкость ( c )
Твердые вещества	Дж/кг⋅ºC	ккал/кг⋅ºC 2
Алюминий	900	0,215
Асбест	800	0,19
Бетон, гранит (средний)	840	0,20
Медь	387	0,0924
Стекло	840	0,20
Золото	129	0,0308
Тело человека (в среднем при 37 °С)	3500	0,83
Лед (средний, от -50°C до 0°C)	2090	0,50
Железо, сталь	452	0,108
Свинец	128	0,0305
Серебро	235	0,0562
Дерево	1700	0,4
Жидкости
Бензол	1740	0,415
Этанол	2450	0,586
Глицерин	2410	0,576
Меркурий	139	0,0333
Вода (15,0 °С)	4186	1. 000
Газы 3
Воздух (сухой)	721 (1015)	0,172 (0,242)
Аммиак	1670 (2190)	0,399 (0,523)
Углекислый газ	638 (833)	0,152 (0,199)
Азот	739 (1040)	0,177 (0,248)
Кислород	651 (913)	0,156 (0,218)
Пар (100°C)	1520 (2020)	0,363 (0,482)
Таблица 1. Удельная теплоемкость 1 различных веществ

Обратите внимание, что пример 2 является иллюстрацией механического эквивалента тепла. В качестве альтернативы, повышение температуры может быть произведено с помощью паяльной лампы вместо механического. 9{\circ}\textbf{C}}.[/latex]Предположим, что кастрюля находится на изолированной подушке и что незначительное количество воды выкипает. При какой температуре вода и кастрюля через короткое время достигают теплового равновесия?

Стратегия

Кастрюля размещена на изолирующей прокладке, чтобы обеспечить небольшой теплообмен с окружающей средой. Первоначально кастрюля и вода не находятся в тепловом равновесии: кастрюля имеет более высокую температуру, чем вода. Затем теплопередача восстанавливает тепловое равновесие, когда вода и кастрюля соприкасаются. Поскольку теплопередача между кастрюлей и водой происходит быстро, масса испаряемой воды пренебрежимо мала, а величина тепла, теряемого кастрюлей, равна теплу, приобретаемому водой. Обмен теплом прекращается, как только достигается тепловое равновесие между чашей и водой. Теплообмен можно записать как[латекс]\жирныйсимвол{|Q_{\textbf{горячий}}|=Q_{\textbf{холодный}}}.[/латекс] 9{\circ}\textbf{C})}.[/латекс]

Обратите внимание, что[latex]\boldsymbol{Q_{\textbf{hot}}0}[/latex]и что в сумме они должны равняться нулю, потому что тепло, теряемое горячей кастрюлей, должно быть таким же, как тепло, получаемое холодной водой. {\circ}\textbf{C}).} \end{массив}[/latex] 9{\circ}\textbf{C}}?[/latex]Причина в том, что вода имеет большую удельную теплоемкость, чем большинство обычных веществ, и, таким образом, претерпевает небольшое изменение температуры при заданной теплопередаче. Большому водоему, такому как озеро, требуется большое количество тепла, чтобы заметно повысить его температуру. Это объясняет, почему температура озера остается относительно постоянной в течение дня даже при больших изменениях температуры воздуха. Однако температура воды меняется в течение более длительного времени (например, с лета на зиму).

ДОМАШНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ: ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗЕМЛИ И ВОДЫ

Что нагревается быстрее, земля или вода?

Для изучения различий в теплоемкости:

• Поместите равные массы сухого песка (или почвы) и воды одинаковой температуры в два небольших сосуда. (Средняя плотность почвы или песка примерно в 1,6 раза выше, чем у воды, поэтому вы можете достичь примерно равных масс, используя [латекс]\boldsymbol{50\%}[/латекс]больше воды по объему.