Единицы теплоты
“…- Сколько попугаев в тебе поместится, такой у тебя рост.
– Очень надо! Я не стану глотать столько попугаев!…”
Из м/ф “38 попугаев”
В соответствии с международными правилами СИ (международная система единиц измерения) количество тепловой энергии или количество тепла измеряется в Джоулях [Дж], также существуют кратные единицы килоДжоуль [кДж] = 1000 Дж., МегаДжоуль [МДж] = 1 000 000 Дж, ГигаДжоуль [ГДж] = 1 000 000 000 Дж. и пр. Эта единица измерения тепловой энергии является основной международной единицей и наиболее часто используется при проведении научных и научно-технических расчётов.
Однако, все из нас знают или хотя бы раз слышали и другую единицу измерения количества теплоты (или просто тепла) это калория, а также килокалория, Мегакалория и Гигакалория, что означают приставки кило, Гига и Мега, смотреть пример с Джоулями выше. В нашей стране исторически сложилось так, что при расчёте тарифов за отопление, будь то отопление электроэнергией, газовыми или пеллетными котлами принято считать стоимость именно одной Гигакалории тепловой энергии.
Так что же такое Гигакалория, килоВатт, килоВатт*час или килоВатт/час и Джоули и как они связаны между собой?, вы узнаете в этой статье.
Итак, основная единица тепловой энергии это, как уже было сказано, Джоуль. Но прежде чем говорить об единицах измерения необходимо в принципе на бытовом уровне разъяснить что такое тепловая энергия и как и для чего её измерять.
Всем нам с детства известно, чтобы согреться (получить тепловую энергию) нужно что-то поджечь, поэтому все мы жгли костры, традиционное топливо для костра – это дрова. Таким образом, очевидно, при горении топлива (любого: дрова, уголь, пеллеты, природный газ, солярка) выделяется тепловая энергия (тепло). Но, чтобы нагреть, к примеру, различные объёмы воды требуется разное количество дров (или иного топлива). Ясно, что для нагрева двух литров воды достаточно нескольких пален в костре, а чтобы приготовить полведра супа на весь лагерь, нужно запастись несколькими вязанками дров. Чтобы не измерять такие строгие технические величины, как количество теплоты и теплота сгорания топлива вязанками дров и вёдрами с супом, теплотехники решили внести ясность и порядок и договорились выдумать единицу количества теплоты.
Чтобы эта единица была везде одинаковая её определили так: для нагрева одного килограмма воды на один градус при нормальных условиях (атмосферном давлении) требуется 4 190 калорий, или 4,19 килокалории, следовательно, чтобы нагреть один грамм воды будет достаточно в тысячу раз меньше теплоты – 4,19 калории.
Калория связана с международной единицей тепловой энергии – Джоулем следующим соотношением:
1 калория = 4,19 Джоуля.
Таким образом, для нагрева 1 грамма воды на один градус потребуется 4,19 Джоуля тепловой энергии, а для нагрева одного килограмма воды 4 190 Джоулей тепла.
В технике, наряду с единицей измерения тепловой (и всякой другой) энергии существует единица мощности и, в соответствии с международной системой (СИ) это Ватт. Понятие мощности также применимо и к нагревательным приборам. Если нагревательный прибор способен отдать за 1 секунду 1 Джоуль тепловой энергии, то его мощность равна 1 Ватт. Мощность, это способность прибора производить (создавать) определённое количество энергии (в нашем случае тепловой энергии) в единицу времени.
Вернёмся к нашему примеру с водой, чтобы нагреть один килограмм (или один литр, в случае с водой килограмм равен литру) воды на один градус Цельсия (или Кельвина, без разницы) нам потребуется мощность 1 килокалория или 4 190 Дж. тепловой энергии. Чтобы нагреть один килограмм воды за 1 секунду времени на 1 грдус нам нужен прибор следующей мощности:
4190 Дж./1 с. = 4 190 Вт. или 4,19 кВт.
Если мы хотим нагреть наш килограмм воды на 25 градусов за ту же секунду, то нам потребуется мощность в двадцать пять раз больше т.е.
4,19*25 =104,75 кВт.
Таким образом, можно сделать вывод, что пеллетный котёл мощностью 104,75 кВт. нагревает 1 литр воды на 25 градусов за одну секунду.
Раз мы добрались до Ватт и килоВатт, следует и о них словечко замолвить. Как уже было сказано Ватт – это единица мощности, в том числе и тепловой мощности котла, но ведь кроме пеллетных котлов и газовых котлов человечеству знакомы и электрокотлы, мощность которых измеряется, разумеется, в тех же килоВаттах и потребляют они не пеллеты и не газ, а электроэнергию, количество которой измеряется в килоВатт часах.
Правильное написание единицы энергии килоВатт*час (именно, килоВатт умножить на час, а не разделить), запись кВт/час – является ошибкой!
В электрокотлах электрическая энергия преобразуется в тепловую (так называемое, Джоулево тепло), и , если котёл потребил 1 кВт*час электроэнергии, то сколько же он выработал тепла? Чтобы ответить на это простой вопрос, нужно выполнить простой расчёт.
Преобразуем килоВатты в килоДжоули/секунды (килоДжоуль в секунду), а часы в секунды: в одном часе 3 600 секунд, получим:
1 кВт*час =[ 1 кДж/с]*3600 c.=1 000 Дж *3600 с = 3 600 000 Джоулей или 3,6 МДж.
Итак,
1 кВт*час = 3,6 МДж.
В свою очередь, 3,6 МДж/4,19 = 0,859 Мкал = 859 ккал = 859 000 кал. Энергии (тепловой).
Теперь перейдём к Гигакалории, цену которой на различных видах топлива любят считать теплотехники.
1 Гкал = 1 000 000 000 кал.
1 000 000 000 кал. = 4,19*1 000 000 000 = 4 190 000 000 Дж.= 4 190 МДж. = 4,19 ГДж.
Или зная, что 1 кВт*час = 3,6 МДж пересчитаем 1 Гигакалорию на килоВатт*часы:
1 Гкал = 4190 МДж/3,6 МДж = 1 163 кВт*часов!
Если прочитав данную статью вы решили, проконсультироваться со специалистом нашей компании по любому вопросу, связанному с теплоснабжением, то вам Сюда!
Количество теплоты, удельная теплоемкость
От чего зависит количество теплотыВнутренняя энергия тела изменяется при совершении работы или теплопередаче.
При явлении теплопередачи внутренняя энергия передается теплопроводностью, конвекцией или излучением.
Каждое тело при нагревании или охлаждении (при теплопередаче) получает или теряет какое-то количество энергии. Исходя из этого, принято это количество энергии назвать количеством теплоты.
Итак, количество теплоты – это та энергия, которую отдает или получает тело в процессе теплопередачи.
Какое количество теплоты необходимо для нагревания воды? На простом примере можно понять, что для нагревания разного количества воды потребуется разное количество теплоты. Допустим, возьмем две пробирки с 1 литром воды и с 2-мя литрами воды. В каком случае потребуется большее количество теплоты? Во втором, там, где в пробирке 2 литра воды. Вторая пробирка будет нагреваться дольше, если мы подогреваем их одинаковым источником огня.
Таким образом, количество теплоты зависит от массы тела. Чем больше масса, тем большее количество теплоты требуется для нагрева и, соответственно, на охлаждение тела требуется большее время.
От чего еще зависит количество теплоты? Естественно, от разности температур тел. Но это еще не все. Ведь если мы попытаемся нагреть воду или молоко, то нам потребуется разное количество времени. Т.е получается, что количество теплоты зависит от вещества, из которого состоит тело.
В итоге получается, что количество теплоты, которое нужно для нагревания или количество теплоты, которое выделяется при остывании тела, зависит от его массы, от изменения температуры и от вида вещества, из которого состоит тело.
В чем измеряется количество теплотыЗа единицу количества теплоты принято считать 1 Джоуль. До появления единицы измерения энергии ученые считали количество теплоты калориями. Сокращенно эту единицу измерения принято писать – “Дж”
Калория – это количество теплоты, которое необходимо для того, чтобы нагреть 1 грамм воды на 1 градус Цельсия. Сокращенно единицу измерения калории принято писать – “кал”.
1 кал = 4,19 Дж.
Обратите внимание, что в этих единицах энергии принято отмечать пищевую ценность продуктов питания кДж и ккал.
1 ккал = 1000 кал.
1 кДж = 1000 Дж
1 ккал = 4190 Дж = 4,19 кДж
Что такое удельная теплоемкостьКаждое вещество в природе имеет свои свойства, и для нагрева каждого отдельного вещества требуется разное количество энергии, т.е. количества теплоты.
Удельная теплоемкость вещества – это величина, равная количеству теплоты, которое нужно передать телу с массой 1 килограмм, чтобы нагреть его на температуру 1 0C
Удельная теплоемкость обозначается буквой c и имеет величину измерения Дж/кг*
Например, удельная теплоемкость воды равна 4200 Дж/кг*0C. То есть это то количество теплоты, которое нужно передать 1 кг воды, чтобы нагреть ее на 1 0C
Следует помнить, что удельная теплоемкость веществ в разных агрегатных состояниях различна.
То есть для нагревания льда на 1 0C потребуется другое количество теплоты.
Например, необходимо рассчитать количество теплоты, которое нужно потратить для того, чтобы нагреть 3 кг воды с температуры 15 0С до температуры 85 0С. Нам известна удельная теплоемкость воды, то есть количество энергии, которое нужно для того, чтобы нагреть 1 кг воды на 1 градус. То есть для того, чтобы узнать количество теплоты в нашем случае, нужно умножить удельную теплоемкость воды на 3 и на то количество градусов, на которое нужно увеличить температуры воды. Итак, это 4200*3*(85-15) = 882 000.
В скобках мы рассчитываем точное количество градусов, отнимая от конечного необходимого результата начальное
Итак, для того, чтобы нагреть 3 кг воды с 15 до 85 0С, нам потребуется 882 000 Дж количества теплоты.
Количество теплоты обозначается буквой Q, формула для его расчета выглядит следующим образом:
Q=c*m*(t2-t1).
Задача 1. Какое количество теплоты потребуется для нагрева 0,5 кг воды с 20 до 50 0С
Дано:
m = 0,5 кг.,
с = 4200 Дж/кг*0С,
t1 = 20 0С,
t2 = 50 0С.
Величину удельной теплоемкость мы определили из таблицы.
Решение:
количество теплоты определяется по формуле Q=c*m*(t2-t1).
Подставляем значения:
Q=4200*0,5*(50-20) = 63 000 Дж = 63 кДж.
Ответ: Q=63 кДж.
Задача 2. Какое количество теплоты потребуется для нагревания алюминиевого бруска массой 0,5 кг на 85 0С?
Дано:
m = 0,5 кг.,
с = 920 Дж/кг*0С,
t1 = 0 0С,
t2 = 85 0С.
Решение:
количество теплоты определяется по формуле Q=c*m*(t2-t1).
Подставляем значения:
Q=920*0,5*(85-0) = 39 100 Дж = 39,1 кДж.
Ответ: Q= 39,1 кДж.
Теплоемкость и хранение энергии
Печать
Теплоемкость и хранение энергии
Когда наша планета поглощает и излучает энергию, температура меняется, и взаимосвязь между изменением энергии и изменением температуры материала заключена в понятии тепла емкость, иногда называемая удельной теплоемкостью. Проще говоря, теплоемкость выражает, сколько энергии нужно для изменения температуры данной массы. Допустим, у нас есть кусок камня весом один килограмм, и у камня есть теплоемкость 2000 Дж на килограмм на °C — это означает, что нам нужно добавить 2000 Дж энергии, чтобы увеличить температуру камня на 1 °С. Если бы наш камень имел массу 10 кг, нам потребовалось бы 20 000 Дж, чтобы получить такое же повышение температуры. Напротив, теплоемкость воды составляет 4184 Дж на кг на °К, поэтому вам потребуется в два раза больше энергии, чтобы изменить ее температуру на ту же величину, что и горная порода.
История охлаждения воздуха и воды
Нажмите, чтобы увидеть текстовое описание
История охлаждения двух одинаковых кубов, один из которых состоит из воздуха, а другой из воды, при одинаковой начальной температуре (293 °K, что равно 20 °C). В этой модели кубы теряют тепло с поверхности площадью 1 м2 и не получают энергии от своего окружения, что равносильно утверждению, что они находятся в вакууме. Если бы вы сделали это на своем заднем дворе, окружающий воздух передал бы тепловую энергию кубам, если бы их температура упала ниже температуры окружающей среды. Обратите внимание, что температура воздуха сначала падает очень быстро, но с каждым падением температуры он выделяет меньше энергии в течение следующего интервала времени, поэтому скорость охлаждения уменьшается. Напротив, вода остывает очень и очень медленно; энергия, которую он излучает, является каплей в море (так сказать) по сравнению с общим количеством энергии во всем кубическом метре, поэтому изменение температуры невелико.
Авторы и права: Дэвид Байс © Государственный университет Пенсильвании имеет лицензию CC BY-NC-SA 4.0
Теплоемкость материала вместе с его общей массой и температурой говорят нам, сколько тепловой энергии хранится в материале. Например, если у нас есть квадратная ванна, наполненная водой один метр в глубину и один метр по сторонам, то у нас есть один кубический метр воды. Так как плотность воды 1000 кг/м 3 , эта ванна имеет массу 1000 кг. Если температура воды 20 °C (293 °K), затем мы умножаем массу (1000) на теплоемкость (4184) на температуру (293) в °K, чтобы найти, что наш кубический метр воды содержит 1,22e9 (1,2 миллиарда) джоулей энергии. Представьте себе на мгновение два кубических метра материала, один из которых состоит из воды, а другой — из воздуха. Воздух имеет теплоемкость около 700 Дж на кг на °К и плотность всего 1,2 кг/м 3 , поэтому его начальная энергия будет равна 700 х 1 х 1,2 х 293 = 246 120 Дж — ничтожная доля тепловой энергии.
энергия, запасенная в воде. Если два куба имеют одинаковую температуру, они будут излучать одинаковое количество энергии своими поверхностями в соответствии с описанным выше законом Стефана-Больцмана. Если энергия, потерянная за интервал времени, одинакова, то температура куба воздуха уменьшится намного больше, чем температура воды, и поэтому в следующем интервале времени вода будет излучать больше энергии, чем воздух, но воздух остынет еще больше, поэтому будет излучать меньше энергии. В результате температура водяного куба гораздо стабильнее воздуха — вода меняется гораздо медленнее; он дольше держит температуру. На рисунке выше показаны результаты компьютерной модели, которая отслеживает температуру этих двух кубов.
Подводя итог, можно сказать, что чем выше теплоемкость, тем больше тепловая инерция, а это означает, что сложнее добиться изменения температуры. Эта концепция важна, поскольку Земля состоит из материалов с очень разной теплоемкостью — воды, воздуха и горных пород; они совершенно по-разному реагируют на нагрев и охлаждение.
Теплоемкость некоторых распространенных материалов указана в таблице ниже.
| Вещество | Теплоемкость (Джкг -1 К -1 ) |
|---|---|
| Вода | 4184 |
| Лед | 2008 |
| Средний камень | 2000 |
| Влажный песок (20% воды) | 1500 |
| Снег | 878 |
| Сухой песок | 840 |
| Земли с растительностью | 830 |
| Воздух | 700 |
Проверьте свое понимание
‹ Инсоляция вверх Парниковый эффект и глобальный энергетический бюджет ›
Термодинамические свойства тепловой энергии
Термодинамические свойства тепловой энергии
Каталог термодинамики | Каталог теплопередачи
Тепловая энергия
Теплота , как и работа, представляет собой энергию в пути.
Как и в случае с работой, количество переданного тепла зависит от пути, а не просто от начального и конечного состояния системы. Кроме того, как и в случае с работой, важно различать тепло, добавляемое к системе из ее окружения, и тепло, отводимое от системы в ее окружение. Положительное значение тепла указывает на то, что тепло добавляется к системе ее окружением. Это противоположно работе, которая положительна, когда энергия передается от системы, и отрицательна, когда передается системе. Символ q иногда используется для обозначения количества тепла, поступающего в систему или отводимого от нее на единицу массы. Он равен общему количеству добавленного или удаленного тепла (Q), деленному на массу (m).
Пример:
Определите количество тепла, передаваемое на единицу массы, если 1500 БТЕ передаются 40 фунтам воды.
Решение:
Используя уравнение 1-16
Наилучший способ дать количественную оценку определению теплоты – это рассмотреть взаимосвязь между количеством тепла, добавляемого в систему или удаляемого из нее, и изменением температуры системы. . Всем знакомы физические явления, что при нагревании вещества его температура повышается, а при охлаждении температура понижается. Теплота, добавляемая к веществу или отводимая от него для изменения его температуры, называется 9.0113 явная теплота
Другой тип теплоты называется скрытой теплотой .
Скрытая теплота — это количество теплоты, добавляемое к веществу или отводимое от него для изменения фазы. При добавлении скрытой теплоты изменения температуры не происходит. Существует два типа скрытой теплоты. Первый — это скрытая теплота плавления . Это количество тепла, добавляемого или отводимого для перехода из твердого состояния в жидкое. Второй тип скрытой теплоты – это скрытая теплота парообразования . Это количество тепла, добавляемого или отводимого для фазового перехода между жидкостью и паром. Скрытую теплоту парообразования иногда называют скрытой теплотой конденсации.
Различные вещества подвергаются воздействию тепла в разной степени. При подводе к разным веществам определенного количества теплоты их температуры увеличиваются на разную величину. Отношение количества тепла (Q), присоединенного к веществу или отведенного от него, к полученному изменению температуры (ΔT) называется теплоемкость (C p ) вещества. Теплоемкостью вещества на единицу массы называется удельная теплоемкость (с р ) вещества.
Нижний индекс p указывает на то, что теплоемкость и удельная теплоемкость применяются, когда тепло добавляется или отводится при постоянном давлении.
Один фунт воды поднимается на 1°F и добавляется одна БТЕ тепла. Это означает, что удельная теплоемкость (c p ) воды составляет одну БТЕ/фунт-°F. С стр воды равен одной БТЕ/фунт-°F только при 39,1°F.
Преобразовывая уравнение 1-17, мы получаем Q=mc
Пример:
Сколько тепла требуется, чтобы поднять температуру 5 фунтов воды с 50°F до 150°F? (Примите удельную теплоемкость (c p ) для воды постоянна при 1,0 БТЕ/фунт-°F.)
Решение:
Из предыдущих рассуждений о теплоте и работе очевидно, что между ними есть много общего.