Исследование теории и задач по теме «Тепловые явления»
жүктеу/скачать 1.41 Mb.
|
| Конденсация — процесс, обратный кипению. Это переход вещества из газообразного состояния в жидкое.
Конденсация происходит при температуре кипения, которая также не изменяется во время всего процесса. Количество теплоты, выделяемое в процессе конденсации: Q=−rm |
|
Процесс |
Что происходит |
Количество выделенной теплоты |
|
1–2 |
Нагревание твердого тела |
Q=cтm(tпл−t0) ст - удельная теплоемкость вещества в твердом состоянии. |
|
2–3 |
Плавление при температуре плавления (tпл) |
Q=λm |
|
3–4 |
Нагревание жидкости |
Q=cжm(tкип−tпл) сж - удельная теплоемкость вещества в жидком состоянии. |
|
4–5 |
Кипение при температуре кипения (tкип) |
Q=rm |
|
5–6 |
Нагревание пара |
Q=cпm(t−tкип) сп — удельная теплоемкость вещества в газообразном состоянии. |
|
6–7 |
Охлаждение пара |
Q=cпm(tкип−t) |
|
7–8 |
Кипение при температуре кипения (tкип) |
Q=−rm |
|
8–9 |
Охлаждение жидкости |
Q=cжm(tпд−tкип) |
|
9–10 |
Отвердевание при температуре плавления (tпл) |
Q=−λm |
|
10–11 |
Охлаждение твердого тела |
Q=cтm(t0−tпл) |
1.3.2 Теплопередача, теплопроводность
Если соседние участки покоящегося в целом тела имеют разные локальные температуры, то, как показывает практика, между этими участками происходит теплообмен. Причем энергия переходит от участка с большей температурой к участку с меньшей температурой, и суммарная энергия, конечно, сохраняется.
В качестве примера термодинамической системы, в которой непрерывно происходят процессы теплообмена между отдельными частями, а также процессы теплообмена с другими термодинамическими системами можно привести атмосферу Земли. Она все время получает теплоту от Солнца, обменивается теплотой с поверхностью Земли и с Космосом, кроме того, в самой атмосфере непрерывно происходят конвективные движения воздушных масс и теплообмен между соседними участками с разной температурой.
На основе анализа многочисленных экспериментальных данных были выделены несколько различных механизмов, которые обуславливают передачу теплоты от одного предмета к другому.
Первый из них – механизм теплопроводности (действует при непосредственном механическом контакте тел). Количество теплоты, переданное посредством механизма теплопроводности от одного тела (№1) к другому (№2) равно:
В этой эмпирической формуле t – время, в течение которого шел процесс теплопередачи, S – площадь контакта, Н – толщина слоя материала, через который происходит поток теплоты, Т1 и Т2 – температуры тел, обменивающихся теплотой. Если температура тела №1 больше температуры тела №2, то величина Q1-2>0. Коэффициент λ характеризует теплопроводность материала. Размерность λ равна Вт/м/град. Мощность тепловых потерь тела №1 равна, соответственно:
Эта эмпирическая формула очень хорошо «работает» в широком диапазоне температур. Величина коэффициента теплопроводности λ зависит не только от материала, через который передается теплота, но и от температур Т1 и Т2. Если выбирать достаточно близкие значения этих температур Т1 ≈ Т2, то можно говорить о зависимости величины λ от соответствующей средней температуры, при которой идет процесс теплопередачи. Обычно с повышением средней температуры коэффициент λ уменьшается. Обсуждать причины такой зависимости мы пока не будем. В размещенной ниже таблице приведены коэффициенты теплопроводности для разных веществ и материалов. Как видно, диапазон изменения этого коэффициента весьма велик, и величина коэффициента зависит не только от вещества, но и от состояния, в котором вещество находится.
Задача 1: Зная коэффициент теплопроводности кирпича или бетона, оцените тепловые потери через стены и крышу школьного здания зимой. Размеры здания и другие необходимые параметры измерьте самостоятельно.
Второй важный механизм теплопередачи – излучение. Излучение происходит с поверхности тел. Эмпирический закон, установленный на основе анализа экспериментальных результатов, гласит, что мощность теплового излучения тела пропорциональна площади излучающей поверхности S, 4-й степени абсолютной температуры поверхности тела Т1, и зависит от материала (вещества) тела. Это соотношение между величинами носит название: закон Стефана – Больцмана.
Коэффициентом пропорциональности в приведенном соотношении служит постоянная Стефана – Больцмана:
σ = 5.67 ×10-8Вт/(м2 К4).
К – Кельвин. Коэффициент γ – характеризует поверхность материала и называется коэффициентом «нечерноты». Для так называемого «абсолютно чёрного тела» он равен единице.
Закон Стефана-Больцмана не объясняется классической физикой. Правильная интерпретация этого закона дается в квантовой механике. Постоянная Стефана-Больцмана σ рассчитывается тоже методами квантовой механики. Она выражается через фундаментальные константы: постоянную Планка h, скорость света c, постоянную Больцмана k.
Абсолютно чёрным называют тело, которое поглощает все излучение, падающее на него.
Приведенная эмпирическая формула закона подходит, например, для расчетов тепловых потерь уединённого шарика в космическом вакууме, где мощность падающего со всех сторон на шарик излучения пренебрежимо мала в сравнении с мощностью, которую сам горячий шарик излучает во все стороны. Если поверхность тела шероховатая или неровная, то в эту формулу входит некоторая «приведенная» или эквивалентная (по мощности излучения) площадь ровной поверхности излучающего тела.
Если окружение тела (среда) имеет температуру Т2, отличную от температуры тела, например, меньшую Т1, то баланс процессов теплопередачи таков, что тело отдаёт энергию окружению, и мощность тепловых потерь тела вычисляется в соответствии с формулой:
Здесь второе слагаемое в правой части соответствует поступлению теплоты к телу от окружения. При обратном соотношении температур, когда среда горячее, чем тело, тело не теряет, а наоборот, получает теплоту от среды. Величины γ1 и γ2 могут быть разными, так как разным температурам соответствуют разные распределения плотности энергии излучения по частотам (или по длинам волн).
Поднесите ладони к щекам на расстояние 1 – 2см. И щека и ладонь ощущают поток тепла. Прикоснитесь ладонью к куску пенопласта – тоже возникает ощущение потока тепла.
Задача 2. Оцените время уменьшения температуры воды от +90°С до +80°С в очень хорошо вакуумированном термосе емкостью 2л с пробковой крышкой. Температура воздуха в комнате +20°С. Форма колбы термоса – шар. Коэффициент отражения излучения стенками термоса примите равным 0,9.
Третий механизм передачи теплоты – конвекция. При конвекции теплота передается вместе с механическим движением вещества окружающей среды. Это движение можно охарактеризовать «расходом» вещества ρ – размерность этой величины может выбираться различными способами. Например, можно использовать массовый расход [кг/с] или молярный расход [моль/с]. Если движущееся вещество имеет удельную теплоемкость C, начальную температуру T2, и конечную температуру T1, то мощность тепловых потерь, связанная с конвекцией подвижной среды около тела вычисляется в соответствии формулой:
Если конвекция не принудительная, а «свободная», то мощность тепловых потерь тела при теплообмене с окружающей средой с помощью этого механизма пропорциональна площади S, на которой идет теплопередача, и разности температур тела T1 и окружающей среды T2. В этом случае количество теплоты, переданное посредством механизма конвекции, при небольших разностях температур описывается такой же по внешнему виду эмпирической формулой, что и для механизма теплопроводности. Например, вокруг горячего утюга, стоящего на подставке, или куска холодного льда, висящего на веревочке, самопроизвольно устанавливается такое движение воздуха, при котором холодный воздух опускается вниз, а теплый – поднимается вверх (если, конечно, отсутствует принудительное движение воздуха). Для самопроизвольного возникновения в среде свободной (не принудительной) конвекции при наличии разности температур необходимо одновременное выполнение нескольких условий. Должно присутствовать силовое поле, например, гравитационное, силы которого являются объёмными. Плотность вещества среды должна зависеть от температуры. Кроме того, нужно, чтобы вещество среды было подвижным, или другими словами обладало малой вязкостью, то есть представляло собой жидкость или газ. Указанные условия являются только необходимыми, но не достаточными. Результатом соблюдения этих условий должно быть такое состояние вещества среды, когда механическое равновесие является неустойчивым. Именно в этом случае и возникает конвекция.
От каких параметров среды зависит скорость теплопередачи (мощность) при свободной конвекции? Главные из них: плотность среды, коэффициент теплового объёмного расширения, удельная теплоемкость материала среды при постоянном давлении, величина гравитационного поля, вязкость среды (жидкости или газа), форма тела, теплопроводность материала среды. От них всех зависит коэффициент пропорциональности α в приведенной выше формуле для мощности тепловых потерь.
Конвекция в жидкости (или газе) приводит к тому, что уменьшается толщина слоя материала (среды), через который происходит передача тепла с помощью механизма теплопроводности. За счёт этого увеличивается отношение разности температур к толщине слоя материала, через который идет передача тепла посредством механизма теплопроводности. То есть конвекция «помогает» механизму теплопроводности передавать теплоту от тела к среде (или в обратную сторону).
Задача 3: Оцените скорость движения и толщину слоя воздуха, участвующего в конвекционном движении вблизи разогретого утюга (Т=250°С), стоящего вертикально.
жүктеу/скачать 1.41 Mb.
Достарыңызбен бөлісу: