Как найти температуру нагревания формула

Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении:

Вы уже знаете, что изменить внутреннюю энергию тела можно передачей ему количества теплоты. Как связано изменение внутренней энергии тела, т. е. количество теплоты, с характеристиками самого тела?

Внутренняя энергия тела есть суммарная энергия всех его частиц. Значит, если массу данного тела увеличить в два или три раза, то и количество теплоты, необходимое для его нагревания на одно и то же число градусов, увеличится в два или три раза. Например, на нагревание двух килограммов воды от 20 °C до 80 °C потребуется в два раза больше теплоты, чем на нагревание одного килограмма воды (рис. 40, а).

Очевидно также, что для нагревания воды на

Из этих рассуждений следует подтвержденный опытами вывод. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, прямо пропорционально его массе и изменению температуры.

А зависит ли количество теплоты, идущее на нагревание, от рода вещества, которое нагревается?

Для ответа на этот вопрос проведем опыт. В два одинаковых стакана нальем по 150 г подсолнечного масла и воды. Поместим в них термометры и поставим на нагреватель (рис. 41).

Получив за одинаковое время от нагревателя равное с водой количество теплоты, масло нагрелось больше, чем вода. Значит, для изменения температуры масла на одну и ту же величину требуется меньше теплоты, чем для изменения температуры такой же массы воды.

Поэтому для всех веществ вводят специальную величину — удельную теплоемкость вещества. Эту величину обозначают буквой с (от лат. capacite — емкость, вместимость). Теперь мы можем записать строгую формулу для количества теплоты, необходимого для нагревания:

Выразим из этой формулы с:

Удельная теплоемкость есть физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать 1 кг данного вещества, чтобы изменить его температуру на 1 °C. Удельная теплоемкость измеряется в джоулях на килограмм-градус Цельсия

Для любознательных:

Часто формулу записывают в виде  Здесь величина называется теплоемкостью тела (обратите внимание — не вещества). Она численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания всей массы тела на 1 °C. Измеряется теплоемкость тела в джоулях на градус Цельсия 

В таблице 1 представлены значения удельной теплоемкости различных веществ (в различных состояниях). Как следует из этой таблицы, среди жидкостей максимальное значение удельной теплоемкости имеет вода: для нагревания 1 кг воды на 1 °C требуется 4200 Дж теплоты — это почти в 2,5 раза больше, чем для нагревания 1 кг подсолнечного масла, и в 35 раз больше, чем для нагревания 1 кг ртути.

Формула дает возможность найти и выделяемую при охлаждении тела теплоту. Так как конечная температура остывшего тела меньше начальной  то изменение температуры оказывается отрицательным числом. Значит, и выделяемое телом количество теплоты выражается отрицательным числом, что обозначает не рост, а убыль внутренней энергии тела.

В заключение заметим, что при теплообмене двух или нескольких тел абсолютное значение количества теплоты, которое отдано более нагретым телом (телами), равно количеству теплоты, которое получено более холодным телом (телами):

Это равенство называется уравнением теплового баланса и выражает, по сути, закон сохранения энергии. Оно справедливо при отсутствии потерь теплоты.
Таблица 1. Удельная теплоемкость некоторых веществ

Главные выводы:

1. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела (выделившееся при охлаждении), прямо пропорционально его массе, изменению температуры тела и зависит от вещества тела.
2. Удельная теплоемкость вещества численно равна количеству теплоты, которое надо передать 1 кг данного вещества, чтобы изменить его температуру на 1 °C.
3. При теплообмене количество теплоты, отданное более горячим телом, равно по модулю количеству теплоты, полученному более холодным телом, если нет потерь теплоты.

• Заказать решение задач по физике

Пример решения задачи:

Для купания ребенка в ванночку влили холодную воду массой = 20 кг при температуре  = 12 °C. Какую массу горячей воды при температуре = 80 °C нужно добавить в ванночку, чтобы окончательная температура воды стала = 37 °C? Удельная теплоемкость воды с = 4200
Дано:

Решение

По закону сохранения энергии

Отдавала теплоту горячая вода, изменяя свою температуру от

Холодная вода получила эту теплоту и нагрелась от

Так как нас интересует только модуль  то можно записать:

Тогда

При решении мы пренебрегали потерями теплоты на нагревание ванночки, окружающего воздуха и т. д.

Возможен и другой вариант решения.

Рассчитаем сначала количество теплоты, которое было получено холодной водой:

Полагая, что эта теплота отдана горячей водой, запишем:  Выразим искомую массу:

Ответ:

Все неприличные комментарии будут удаляться.

все для проектирования

Формула расчета конечной температуры воды после смещения холодной и горячей:

где: Тс — температура смещенной воды, град.

М1 — масса холодной воды, кг

М2 — масса горячей воды, кг

Т1 — температура холодной воды, град.

Т2 — температура горячей воды, град.

Пример 1:

холодная вода 10 литров температурой 5 град смешивается с горячей водой 8 литров 60 градусов.

Необходимо определить конечную температуру воды. Подставляем все значения в формулу 1:

Формула расчета количество холодной и горячей воды в зависимости от температуры:

Бывает задача стоит в обратном направлении. Когда наоборот известно какую температуру необходимо иметь на выходе и общий вес воды, но не известна масса холодной и горячей воды. Тогда из формула 1 выводим новую формулу:

Пример 2:

из циркуляционного душа воды выходит температурой 36 градусов и объемом 40 литров. Необходимо определить количество холодной и горячей воды.

Как правило холодная вода имеет расчетную температуру 5 градусов. Горячая вода — 60 градусов.

Подставляем значения в формулу 2 и 3:

М1=(36*40-60*40)/(5-60)=17,45 литров холодной воды

М2=40-17,45=22,55 литров горячей воды

Удачного Вам дня! И успешных проектов!

Выше конечной целью теплового расчете являлось определение поверхности нагрева и основных размеров теплообменника для его дальнейшего конструирования. Предположим теперь, что теплообменник уже имеется или по крайней мере спроектирован. В этом случае целью теплового расчета является определение конечных температур рабочих жидкостей. Это — так называемый поверочный расчет.

При решении такой задачи известными являются следующие величины: поверхность нагрева F, коэффициент теплопередачи k, водяные эквиваленты W₁ и W₂ и начальные температуры t₁’ и t₂’, а искомыми: конечные температуры t₁” и t₂” и количество переданного тепла Q.

В приближенных расчетах можно исходить из следующих представлений. Количество тепла, отдаваемое горячей жидкостью, равно:

(2.13)

откуда конечная температура ее t₁” определяется соотношением:

(a)

Соответственно для холодной жидкости имеем:

(2.14)

(b)

Если принять, что температуры рабочих жидкостей меняются по линейному закону, то

(с)

Вместо неизвестных t₁” и t₂” подставим их значения из уравнений (а) и (b), тогда получим:

(d)

Произведя дальнейшее преобразование, имеем:

(e)

откуда окончательно получаем:

(2.15)

Зная количество переданного тепла Q, очень просто формулам (а) и (b) определить и конечные температуры рабочих жидкостей t₁” и t₂”.

Приведенная схема расчета, хотя и проста, однако применима лишь для ориентировочных расчетов и в случае небольших изменений температур жидкостей. В общем же случае конечная температура зависит от схемы движения рабочих жидкостей. Поэтому для прямотока и противотока ниже приводится вывод более точных формул.

1. Прямоток. Выше было показано, что температурный напор изменяется по экспоненциальному закону:

(2.16)

Имея в виду, что

и, что в конце поверхности нагрева Δt” = t₁’ – t₂’, то, подставляя эти значения в уравнение (19), последнее можно представить в следующем виде:

(2.17)

Однако, это уравнение дает лишь разности температур. Чтобы отсюда получить конечные температуры в отдельности, необходимо обе части равенства вычесть из единицы:

(2.18)

(2.19)

[см. разд.2.1 уравнение (2.5)].

то, подставляя это значение в левую часть уравнения (2.19), получаем:

(2.20)

Последнее уравнение, показывает, что изменение температуры горячей жидкости δt₁ равно некоторой доле П располагаемого начального температурного напора, t₁’ – t₂’; эта доля зависит только от двух безразмерных параметров и .

Аналогичным образом из уравнения (2.19) можно получить выражение и для изменения температуры холодной жидкости, а именно:

(2.21)

Определив изменения температур рабочих жидкостей и зная их начальные температуры, легко определить конечные:

(2.22)

Расход тепла определяется путем умножения водяного эквивалента жидкости на изменение ее температуры:

(2.23)

Значение функции приведено на рис. 2.5. Формулы (2.21) – (2.23) могут быть применены и для расчета промежуточных значений температуры рабочих жидкостей и количества тепла. В этом случае в, расчетные формулы вместо F надо подставить значение F_x.

Пример 2.2. Имеется водяной холодильник с поверхностью нагрева F=8 м 2 . Определить конечные температуры жидкостей и часовое количество передаваемого тепла Q, если заданы следующие величины: V₁= 0,25 м 3 /час, γ₁ = 1100 кг/м 3 , c_p1 = 0,727 ккал/кг °С и t₁’ = 120 °С Для охлаждения в распоряжении имеется 1000 л воды в час при температуре t₂’ = 10 °С. Кроме того, известно значение коэффициента теплопередачи k = 30 ккал/м 2 час °С.

Соответствующее значение функции П находим из рис.2.5:

Рис. 2.5. — вспомогательная функция для расчета конечной температуры при прямотоке

Изменение (понижение) температуры горячей жидкости согласно уравнению (2.20) равно:

Следовательно, конечная температура ее равна:

Количество переданного тепла в час определится по уравнению (2.23)

Изменение температуры холодной жидкости определяется по уравнению (2.21). Но его можно также определить и из соотношения Q = W₂ (t₂” — t₂’), откуда

2. Противоток. Для противотока расчетные формулы выводятся так же, как и для прямотока. Окончательно они имеют следующий вид:

(2.24)

(2.25)

(2.26)

В частном случае, когда формулы

(2.24) – (2.26) принимают вид:

(2.27)

(2.28)

(2.29)

Значение функции приведено на рис. 2.6.

Рис. 2.6. — вспомогательная функция для расчета конечной температуры при противотоке

Для расчета промежуточных значений температуры рабочих жидкостей и количества переданного тепла в формулах (2.23) – (2.29) в числителе значение F заменяется на F_x, а в знаменателе остается значение полной поверхности F.

Пример 2.3. Если взять тот же теплообменник, который был рассмотрен в условиях прямотока, и допустить, что условия теплопередачи остаются без изменения (k = 30 ккал/м 2 час °С), то получим следующие соотношения:

Из рис. 2.6 находим значение функции Z:

Изменение температуры горячей жидкости равно [уравнение (2.24)]:

Конечная температура ее:

Изменение температуры холодной жидкости [уравнение (2.25)];

Конечная температура ее:

Количество переданного тепла в час [уравнение (2.26)]:

Таким образом, в случае противотока в теплообменнике происходит более глубокое охлаждение горячей жидкости.

3. Сравнение прямотока с противотоком. Чтобы выявить преимущество одной схемы перед другой, достаточно сравнить количество передаваемого тепла при прямотоке и противотоке при равенстве прочих условий. Для этого необходимо уравнение (2.23) разделить на уравнение (2.26). В результате этого действия мы получаем новую функцию тех же двух безразмерных аргументов

характер изменения которой графически показан на рис. 2.7.

Рис. 2.7. -сравнение прямотока с противотоком

Из рисунка следует, что схемы можно считать равноценными в том случае, если водяные эквиваленты обеих жидкостей значительно отличаются один от другого (при и при ) или если значение параметра — мало. Первое условие равнозначно тому, что изменение температуры одной жидкости незначительно по сравнению с изменением температуры другой. Далее, поскольку , то второе условие соответствует случаю, когда средний температурный напор значительно превышает изменения температур рабочих жидкостей. Во всех остальных случаях при одной и той же поверхности нагрева и одинаковых крайних температурах теплоносителей при прямотоке передается меньше тепла, чем при противотоке. Поэтому с теплотехнической точки зрения всегда следует отдавать предпочтение противотоку, если какие-либо другие причины (например, конструктивные) не заставляют применять прямоток. При этом следует иметь в виду, что при противотоке создаются более тяжелые температурные условия для металла, ибо одни и те же участки стенок теплообменника с обеих сторон омываются рабочими жидкостями с наиболее высокой температурой.

При конденсации и кипении температура жидкости постоянна. Это означает, что водяной эквивалент такой жидкости бесконечно велик. В этом случае прямоток и противоток равнозначны, и уравнения (2.23) и (2.26) становятся тождественными. Конечная температура той жидкости, для которой водяной эквивалент имеет конечное значение, определяется следующим образом.

При конденсации паров;

(2.30)

(2.31)

При кипении жидкостей:

(2.32)

(2.33)

Вместо t₁ и t₂ в уравнения (2.30) – (2.33) можно подставить температуру стенки, значение которой при этом также постоянно. Значения функции находятся из таблиц показательных функций.

В случае перекрестного тока конечные температуры рабочих жидкостей находятся между конечными температурами для прямотока и противотока. Поэтому в приближенных расчетах можно пользоваться методом расчета одной из указанных схем. Если одна из жидкостей движется навстречу другой зигзагообразно (смешанный ток), то расчет может быть произведен, как для противотока.

4. Влияние тепловых потерь и проницаемости стенок.Все вышеприведенные формулы справедливы для случая, когда тепловые потери во внешнюю среду равны нулю. В действительности они всегда имеются. Более или менее точно учесть их влияние, вообще говоря, возможно, однако расчетные формулы при этом становятся громоздкими. Поэтому для учета влияния тепловых потерь в практике обычно применяется приближенный метод, который состоит в следующем.

Тепловые потери со стороны горячей жидкости вызывают более сильное падение ее .температуры. Это равносильно случаю, когда теплоотдающая жидкость в аппарате без потерь в окружающую среду имела бы меньшее значение водяного эквивалента. Поэтому влияние потерь в окружающую среду можно учесть, изменив водяной эквивалент теплоотдающей жидкости в тепловом аппарате таким образом, чтобы в последнем происходило такое же понижение температуры, как и при потоке с действительным водяным числом при наличии тепловых потерь. Внешние тепловые потери со стороны холодной жидкости оказывают обратное влияние, они уменьшают повышение температуры жидкости, что приводит к кажущемуся увеличению ее водяного эквивалента.

Наличие присоса наружного холодного воздуха оказывает такое же влияние, как и внешняя потеря тепла. Присосанный вездух на горячей стороне понижает температуру горячей жидкости (газа) точно так же, как если бы теплообменный аппарат был абсолютно непроницаем, но жидкость имела меньшее значение водяного эквивалента. Присос вездуха на холодной стороне понижает температуру холодной жидкости, что равносильно увеличению значения водяного эквивалента.

Если потеря тепла составляет р% к общему количеству передаваемого тепла, то вместо действительного значения водяного эквивалента W в расчетные формулы следует подставить значение W’ которое определяется следующим образом:

(2.34)

Знак минус (-) берется для горячей, а знак плюс (+) для холодной жидкости.

При таком способе учета внешних тепловых потерь все приведенные выше формулы для расчета конечных температур можно применять без какого-либо их изменения.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Количество теплоты — еще один изученный нами вид энергии. Эту энергию тело получает или отдает при теплопередаче. Мы установили, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от массы тела, разности температур и рода вещества. Нам известен физический смысл удельной теплоемкости и некоторые ее табличные значения для разных веществ. В этом уроке мы перейдем к численному расчету количества теплоты, необходимой для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении. 

Зачем это нужно? На самом деле, на практике очень часто используют подобные расчеты.

При строительстве зданий и проектировании систем отопления важно знать, какое количество теплоты необходимо отдавать для полного обогрева всех помещений. С другой стороны, также необходима информация о том, какое количество теплоты будет уходить через окна, стены и двери. 

Формула для расчета количества теплоты

Допустим, на нужно узнать, какое количество теплоты получила при нагревании железная деталь. Масса детали $3 space кг$. Деталь нагрелась от $20 degree C$ до $300 degree C$. 

Возьмем значение теплоемкости железа из таблицы — $460 frac{Дж}{кг cdot degree C}$. Объясним смысл этой величины: на нагревание куска железа массой $1 space кг$ на $1 degree C$ необходимо затратить количество теплоты, равное $460 space Дж$. 

• Масса детали у нас в 3 раза больше, значит, на ее нагрев потребуется в 3 раза большее количество теплоты — $1380 space Дж$
• Температура изменилась не на $1 degree C$, а на $280 degree C$
• Значит, необходимо в 280 раз большее количество теплоты: $1380 space Дж cdot 280 = 386 400 space Дж$

Тогда, формула для расчета количества теплоты, необходимой для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении примет вид:

$Q = cm(t_2 — t_1)$,

где $Q$ — количество теплоты,
$c$ — удельная теплоемкость вещества, из которого состоит тело,
$m$ — масса тела,
$t_1$ — начальная температура тела,
$t_2$ — конечная температура тела.

Чтобы рассчитать количество теплоты, которое необходимо затратить для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, нужно удельную теплоемкость умножить на массу тела и на разность конечной и начальной температур.

Рассмотрим подробнее особенности расчета количества теплоты на примерах решения задач.

Расчет количества теплоты, затраченного на нагревание двух тел

В железный котелок массой $4 space кг$ налили воду массой $10 space кг$ (рисунок 1). Их температура $25 degree C$. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы нагреть котелок и воду до температуры $100 degree C$?

Обратите внимание, что нагреваться будут сразу два тела: и котелок, и вода в нем. Между постоянно будет происходить теплообмен. Поэтому их температуры мы можем считать одинаковыми. 

Отметим, что массы котелка и воды различные. Также они имеют различные теплоемкости. Значит, полученные ими количества теплоты будет различными.

Теперь мы можем записать условие задачи и решить ее.

Дано:
$m_1 = 4 space кг$
$c_1 = 460 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$m_2 = 10 space кг$
$c_2 = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$t_1 = 25 degree C$
$t_2 = 100 degree C$

Q-?

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Расчет количества теплоты при смешивании жидкостей

Горячую воду разбавили холодной и получили температуру смеси $30 degree C$. Горячей воды с температурой $100 degree C$ при этом было $0.3 space кг$. Холодная вода имела массу $1.4 space кг$ и температуру $15 degree C$. Рассчитайте, какое количество теплоты было отдано горячей водой при остывании и получила холодная вода при нагревании. Сравните эти количества теплоты.

Дано:
$c_1 = c_2 = c = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$m_1 = 0.3 space кг$
$m_2 = 1.4 space кг$
$t_1 = 100 degree C$
$t_2 = 15 degree C$
$t = 30 degree C$

$Q_1 — ?$
$Q_2 — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

В ходе решения этой задачи мы увидели, что количество теплоты, отданное горячей водой, и количество теплоты, полученное холодной водой, равны. Другие опыты дают схожие результаты. 

Значит,

Если между телами происходит теплоообмен, то внутренняя энергия всех нагревающихся тел увеличивается на столько, на сколько уменьшается внутренняя энергия остывающих тел.

На практике часто получается так, что отданная горячей водой энергия больше, чем полученная холодной. На самом деле, горячая вода при охлаждении передает какую-то часть своей внутренней энергии воздуху и сосуду, в котором происходит смешивание.

Есть 2 способа учесть этот фактор:

• Если мы максимально сократим потери энергии, то добьемся приблизительного равенства отданной и полученной энергий
• Если рассчитать и учесть потери энергии, то можно получить точное равенство

Расчет температуры при известной величине количества теплоты

При нагревании куска меди было затрачено $22 space кДж$. Масса этого куска составляет $300 space г$. Начальная температура была равна $20 degree C$. До какой температуры нагрели кусок меди?

$t_2 — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

ТЕМПЕРАТУРА
И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ.

Изучение
тепловых явлений неизбежно должно
было дать величину, характеризующую
степень нагретости тел — температуру.
При соприкосновении тел в результате
взаимодействия молекул выравнивается
их средняя кинетическая энергия.
Температура — мера средней кинетической
энергии молекул. Она показывает
направление тепловых процессов, т.к.
энергия самопроизвольно передается от
более нагретых тел к менее нагретым,
т.е. от тел с большей температурой к
телам с меньшей температурой. Температура
измеряется термометрами. Измерение
температуры основано на установлении
между телами, приведенными в соприкосновение
теплового равновесия. На практике самое
широкое распространение нашли жидкостные
термометры, в которых используется
изменение объема жидкости (ртуть или
спирт) при нагревании. Расширяясь,
жидкость поднимается по стеклянной
трубочке, под которой располагается
шкала. Реперными точками (т.е. точками,
на которых базируется шкала температур)
в международной практической системе
температур, предложенной Цельсием,
являются температура плавления
льда (О⁰С)
и температура кипения воды (1ООS0oTC).
Расстояние между этими точками на шкале
разбивается на 1ОО равных частей. Т.к.
расширение жидкости в разных интервалах
температур различно, то жидкостный
термометр гарантирует правильность
измерения только реперных температур.
Большую точность имеют газовые
термометры, в которых используется
зависимость объема газа от температуры
при постоянном давлении или зависимость
давления газа от температуры при
постоянном объеме. В термометрах может
использоваться также зависимость
электрического сопротивления проводников
и полупроводников от температуры.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕНЕНИЯ.

Всякое тело состоит
из громадного количества молекул.
Молекулы тел непрерывно движутся,
следовательно, они обладают кинетической
энергией. Молекулы твердых и жидких тел
взаимодействуют между собой, значит,
они обладают и потенциальной энергией.
СУММА
КИНЕТИЧЕСКИХ И ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ЭНЕРГИЙ
МОЛЕКУЛ, СОСТАВЛЯЮЩИХ ТЕЛО, НАЗЫВАЕТСЯ
ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИЕЙ. [U]=Дж.К
внутренней энергии относится и энергия
частиц, из которых состоят атомы.

Внутренняя энергия
тела может изменяться во время различных
тепловых процессов. Так, при нагревании,
например, увеличиваются скорости
движения молекул, а значит и их кинетическая
энергия. При нагревании тела его объем
увеличивается, изменяются расстояния
между молекулами, а поэтому изменяется
и потенциальная энергия их взаимодействия.
Об изменении внутренней энергии можно
судить по изменению температуры тела.
С возрастанием температуры тела его
внутренняя энергия увеличивается.

Внутреннюю энергию
можно изменить двумя принципиально
различными способами.

1. Если над телом
совершать работу, оно нагревается, т.е.
его внутренняя энергия возрастает. Если
само тело совершает работу над внешними
телами, его внутренняя энергия уменьшается.
A=DU.

2. Внутреннюю
энергию можно изменить и путем
теплопередачи. ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕЙ,
ИЛИ ТЕПЛООБМЕНОМ, НАЗЫВАЕТСЯ ПРОЦЕСС
ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ
ЭНЕРГИИ БЕЗ СОВЕРШЕНИЯ РАБОТЫ. Так,
чайник, стоящий на раскаленной плите,
получает энергию путем теплопередачи.

Существует три
вида теплопередачи: теплопроводность
— передача энергии путем обмена ею
молекулами при их взаимодействии;
конвекция — передача энергии потоками
нагретой жидкости или газа; излучение
— передача энергии посредством
электромагнитных волн. Причем, последний
вид теплопередачи не требует
непосредственного контакта тел или
наличия между ними какого либо вещества.

Мерой переданной
тепловой энергии при теплопередаче
служит КОЛИЧЕСТВО
ТЕПЛОТЫ — ТА ЧАСТЬ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ,
КОТОРУЮ ТЕЛО ПОЛУЧАЕТ ИЛИ ОТДАЕТ ПРИ
ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ. [Q]=Дж.
Q=DU.

Тепловые процессы.

1. Нагревание и охлаждение тел.

При нагревании
тел их температура увеличивается,
следовательно, увеличивается и их
внутренняя энергия.

КОЛИЧЕСТВО
ТЕПЛОТЫ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ 1
КГ ВЕЩЕСТВА НА 1 ГРАДУС ЦЕЛЬСИЯ, НАЗЫВАЕТСЯ
УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТЬЮ.
[c]=Дж/кг´град.

Удельная теплоемкость
— характеристика данного вещества. Ее
значение можно найти в таблицах удельных
теплоемкостей.

Чтобы найти
количество теплоты, необходимое для
нагревания тела, надо удельную теплоемкость
вещества, из которого состоит тело,
умножить на массу этого тела и на
изменение температуры.

,

где t₂
— конечная температура тела,

t₁
— его начальная температура.

Охлаждение тела
— процесс обратный нагреванию. Для его
описания используется та же формула,
что и для нагревания. Знак «минус»,
полученный при вычислениях говорит о
том, что тело отдает теплоту, «плюс»
— получает.

Для вычисления
количества теплоты, полученного телом
при нагревании или отданного при
охлаждении используется также ТЕПЛОЕМКОСТЬ
ТЕЛА — КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, НЕОБХОДИМОЕ
ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ ТЕЛА НА ОДИН ГРАДУС
ЦЕЛЬСИЯ. [C]=Дж/град.

Если в теплообмене
участвуют несколько тел и энергия не
получается от окружающих тел, но и не
отдается им, а происходит только
теплообмен между телами системы, то в
соответствии с законом сохранения
энергии можно записать:

.

Это уравнение
называется уравнением теплового баланса.
Если же система тел получает или отдает
окружающим телам теплоту, то сумма всех
количеств теплоты, которыми обмениваются
тела системы, будет равна полученной
извне или отданной теплоте.

Плавление и кристаллизация.

Одно и то же вещество
может находиться при определенных
условиях в твердом, жидком и газообразном
состояниях, называемых агрегатными.

ПЕРЕХОД ИЗ
ТВЕРДОГО СОСТОЯНИЯ В ЖИДКОЕ НАЗЫВАЕТСЯ
ПЛАВЛЕНИЕМ.
Плавление происходит при температуре,
называемой температурой плавления.
Температуры плавления веществ различны,
т.к. различно их строение. Температура
плавления — табличная величина. Во время
процесса плавления температура не
изменяется, т.к. подводимая теплота
расходуется на разрушение кристаллической
решетки твердого тела.

КОЛИЧЕСТВО
ТЕПЛОТЫ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ
1 КГ ТВЕРДОГО ТЕЛА, ВЗЯТОГО ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ
ПЛАВЛЕНИЯ, В ЖИДКОСТЬ ТОЙ ЖЕ ТЕМПЕРАТУРЫ,
НАЗЫВАЕТСЯ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТОЙ ПЛАВЛЕНИЯ.
[l]=Дж/кг.

Чтобы рассчитать
количество теплоты, необходимое для
плавления тела, надо удельную теплоту
плавления умножить на массу тела.

Q=lm.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ
НАЗЫВАЕТСЯ ПРОЦЕСС ПЕРЕХОДА ВЕЩЕСТВА
ИЗ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ В ТВЕРДОЕ.
Температура плавления вещества равна
температуре его кристаллизации. Как и
в процессе плавления, при кристаллизации
температура не изменяется, т.к. при
кристаллизации выделяется та теплота,
которая когда — то была затрачена на
плавление тела. Она и поддерживает
температуру кристаллизующегося тела
постоянной. В соответствии с законом
сохранения энергии при расчете количества
теплоты, выделившейся при кристаллизации,
используется та же формула, что и при
плавлении. Чтобы показать направление
теплообмена, в нее вводится знак «минус».

Q=-lm.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Уравнение нагревания

Хотя электрическая машина имеет сложное устройство, в основу анализа процесса ее нагревания может быть положена теория нагревания идеального однородного твердого тела, под которым здесь понимается тело, обладающее равномерным рассеянием тепла со всей поверхности и бесконечно большой теплопроводностью, вследствие чего все точки тела имеют одинаковую температуру. Составим дифференциальное уравнение нагревания такого тела, для чего рассмотрим его тепловой баланс.

Пусть в единицу времени в теле выделяется количество теплоты Q. Тогда за бесконечно малый промежуток времени выделяемое количество теплоты будет равно Q × dt. Эта теплота частично аккумулируется в теле при повышении температуры и частично отдается во внешнюю среду.

Если за время dt температура тела повысилась на dΘ, то количество аккумулируемой за это время теплоты равно G × c × dΘ, где G – масса тела и c – его удельная теплоемкость.

Пусть в рассматриваемом бесконечно малом интервале времени превышение температуры тела над температурой окружающей среды равно Θ. Тогда количество теплоты, отдаваемое в окружающее пространство за время dt вследствие лучеиспускания, конвекции и теплопроводности, будет равно S × λ × Θ × dt, где S – площадь тела и λ – коэффициент теплоотдачи с поверхности.

На основе закона сохранения энергии

Прежде чем приступить к решению уравнения нагревания (1), несколько преобразуем его.

Установившееся превышение температуры и постоянная времени нагревания

После истечения достаточно длительного времени (теоретически при t = ∞) температура тела достигает установившегося значения. Тогда dΘ = 0 и Θ = Θ_∞. Подставив эти значения в выражение (1), получим

Q ×dt = S × λ × Θ_∞ × dt ,

откуда

Установившееся превышение температуры Θ_∞ тем больше, чем больше выделяется тепла и чем хуже условия ее отдачи, то есть чем меньше S × λ.

Разделим обе части выражения (1) на S × λ, используем равенство (2) и обозначим

Тогда вместо (1) получим

Размерность всех членов (4) должна быть одинакова – температура, умноженная на время. Поэтому T имеет разность времени, что можно установить также по формуле (3). Величина T называется постоянной времени нагревания тела; согласно формуле (3), она тем больше, чем больше теплоемкость тела G × c и чем меньше интенсивность отдачи тепла, то есть меньше S × λ.

Если определить из равенства (2) S × λ и подставить в (3), то получим еще одно выражение для T:

Числитель этого выражения равен количеству теплоты, накопленной в теле при достижении Θ = Θ_∞.

Следовательно, в соответствии с выражением (5) постоянная времени нагревания T равна времени, в течение которого температура достигла бы установившегося значения Θ_∞, если бы отсутствовала передача тепла в окружающую среду и все выделяемое тепло накапливалось в теле.

Решение уравнения нагревания

В уравнении (4) можно разделить переменные и привести его к виду

При интегрировании уравнения (6) получим

Постоянная C определяется из начального условия: при t = 0 тело в общем случае имеет некоторое превышение температуры Θ = Θ₀. Подставив указанные значения t и Θ в (7), найдем, что

C = ln (Θ_∞ – Θ₀) .

Подставим это значение C в (7) и переменим знаки. Тогда

откуда окончательно для Θ = f(t) находим

Случай нагревания при Θ₀ = 0

В этом случае вместо выражения (8) имеем

чему соответствует экспоненциальная кривая нагревания, изображенная на рисунке 1, а. При малых t, когда и Θ мало, теплопередача в окружающее пространство также мала, большая часть тепла накапливается в теле и температура его растет быстро, как это видно из рисунка 1, а. Затем с ростом Θ теплоотдача увеличивается и рост температуры тела замедляется. При t = ∞, согласно равенству (9), Θ = Θ_∞.

На рисунке 1, а указаны значения Θ, достигаемые через интервалы времени T, 2T, 3T и 4T. Из этого рисунка видно, что тело достигает практически установившегося превышения температуры через интервал времени t = 4T.

Охлаждение тела

Если тело имеет некоторое начальное превышение температуры Θ ≠ 0, но Q = 0 и, следовательно, в соответствии с выражением (2) Θ_∞ = 0, то происходит охлаждение тела от Θ = Θ₀ до Θ = Θ_∞ = 0.

Подставив в (8) Θ_∞ = 0, получим уравнение охлаждения тела

Экспоненциальная кривая охлаждения тела согласно уравнению (10) представлена на рисунке 1, б. Сначала, когда Θ и соответственно также теплоотдача велики, охлаждение идет быстро, а по мере уменьшения Θ охлаждение замедляется. При t = ∞ будет Θ = 0.

Рисунок 1. Кривые нагревания (а) и охлаждения (б) идеального однородного твердого тела

Общий случай нагревания тела

Общий случай нагревания тела, описываемый уравнением (8), на основании формул (9) и (10) можно рассматривать как наложение двух режимов: 1) нагревания тела от начального превышения температуры Θ = 0 до Θ = Θ_∞ и 2) охлаждения тела от Θ = Θ₀ до Θ = 0. На рисунке 2 кривая 3 представляет собой кривую нагревания, построенную по уравнению (8). Эту кривую можно получить путем сложения ординат кривых 1 и 2, соответствующих уравнениям (9) и (10).

Графический способ определения T

Найдем подкасательную бв (рисунок 1, а), отсекаемую на асимптоте Θ = Θ_∞ касательной к кривой Θ = f (t). Из рисунка 1, а следует, что

где α – угол наклона касательной к кривой Θ = f(t).

Как известно,

Но, согласно выражению (6),

Подставив tg α из (12) в (11), получим

бв = T .

Таким образом, подкасательная к любой точке кривой нагревания или охлаждения равна постоянной времени нагревания T. Этим свойством кривых Θ = f(t) можно воспользоваться для графического определения T, если имеется кривая Θ = f(t), снятая, например, опытным путем. На рисунке 1, б и 2 показан способ определения T при построении касательной к начальной кривой.

Заключительные замечания

Выше была изложена теория нагревания идеального однородного твердого тела. В действительности электрическая машина не представляет собой такого тела, так как она состоит из разных частей, обладающих конечной теплопроводностью, причем теплопроводность электрической изоляции достаточно мала. Поэтому отдельные части машины (обмотка, сердечники и другие) имеют различные температуры. В связи с этим более правильно было бы рассматривать электрическую машину как совокупность нескольких однородных тел, между которыми существует теплообмен. В действительных условиях величина T также не вполне постоянна, так как коэффициенты теплоотдачи зависят в определенной мере от температуры. Кроме того, воздух или другой охлаждающий агент при протекании по вентиляционным каналам нагревается, и поэтому температура охлаждающей среды для различных участков охлаждаемой поверхности имеет различные значения.

Таким образом, кривые нагревания и охлаждения не являются, строго говоря, экспоненциальными. Однако в большинстве практических случаев мы не делаем существенных ошибок, считая их экспоненциальными, то есть применяя изложенную выше теорию нагревания идеального однородного тела.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.