El calor juega un papel importante en la vida humana, incluso en el funcionamiento de su cuerpo. Parte de la energía química contenida en los alimentos se convierte en calor, por lo que la temperatura corporal se mantiene cerca de los 37

Hasta finales del siglo XVIII. el calor era considerado una sustancia material, creyendo que la temperatura de un cuerpo está determinada por la cantidad de "líquido calórico" o "calórico" contenido en él. Más tarde, B. Rumford, J. Joule y otros físicos de la época, a través de ingeniosos experimentos y razonamientos, refutó la teoría "calórica", demostrando que el calor es ingrávido y puede obtenerse en cualquier cantidad simplemente debido al movimiento mecánico. El calor en sí mismo no es una sustancia, es solo la energía del movimiento de sus átomos o moléculas. Es esta comprensión del calor a la que se adhiere la física moderna. ver también FÍSICA.

En este artículo, veremos cómo se relacionan el calor y la temperatura y cómo se miden estas cantidades. El tema de nuestra discusión también serán las siguientes preguntas: la transferencia de calor de una parte del cuerpo a otra; transferencia de calor en el vacío (un espacio que no contiene materia); El papel del calor en el mundo moderno.

Una de las formas más conocidas, pero también las menos precisas, de evaluar la temperatura al tacto. Al tocar un objeto, juzgamos si está caliente o frío, enfocándonos en nuestros sentimientos. Por supuesto, estas sensaciones dependen de la temperatura de nuestro cuerpo, lo que nos lleva al concepto de equilibrio térmico, uno de los más importantes a la hora de medir la temperatura.

Otro dispositivo cuyo funcionamiento se basa en la expansión térmica es el termómetro bimetálico que se muestra en la fig.

La temperatura local generalmente se mide usando un termopar, que son dos alambres de diferentes metales soldados en un extremo (Fig.

También se conoce otro efecto termoeléctrico: la dependencia de la resistencia de un material conductor con la temperatura. Es la base del funcionamiento de los termómetros de resistencia eléctrica, uno de los cuales se muestra en la Fig.

Los pirómetros ópticos se utilizan para medir la temperatura de cuerpos incandescentes que emiten luz visible. En una versión de este dispositivo, la luz emitida por el cuerpo se compara con la radiación de un filamento de lámpara incandescente colocado en el plano focal de los binoculares a través de los cuales se ve el cuerpo emisor. La corriente eléctrica que calienta el filamento de la lámpara cambia hasta que una comparación visual del brillo del filamento y el cuerpo revela que se ha establecido el equilibrio térmico entre ellos. La escala del dispositivo se puede graduar directamente en unidades de temperatura.

Los avances técnicos de los últimos años han hecho posible la creación de nuevos sensores de temperatura. Por ejemplo, en los casos en que se necesita una sensibilidad particularmente alta, se utiliza un dispositivo semiconductor, el termistor, en lugar de un termopar o un termómetro de resistencia convencional. Los colorantes y los cristales líquidos que cambian su estado de fase también se utilizan como convertidores térmicos, especialmente en los casos en que la temperatura de la superficie del cuerpo varía en un amplio rango. Por último, se utiliza la termografía infrarroja, en la que se obtiene una imagen infrarroja de un objeto en colores condicionales, donde cada color corresponde a una determinada temperatura. Este método de medición de temperatura encuentra la aplicación más amplia desde el diagnóstico médico hasta la verificación del aislamiento térmico de las habitaciones. ver también FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO; CRISTAL LIQUIDO.

La cantidad de calor liberado durante una reacción química, como la combustión, se puede medir colocando una pequeña "bomba" en el calorímetro. La "bomba" contiene una muestra, a la que se conectan cables eléctricos para la ignición, y la cantidad correspondiente de oxígeno. Una vez que la muestra se quema por completo y se establece el equilibrio térmico, se determina cuánto ha aumentado la temperatura del agua en el calorímetro y, por lo tanto, la cantidad de calor liberado. ver también CALORIMETRÍA.

Entonces, está claro que la energía puede cambiar de una forma a otra y que tales transformaciones ocurren constantemente en la naturaleza y la tecnología. Hace más de cien años, J. Joule demostró esto para el caso de la conversión de energía mecánica en energía térmica utilizando el dispositivo que se muestra en la fig. 6, a. En este dispositivo, los pesos que descendían y ascendían hacían girar un eje con cuchillas en un calorímetro lleno de agua, como resultado de lo cual se calentaba el agua. Las mediciones precisas permitieron a Joule determinar que una caloría de calor equivale a 4,186 J de trabajo mecánico. El dispositivo mostrado en la fig.

La primera ley de la termodinámica explica muchos fenómenos comunes. Por ejemplo, queda claro por qué es imposible enfriar la cocina con un refrigerador abierto. Supongamos que hemos aislado térmicamente la cocina del entorno. La energía se suministra continuamente al sistema a través del cable de alimentación del refrigerador, pero el sistema no emite energía. Por lo tanto, su energía total aumenta y la cocina se calienta: solo toque los tubos del intercambiador de calor (condensador) en la parte posterior del refrigerador y comprenderá su inutilidad como dispositivo de "enfriamiento". Pero si estas tuberías se sacaran del sistema (por ejemplo, por la ventana), la cocina daría más energía de la que recibe, es decir, se enfriaría, y el refrigerador funcionaba como un acondicionador de aire de ventana.

La primera ley de la termodinámica es una ley de la naturaleza que excluye la creación o destrucción de energía. Sin embargo, no dice nada acerca de cómo proceden los procesos de transferencia de energía en la naturaleza. Así, sabemos que un cuerpo caliente calentará a uno frío si estos cuerpos se ponen en contacto. Pero, ¿puede un cuerpo frío por sí mismo transferir su reserva de calor a uno caliente? Última oportunidad categóricamente rechazada por la segunda ley de la termodinámica.

La primera ley también excluye la posibilidad de crear un motor con un coeficiente acción útil(eficiencia) más del 100% (similar

La tendencia a convertir el trabajo "útil" en calor de energía menos útil puede compararse con otro proceso que ocurre cuando se conectan dos recipientes que contienen diferentes gases. Después de esperar lo suficiente, encontramos en ambos recipientes una mezcla homogénea de gases que la naturaleza actúa de tal manera que el orden del sistema disminuye. La medida termodinámica de este desorden se llama entropía, y la segunda ley de la termodinámica se puede formular de otra manera: los procesos en la naturaleza siempre se desarrollan de tal manera que aumenta la entropía del sistema y su entorno. Así, la energía del Universo permanece constante, mientras que su entropía crece continuamente.

Con un aumento de la temperatura, la intensidad del movimiento caótico de las moléculas aumenta. La mayoría de las sustancias se expanden cuando se calientan. El grado de expansión de una sustancia con un aumento de temperatura de 1 K se denomina coeficiente de expansión térmica.

Para que una sustancia pase de un estado de fase a otro, por ejemplo, de sólido a líquido (ya veces inmediatamente a gaseoso), debe recibir una cierta cantidad de calor. Si se calienta un cuerpo sólido, su temperatura aumentará hasta que comience a fundirse; hasta que se complete la fusión, la temperatura del cuerpo permanecerá constante, a pesar del suministro de calor. La cantidad de calor necesaria para fundir una unidad de masa de una sustancia se denomina calor de fusión. Si continúa suministrando calor, la sustancia fundida se calentará hasta hervir. La cantidad de calor requerida para vaporizar una unidad de masa de un líquido a una temperatura dada se llama calor de vaporización.

Sobre la base de estas ideas y utilizando un enfoque estadístico, Maxwell derivó la distribución de las velocidades de las moléculas de gas en un volumen limitado, que más tarde recibió su nombre. Esta distribución se presenta gráficamente en la fig. 7 para una masa dada de hidrógeno a temperaturas de 100 y 1000

Una gran cantidad de estas moléculas de gas que se mueven rápidamente actúa con una fuerza completamente medible sobre los cuerpos circundantes. Las fuerzas microscópicas con las que numerosas moléculas de gas golpean las paredes del recipiente se suman a una cantidad macroscópica llamada presión. Cuando se suministra energía a un gas (la temperatura aumenta), la energía cinética promedio de sus moléculas aumenta, las partículas de gas golpean las paredes con más frecuencia y más fuerza, la presión aumenta y, si las paredes no son completamente rígidas, entonces se estiran y el volumen del gas aumenta. Así, el enfoque estadístico microscópico que subyace en la teoría cinética molecular permite explicar el fenómeno de expansión térmica que hemos discutido.

Otro resultado de la teoría cinética molecular es una ley que describe las propiedades de un gas que satisface los requisitos enumerados anteriormente. Esta es la llamada ecuación de estado. gas ideal conecta la presión, el volumen y la temperatura de un mol de gas y tiene la forma de igualdad

Hay tres tipos principales de transferencia de calor: conducción, convección y transferencia de calor radiante.

La intensidad de la transferencia de calor debido a la conductividad térmica depende del gradiente de temperatura, es decir, relaciones

De la ley de Fourier se deduce que el flujo de calor se puede reducir reduciendo una de las cantidades: el coeficiente de conductividad térmica, el área o el gradiente de temperatura. Para un edificio en condiciones invernales, estos últimos valores son prácticamente constantes y, por lo tanto, para mantener la temperatura deseada en la habitación, queda reducir la conductividad térmica de las paredes, es decir. mejorar su aislamiento térmico.

La tabla muestra los coeficientes de conductividad térmica de algunas sustancias y materiales. La tabla muestra que algunos metales conducen el calor mucho mejor que otros, pero todos son mejores conductores del calor que el aire y los materiales porosos.

La resistencia térmica y eléctrica de muchas sustancias disminuye bruscamente a medida que la temperatura desciende por debajo de la temperatura del helio líquido (1,8 K). Este fenómeno, llamado superconductividad, se usa para mejorar la eficiencia de muchos dispositivos, desde dispositivos microelectrónicos hasta líneas eléctricas y grandes electroimanes. ver también SUPERCONDUCTIVIDAD.

El flujo de calor convectivo del calentador al medio calentado depende de la velocidad inicial de las moléculas, la densidad, la viscosidad, la conductividad térmica y la capacidad calorífica, y el medio; el tamaño y la forma del calentador también son muy importantes. La relación entre las cantidades correspondientes obedece la ley de Newton

Valor

Si un cuerpo calentado (o, por el contrario, frío) se coloca en un medio estacionario o en un flujo, se forman corrientes convectivas y una capa límite a su alrededor. La temperatura, la presión y la velocidad de las moléculas en esta capa juegan un papel importante en la determinación del coeficiente de transferencia de calor por convección.

La convección debe tenerse en cuenta en el diseño de intercambiadores de calor, sistemas de aire acondicionado, aeronaves de alta velocidad y muchas otras aplicaciones. En todos estos sistemas, la conducción de calor tiene lugar simultáneamente con la convección, tanto entre los sólidos como en su entorno. A temperaturas elevadas La transferencia de calor radiante también puede desempeñar un papel importante.

En la fig. 8 muestra la dependencia de la energía de la radiación térmica (infrarroja) en la longitud de onda. La radiación térmica puede ir acompañada de la emisión de luz visible, pero su energía es pequeña en comparación con la energía de radiación de la parte invisible del espectro.

La intensidad de la transferencia de calor por conducción y convección de calor es proporcional a la temperatura, y el flujo de calor radiante es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura y obedece a la ley de Stefan Boltzmann.

Los espacios residenciales y de oficinas a menudo se calientan con pequeños emisores de calor eléctricos; el brillo rojizo de sus espirales es radiación térmica visible, cerca del borde de la parte infrarroja del espectro. La habitación se calienta con calor, que es transportado principalmente por la parte infrarroja invisible de la radiación. En dispositivos de visión nocturna

El Sol es un poderoso emisor de energía térmica; calienta la Tierra incluso a una distancia de 150 millones de km. La intensidad de la radiación solar, registrada año tras año por estaciones ubicadas en muchas partes del globo, es de aproximadamente 1,37 W

La transferencia de calor (debido a la conductividad térmica) desde el núcleo fundido de la Tierra a su superficie provoca erupciones volcánicas y la aparición de géiseres. En algunas regiones, la energía geotérmica se utiliza para calentar espacios y generar energía.

El calor es un participante indispensable en casi todos los procesos de producción. Mencionaremos los más importantes de ellos, como la fundición y procesamiento de metales, la operación de motores, la producción de productos alimenticios, la síntesis química, la refinación de petróleo, la fabricación de una variedad de artículos desde ladrillos y platos hasta automóviles y electrónicos. dispositivos.

Muchas producciones y transportes industriales, así como centrales térmicas, no podrían funcionar sin motores térmicos, dispositivos que convierten el calor en trabajo útil. Ejemplos de tales máquinas son compresores, turbinas, vapor, gasolina y motores a reacción.

Una de las máquinas térmicas más famosas es la turbina de vapor, que implementa parte del ciclo de Rankine utilizado en las centrales eléctricas modernas. Un diagrama simplificado de este ciclo se muestra en la fig. 9. El agua del fluido de trabajo se convierte en vapor sobrecalentado en una caldera de vapor calentada por la quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo o gas natural). Vapor alta presión hace girar el eje de una turbina de vapor, que impulsa un generador que genera electricidad. El vapor de escape se condensa cuando se enfría con agua corriente, que absorbe parte del calor que no se utiliza en el ciclo de Rankine. A continuación, el agua se alimenta a la torre de refrigeración (cooling tower), desde donde se libera parte del calor a la atmósfera. El condensado se devuelve a la caldera de vapor mediante una bomba y se repite todo el ciclo.

Todos los procesos en el ciclo de Rankine ilustran los principios de la termodinámica descritos anteriormente. En particular, según la segunda ley, parte de la energía consumida por la central eléctrica debe disiparse en el medio ambiente en forma de calor. Resulta que alrededor del 68% de la energía contenida originalmente en los combustibles fósiles se pierde de esta manera. Solo se podría lograr un aumento notable en la eficiencia de la planta de energía elevando la temperatura de la caldera de vapor (que está limitada por la resistencia al calor de los materiales) o bajando la temperatura del medio donde va el calor, es decir. atmósfera.

Otro ciclo termodinámico que tiene gran importancia en nuestro La vida cotidiana, es el ciclo de refrigeración del compresor de vapor Rankin, cuyo esquema se muestra en la fig. 10. En los frigoríficos y acondicionadores de aire domésticos se aporta energía del exterior para su provisión. El compresor aumenta la temperatura y la presión de la sustancia de trabajo del frigorífico freón, amoníaco o dióxido de carbono. El gas sobrecalentado se alimenta al condensador, donde se enfría y condensa, emitiendo calor al medio ambiente. El líquido que sale de las boquillas del condensador pasa a través de la válvula de estrangulamiento al evaporador y parte de él se evapora, lo que va acompañado de una fuerte caída de temperatura. El evaporador toma calor de la cámara del refrigerador, que calienta el fluido de trabajo en las boquillas; este líquido es suministrado por el compresor al condensador, y el ciclo se repite nuevamente.

El ciclo de refrigeración mostrado en la fig. 10 también se puede utilizar en una bomba de calor. Tales bombas de calor en verano emiten calor al aire atmosférico caliente y acondicionan la habitación, y en invierno, por el contrario, toman calor del aire frío y calientan la habitación.

Las reacciones nucleares son una fuente importante de calor para fines como la generación de energía y el transporte. En 1905, A. Einstein demostró que la masa y la energía están relacionadas por la relación

calorímetros líquidos

Este tipo de calorímetro, el más utilizado en tecnología, es de diseño simple y fácil de mantener. La cantidad de calor producido por una reacción inducida externamente se transfiere primero al recipiente de reacción (en el que tuvo lugar la reacción) y luego al baño líquido. El líquido del baño se agita continuamente por medio de un impulsor, un tornillo elevador o bombas, lo que acelera la igualación de temperaturas. El baño está aislado térmicamente (protegido) del medio ambiente tanto como sea posible. El cambio de temperatura del baño líquido es una medida de la cantidad de calor detectada. La capacidad calorífica de las masas a calentar no debe ser demasiado alta para garantizar un cambio de temperatura suficiente y para que el proceso de medición no dure demasiado (debido a lo cual aumentan las pérdidas de calor).

Figura Dispositivo de un calorímetro líquido.

Con altas demandas de constancia de las condiciones ambientales, es posible colocar todo el calorímetro en otro baño y estabilizar la temperatura en él con alta precisión utilizando un circuito de control. Esto es necesario en primer lugar en los casos en que se requiere realizar un experimento a temperaturas que difieren significativamente de la temperatura ambiente.

Para el análisis a bajas temperaturas (hasta aproximadamente -150 °C), se utiliza nitrógeno líquido como medio refrigerante. En este caso, es necesario prestar atención al hecho de que al cambiarlos, la escarcha del aire húmedo circundante no se precipita sobre las muestras o los recipientes de muestra, ya que su capa puede afectar el proceso de medición. Para evitar esto, cuando el calorímetro está abierto, la muestra y el recipiente de la muestra se purgan con gas nitrógeno frío.

Calorímetros de cuerpo metálico

Figura Esquema del dispositivo de un calorímetro de metal.

Si se requiere realizar estudios calorimétricos en un rango de temperatura más amplio, los calorímetros líquidos ya no son adecuados. En los calorímetros de cuerpo metálico adecuados para este fin, la cantidad de calor transferida es absorbida por un bloque metálico (plata, cobre, aluminio) que suele estar a temperatura ambiente. Dicho calorímetro está destinado principalmente a determinar la capacidad calorífica específica c, J / (kg * K), sustancias líquidas y sólidas.

La muestra se enfría primero fuera del calorímetro en planta de refrigeración o se calienta en un horno y, después de alcanzar un estado estable, se baja (se deja caer) en un agujero en un bloque de metal. De acuerdo con el método de operación, dicho dispositivo se denomina calorímetro de caída libre y, de acuerdo con la naturaleza de los procesos termodinámicos en él, a veces se denomina calorímetro de desplazamiento.

La cantidad de calor transferido durante esta mezcla desde la muestra (con parámetros m1, c1, ) al bloque de metal (m2, c2, ) provoca un cambio medible en la temperatura del bloque. Esto hace posible determinar el valor generalmente desconocido de la capacidad calorífica específica de la muestra para condiciones ideales(en ausencia de intercambio de calor con el medio ambiente) de la expresión:

El bloque de metal en sí se encuentra en un recipiente Dewar al vacío y, a veces, en un baño líquido. En este último caso, para obtener la capacidad calorífica del calorímetro Ck, a la capacidad calorífica del bloque metálico C2 se debe sumar la capacidad calorífica del baño Cw:

CK=C2+CW=c2m2+cWmW .

MÉTODOS CALORIMÉTRICOS DE MEDICIÓN

La mayoría de las veces, los calorímetros se usan en el modo de condiciones ambientales constantes. Esto se aplica principalmente a la mayoría de los calorímetros de combustión, en los que el tiempo de reacción es muy corto. Mientras que la temperatura de las partes internas del calorímetro cambia debido a la reacción, la temperatura del aire ambiente permanece constante. En muchos casos, se requiere un baño de temperatura controlada. utilizado como entorno para evitar la influencia de interferencias externas en el valor medido: fluctuaciones de temperatura en la habitación, radiación, corrientes de aire, etc.

La ventaja de este esquema de medición es el costo relativamente bajo del equipo, que puede usarse para realizar la parte predominante de las mediciones calorimétricas. La principal desventaja se debe considerar el intercambio de calor del calorímetro con el medio ambiente, lo que complica la interpretación de los resultados. Este método de medición siempre se llama isoperibólico (diatérmico). En cualquier caso, no puede llamarse isotérmico, cuya esencia radica en el hecho de que la temperatura del calorímetro permanece constante durante el curso de la reacción, como, por ejemplo, los calorímetros diseñados para medir transformaciones de fase.

método adiabático

Si es posible excluir el intercambio de calor con el medio ambiente, es decir, para garantizar el curso adiabático del proceso, entonces el experimento y la interpretación de los resultados se simplifican y el resultado de la medición es más preciso, ya que no es necesario registrar continuamente cambios de temperatura y calcular las correcciones. Además, en este caso, se puede tolerar un aumento de temperatura algo mayor en el recipiente del calorímetro; para dispositivos no adiabáticos, esto es inaceptable debido a un aumento en las pérdidas de calor.

Para evitar el intercambio de calor entre el recipiente del calorímetro y su entorno inmediato (generalmente el baño líquido), la temperatura del baño debe corregirse constantemente de acuerdo con los cambios de temperatura dentro del recipiente. Con la ayuda de un controlador electrónico (circuito de seguimiento) es posible mantener constantemente la diferencia de estas temperaturas prácticamente igual a cero. Esto aumenta el costo del equipo de medición dependiendo de la precisión de medición requerida.

Los elementos de hardware deben ser rápidos y estables durante mucho tiempo (tener una deriva mínima). La zona muerta del bucle de control de seguimiento debe estar en el rango de ± 10-3 a ± 10-5 K. Como dispositivos de medición, puede usar cualquier termómetro de contacto eléctrico de respuesta rápida que, cuando se incluye en el circuito del puente, da un impulso al controlador para cambiar la potencia de calefacción. El calentamiento se realiza por medio de una bobina de resistencia eléctrica o directamente en un baño líquido, que actúa como una resistencia de calentamiento debido a una disociación débil (el llamado calentamiento electrolítico). Este segundo método es prácticamente inercial. El resultado se puede obtener utilizando medios ya existentes para la medición eléctrica de la temperatura o utilizando un termómetro de líquido instalado adicionalmente (Beckmann).

El método de medición adiabático es adecuado para estudiar principalmente procesos lentos y efectos térmicos. Con cambios rápidos en la cantidad de calor (en calorímetros de combustión), la inercia de la igualación de temperatura tiene un efecto tan desfavorable que ni siquiera se logra la precisión de los métodos no adiabáticos convencionales. Sin embargo, proporcionando una baja capacidad calorífica de los elementos calefactores y sensores de temperatura y mezclando intensamente el líquido del baño, es posible obtener valores pequeños de varias constantes de tiempo (reducir la inercia).

Método de compensación

Usando calorímetros diferenciales o duales basados ​​en el principio de compensación, es posible eliminar en gran medida las influencias externas en el proceso de medición. Dos recipientes calorimétricos idénticos con accesorios idénticos se colocan en un ambiente en las mismas condiciones. En un recipiente, se produce el proceso investigado con un efecto térmico, y el otro recipiente se calienta con la ayuda de un sistema de servocontrol de tal manera que la pérdida de calor al medio ambiente para ambos recipientes es la misma. Por lo tanto, la potencia de calentamiento de entrada se puede poner en proporción directa a la cantidad de calor liberado durante el proceso en estudio. En este caso, la tarea experimental de medición va a otra área y se reduce a una determinación muy precisa de la potencia eléctrica de calefacción suministrada (W * s, J):

El calorímetro diferencial se utiliza, en particular, en condiciones ambientales adiabáticas, especialmente cuando se esperan cambios muy pequeños o muy lentos en la cantidad de calor. En procesos endotérmicos, es suficiente tener un recipiente calorimétrico. La entrada de calor se controla de tal manera que la temperatura en el recipiente permanece constante todo el tiempo (método isotérmico). La desventaja de los calorímetros diferenciales es el alto costo de los equipos e instrumentos de medición.

CALORÍMETROS DE COMBUSTIÓN

El combustible utilizado en las instalaciones de calor y energía se examina para determinar su poder calorífico H (J/kg). Este indicador es necesario para determinar factores de eficiencia, estudiar la eficiencia y calcular la energía consumida en diversas instalaciones, así como para un control óptimo del proceso de combustión. Las fluctuaciones significativas en la composición de los componentes combustibles a menudo requieren una determinación continua del poder calorífico.

Cuando una sustancia se quema por completo, se libera una cierta cantidad de calor Q (calor de combustión). Si lo dividimos por la masa m (o por el volumen en condiciones normales Vn), obtenemos el calor (específico) de combustión:

Según el estado de los productos de combustión, se distinguen dos tipos de poder calorífico: mayor H0 y menor H, que también se denominan calor de combustión y poder calorífico. Al determinar el poder calorífico neto de Ni, el agua formada durante reacciones químicas debe estar en estado de vapor. La diferencia entre ambos calores H0 - Ni corresponde al calor de vaporización del agua condensada (índice KO - condensado) r, que es igual a 2.441 MJ/kg.

Para combustibles sólidos y líquidos, la cantidad de agua resultante se puede determinar sobre la base del análisis elemental y, cuando se queman combustibles gaseosos, midiendo la cantidad de condensado.

En los hornos industriales, la temperatura de los productos de combustión siempre supera el punto de ebullición del agua. Por lo tanto, normalmente sólo interesa el poder calorífico neto H1, ya que no se puede aprovechar el calor de condensación del agua.

Calorímetros de combustión para sólidos y líquidos

Para procesos de combustión rápida, se ha desarrollado una forma especial de calorímetro líquido: la llamada bomba calorimétrica Berthelot (Fig. 3).

Figura El dispositivo de una bomba calorimétrica.

La combustión de una pequeña cantidad de una sustancia, medida con precisión, se produce a un volumen constante en una bomba sellada en una atmósfera del oxígeno más puro posible a una presión de ~30 atm (3 MPa). La bomba llena se coloca en el baño líquido del calorímetro, que absorbe el calor de combustión liberado.

Sólidos generalmente prensado en pequeñas briquetas (tabletas) y pesado con mucha precisión. Es aconsejable mezclar sustancias que ardan mal con líquidos que ardan bien con un calor de combustión conocido (por ejemplo, ácido benzoico). Las sustancias líquidas se colocan en copas (botes) hechas de platino o cuarzo o en pequeñas cápsulas de plástico. En la tapa, atornillada al cuerpo de la bomba, se encuentran todos los dispositivos necesarios para la investigación: válvulas para suministrar oxígeno y eliminar los productos de la combustión, portamuestras y un encendedor eléctrico. El encendido se lleva a cabo suministrando electricidad a un delgado cable de platino. El calor suministrado para la ignición debe medirse con precisión para que pueda tenerse en cuenta al descifrar los resultados del experimento. En una bomba calorimétrica se determina el valor calorífico máximo de H0. Durante la verificación, el equivalente térmico del calorímetro Ck se determina quemando una sustancia de referencia (por ejemplo, ácido benzoico) o utilizando un dispositivo de calentamiento eléctrico.

Calorímetro de combustión para sustancias gaseosas

Para determinar el calor de combustión de medios gaseosos, existen varios métodos. Todos ellos, a diferencia de la bomba calorimétrica para sustancias sólidas y líquidas, se basan en la medición continua. El principio de medición utilizado es bastante simple. El gas de prueba se quema continuamente en un quemador a una presión constante. Todo el calor liberado durante la combustión es absorbido por el flujo del medio refrigerante en el intercambiador de calor (calorímetro húmedo o de intercambio de calor) o mezclando los productos de la combustión con el flujo de aire a un caudal conocido (calorímetro seco o de mezcla). Por lo general, determine el poder calorífico neto Hu. Para determinar el poder calorífico bruto H0, es necesario condensar el vapor de agua (índice KO) contenido en los gases de combustión. Conociendo los caudales másicos y la diferencia de temperatura a la entrada (índice e) ya la salida (índice a) del calorímetro, es posible calcular el poder calorífico correspondiente utilizando la ecuación de balance térmico.

El tratamiento de gas requerido es básicamente el mismo en todos los calorímetros de gas. Antes de la combustión, el gas (índice G) primero se limpia de impurezas mecánicas sólidas (en el filtro) y se humedece (hasta la saturación con humedad, 100%), y luego se lleva a los valores especificados de presión preliminar (usando un reductor de presión válvula) y la temperatura del medio refrigerante (índice K) . El aire necesario para la combustión (índice L) también se humedece y se lleva a la temperatura del medio refrigerante.

Según la precisión requerida y los costos de instrumentación permitidos, es posible que no se cumplan algunas de estas condiciones. Los calorímetros deben verificarse con un gas de referencia (por ejemplo, hidrógeno) para determinar la desviación de la ecuación para el estado ideal del calorímetro. Para un calorímetro de intercambio de calor (húmedo), la ecuación anterior tiene la forma

donde y son los caudales másicos del medio refrigerante y el combustible, kg/s; sk - capacidad calorífica específica del medio de enfriamiento, J / (kg * K); - aumento de la temperatura del medio refrigerante, K.

Figura Dispositivo de calorímetros húmedo (a) y seco (b) para combustible gaseoso.

El aumento de temperatura suele ser de 5 a 15 K. Debido a la gran masa térmica, los calorímetros de transferencia de calor tienen una constante de tiempo muy larga, que puede durar varios minutos. Por lo tanto, son menos adecuados para su uso en un circuito de control cerrado como sensor que los calorímetros secos (de mezcla), cuya constante de tiempo es de solo unos pocos segundos. Por otro lado, la precisión alcanzable de los calorímetros de intercambio de calor es comparativamente alta. Su error no supera el ±0,25-1 %, por lo que también se pueden utilizar para trabajos de laboratorio y verificación. Los calorímetros secos (mezcla) tienen un error de ±1 a ±2% del límite superior del rango de medición.

Las versiones de diseño de los calorímetros de varios fabricantes difieren principalmente en los dispositivos auxiliares y de seguridad, los elementos de detección y los circuitos computacionales que brindan compensación de errores. Por lo tanto, en los calorímetros de intercambio de calor, la relación de flujo de gas y medio refrigerante se mantiene de varias maneras (consulte la ecuación del calorímetro anterior), debido a que el poder calorífico más alto H0 depende directamente solo del aumento de temperatura.

En los calorímetros secos, el aumento de temperatura se mide directamente usando termómetros de contacto eléctrico o indirectamente usando un sensor dilatométrico, un tubo de expansión ubicado en la corriente de gas de escape. En el calorímetro ADOS, el alargamiento térmico del tubo del dilatómetro corresponde directamente al calor de combustión y se puede convertir en cualquier señal usando un enlace y un medidor de longitud. En el calorímetro de Reinecke, la extensión de la varilla se usa como señal de medición en un circuito de control que controla el flujo de aire de enfriamiento para que su aumento de temperatura permanezca casi constante. En este caso, el bucle de control resulta ser puramente proporcional, pero es inevitable alguna desviación residual. En este caso, el consumo de aire de refrigeración o el alargamiento del tubo dilatométrico (varilla) son una medida del poder calorífico determinado. Un requisito previo para obtener suficiente precisión en todos los calorímetros secos es una buena mezcla de aire de refrigeración y productos de combustión.

MEDICIONES DE FLUJO DE CALOR

El calor como tipo de energía se transfiere de tres formas: a través de un cuerpo sólido (conducción térmica), medio líquido o gaseoso (convección) y sin la participación de materia (radiación). En tecnología, los tres componentes casi siempre están involucrados en la transferencia de calor; sin embargo, en muchos casos es posible obtener resultados de precisión aceptable midiendo solo un componente.

Medición flujo de calor con conductividad térmica

La transferencia de calor a través de paredes conductoras de calor es de gran importancia en muchas áreas de la tecnología (intercambiadores de calor de todo tipo, aislamiento térmico, etc.). Al mismo tiempo, no es tanto el control actual de las cantidades de producción lo que interesa, sino los resultados de mediciones únicas utilizadas para evaluar la carga, verificar el cumplimiento de los indicadores garantizados y la eficiencia.

De acuerdo con las leyes de la conducción de calor estacionaria, el flujo de calor está determinado por las siguientes fórmulas (J/s):

Dado que se conocen la conductividad térmica de la pared [J/(m*s*K)] y sus dimensiones geométricas, la medición del flujo de calor se reduce a medir la diferencia de temperatura. Sin embargo, esta técnica requiere una determinación muy precisa de las temperaturas superficiales. Los errores asociados con los cambios en las condiciones de transferencia de calor al instalar elementos sensibles a la temperatura en las superficies pueden ser bastante grandes. Por lo tanto, para mediciones más precisas, se recomiendan los siguientes métodos, en los que se utilizan simultáneamente la conductividad térmica y la transferencia de calor.

Medición de flujos de calor en transferencia de calor (transferencia de calor combinada con conducción de calor)

Para la pared plana mencionada en el apartado anterior, es válida la siguiente ley de transferencia de calor (J/s):

,

donde en el coeficiente de transferencia de calor k 1J/(m2*s*K)], junto con el coeficiente de transferencia de calor [J/Dm*s*K)], los coeficientes de transferencia de calor y [J/(m2*s*K) ] de ambos lados de la pared también se tienen en cuenta.

En una pared plana a través de la cual pasa el flujo de calor medido, se coloca una pequeña placa delgada, cuya temperatura superficial está determinada por termopares de película delgada incorporados. La ventaja de medir de esta manera es que no requiere el conocimiento de las propiedades térmicas de la pared y las propiedades correspondientes de la placa se pueden reducir a un único valor constante durante la calibración. Dichos elementos sensibles tienen un tamaño de aproximadamente 30x30x0,5 mm; el rango de medida cubre flujos de calor de 10 a 100.000 W/m2; el error es 2-5%.

Figura El principio de funcionamiento del medidor de flujo de calor.

Con la mejora de este método de medición, se utilizan tapetes de goma en lugar de una placa superpuesta. Pegándolos a superficies no planas o envolviéndolos alrededor de una superficie curva, es posible determinar la transferencia de calor desde una superficie de un área relativamente grande, por ejemplo, desde una tubería, recipiente, etc. Los termopares están integrados en ambas superficies de la estera de modo que sus uniones calientes y frías estén ubicadas exactamente una contra la otra (Fig. 6). Y en este caso, la densidad de flujo de calor de acuerdo con la calibración es proporcional a la diferencia de temperatura. Sin embargo, las esteras aplicadas interrumpen un poco la transferencia de calor inicial, lo que se vuelve perceptible con mediciones precisas. Por lo tanto, este método de medición se usa principalmente para determinar las constantes termodinámicas de una sustancia, cuando la violación del flujo de calor no afecta el resultado de la medición.

Medida de flujos de calor en ambientes actuales.

Una parte importante de la energía térmica se transfiere por medios líquidos o gaseosos (agua, vapor, etc.) que se mueven en una red de tuberías cerrada. Sin embargo, en comparación con la transmisión de energía eléctrica por cable, la distancia a la que se puede transmitir la energía térmica es limitada. Para los estudios termotécnicos de todo tipo de sistemas de calefacción y refrigeración, es necesario medir la liberación y el consumo de calor.

El flujo de calor F (J/s), transmitido por el flujo del medio - portador de calor (kg/s) a través de la sección de control con área A (m2) en una zona determinada, para la cual se compila el balance de calor (en el zona de proceso, Fig. 7), es igual a

La cantidad de calor liberado durante el intervalo de tiempo t2 - t1 se determina como una integral (J):

donde es la diferencia en el contenido de calor (entalpías, J/kg) del refrigerante en la entrada (índice e) y en la salida (índice a) de la zona de equilibrio térmico.

Dado que, en el caso general, el valor de la entalpía es de interés solo en comparación con un cierto nivel, por ejemplo, con la entalpía a temperatura ambiente, todas las mediciones de flujos de calor son esencialmente mediciones de diferencia.

Las entalpías individuales incluidas en la ecuación general pueden expresarse en términos de las correspondientes temperaturas y capacidades caloríficas específicas;

Por lo tanto, la medición del flujo de calor se reduce directamente a la medición de temperaturas y caudales másicos. En muchos casos, no se mide la masa, sino el caudal volumétrico del refrigerante; en este caso, el resultado obtenido diferirá solo por el valor de la densidad del refrigerante p. Las capacidades caloríficas específicas, ci, son en sí mismas funciones de la temperatura. Sin embargo, debido al estrecho rango de medición de muchos instrumentos, por lo general se pueden considerar valores constantes sin mucha pérdida de precisión. La capacidad calorífica específica debe ser conocida. Para los líquidos, la ecuación del flujo de calor se simplifica aún más, ya que su capacidades caloríficas específicas no depende de la presión:

, J/s.

En todas las ecuaciones de este tipo es necesario tener en cuenta los signos de las magnitudes según se aporte o se extraiga calor, si el proceso es endotérmico o exotérmico, si se produce enfriamiento o calentamiento.