Propiedades térmicas de la madera. Estudio de las propiedades termofísicas de la turba
La capacidad térmica no específica, sino total, en el sentido físico generalmente aceptado, es la capacidad de una sustancia para calentarse. Al menos eso es lo que nos dice cualquier libro de texto sobre física térmica: es definición clásica capacidad calorífica (formulación correcta). De hecho, esta es una característica física interesante. Poco conocido por nosotros en la vida cotidiana "lado de la moneda". Resulta que cuando se suministra calor desde el exterior (calentamiento, calentamiento), no todas las sustancias reaccionan de la misma manera al calor ( energía térmica) y calentar de manera diferente. La capacidad de la TURBA para recibir, aceptar, retener y acumular (acumular) energía térmica se denomina capacidad calorífica de la TURBA. Y la capacidad calorífica de una turbera en sí misma es una característica física que describe las propiedades termofísicas del combustible de turba. Al mismo tiempo, en diferentes aspectos aplicados, dependiendo de un caso práctico concreto, una cosa puede resultarnos importante. Por ejemplo: la capacidad de una sustancia para recibir calor o la capacidad de acumular energía térmica o "talento" para conservarla. Sin embargo, a pesar de alguna diferencia, en el sentido físico, las propiedades que necesitamos serán descritas por la capacidad calorífica de la turbera.
Un pequeño pero muy "inconveniente" de naturaleza fundamental reside en el hecho de que la capacidad de calentarse -la capacidad térmica de una turbera- está directamente relacionada no sólo con composición química, la estructura molecular de una sustancia, sino también con su cantidad (peso, masa, volumen). Debido a esta conexión "desagradable", la capacidad calorífica total del combustible de turba se convierte en una característica física demasiado inconveniente de la sustancia. Dado que un parámetro medido describe simultáneamente "dos cosas diferentes". Es decir: realmente caracteriza las propiedades termofísicas de la TURBA, sin embargo, "de paso" también tiene en cuenta su cantidad. Formando una especie de característica integral, en la que la física térmica "alta" y una cantidad "banal" de materia (en nuestro caso: turbera) se conectan automáticamente.
Bueno, ¿por qué necesitamos tales características termofísicas de una turbera, en las que se rastrea claramente la "psique inadecuada"? Desde el punto de vista de la física, la capacidad calorífica total de la turba combustible (de la manera más torpe) intenta no sólo describir la cantidad de energía térmica capaz de acumularse en una turbera, sino también "de paso informarnos" sobre la cantidad de TURBA. Resulta absurdo, y no una característica termofísica clara, comprensible, estable y correcta del combustible de turba. En lugar de una constante útil adecuada para cálculos termofísicos prácticos, se nos proporciona un parámetro flotante, que es la suma (integral) de la cantidad de calor recibida por la TURBA y su masa o volumen de una turbera.
Gracias, por supuesto, por tal "entusiasmo", sin embargo, yo mismo puedo medir la cantidad de combustible de turba. Habiendo recibido resultados en una forma mucho más conveniente, "humana". No me gustaría "extraer" la cantidad de TURBA por métodos matemáticos y cálculos utilizando una fórmula compleja de la capacidad calorífica total de la TURBA, sino averiguar el peso (masa) en gramos (g, g), kilogramos (kg) , toneladas (t), cubos (metros cúbicos, metros cúbicos, m3), litros (l) o mililitros (ml). Especialmente desde gente inteligente Hace mucho tiempo se le ocurrieron instrumentos de medición bastante adecuados para estos fines. Por ejemplo: balanzas u otros dispositivos.
Particularmente "molesto es la naturaleza flotante" del parámetro: la capacidad calorífica total de la turbera. Su "estado de ánimo" inestable y cambiante. Cuando cambia el "tamaño de la porción o la dosis", la capacidad calorífica de la TURBA cambia inmediatamente. más cantidad turbera, cantidad física, el valor absoluto de la capacidad calorífica de la TURBA - aumenta. La cantidad de combustible de turba es menor, la capacidad térmica de la turbera disminuye. "Desgracia" algunos resulta! En otras palabras, lo que "tenemos" de ninguna manera puede considerarse una constante que describa las características termofísicas de la TURBA. Y es deseable que "tengamos" un parámetro de referencia claro y constante que caracterice las propiedades térmicas del combustible de turba, sin "referencias" a la cantidad (peso, masa de turba, volumen). ¿Qué hacer?
Aquí es donde un método muy simple pero "muy científico" viene a nuestro rescate. Se trata no solo del alguacil "ud. - específico", antes cantidad física, sino a una solución elegante que implica la exclusión de la consideración de la cantidad de materia. Naturalmente, no se pueden descartar en absoluto parámetros "incómodos, superfluos": la masa de la turbera o el volumen de TURBA. Al menos por la razón de que si no hay una cantidad de combustible de turba, entonces no habrá un "tema de discusión" en sí mismo. Y la sustancia debe ser. Por lo tanto, elegimos algún estándar convencional para la masa o el volumen de una turbera, que puede considerarse una unidad. Para el peso de la TURBA, tal unidad de masa de combustible de turba, conveniente en el uso práctico, resultó ser 1 kilogramo (kg).
Ahora, calentamos un kilogramo de TURBA en 1 grado, y la cantidad de calor (energía térmica) que necesitamos para calentar el combustible de turba en un grado es nuestro parámetro físico correcto, que describe bien, completa y claramente uno de los propiedades termofísicas TURBA. Tenga en cuenta que ahora estamos tratando con una característica que describe propiedad fisica sustancia de la turbera, pero sin tratar de "informarnos adicionalmente" sobre su cantidad. ¿Cómodo? No hay palabras. Es un asunto completamente diferente. Por cierto, ahora no estamos hablando de la capacidad térmica total del combustible de turba. Todo ha cambiado. ESTA ES LA CAPACIDAD CALORÍFICA ESPECÍFICA DE LA TURBA, que a veces se denomina de manera diferente. ¿Cómo? CAPACIDAD CALORÍFICA DE LA MASA DE LA TURBA. Específico (latidos) y masa (m) - en este caso: sinónimos.
Tabla 1. Calor especifico TURBA (ud.). Capacidad térmica másica de una turbera. Datos de referencia para la turba combustible.
La turba es el representante geológicamente más joven de la clase de humita, aunque solo puede clasificarse condicionalmente como un combustible fósil sólido. La condensación insignificante de los núcleos aromáticos, las cadenas periféricas ampliamente ramificadas, incluidos los grupos funcionales complejos, son la razón de la capacidad calorífica muy alta de la turba en comparación con la capacidad calorífica de otras humitas.
El estudio de las propiedades termofísicas de la turba aún no ha recibido el debido desarrollo. Solo se sabe que para turba absolutamente seca a temperatura ambiente es de 0,47-0,48 kcal/(kg-°C) y depende débilmente del tipo de turba (páramo, transición, tierras bajas) y del grado de descomposición.
Un rasgo característico de la turba es su humedad extremadamente alta. Con un aumento de la humedad, aumenta la capacidad calorífica de la turba. Dado que se ha establecido que la mayor parte del agua en la turba (más del 90%) se encuentra en forma no ligada o débilmente ligada y su capacidad calorífica, por lo tanto, es cercana a 1 kcal/(kg - °C), en la medida en que la especificidad La capacidad calorífica de la turba húmeda se puede calcular mediante la fórmula
Cy=0.475^1----- + kcal/(kg-°C), (V.1)
Donde Wp es el contenido de humedad total de la turba, % de la masa total.
Un estudio termográfico de la turba revela la presencia de un efecto endotérmico significativo, cuyo máximo cae a una temperatura de 170-190 ° C. A temperaturas superiores a 250 ° C, se producen transformaciones termoquímicas de la turba con la liberación de calor, más notable en los rangos de 270-380 °C y 540-580 °C. Un cuadro similar - un máximo endotérmico y dos o más mínimos exotérmicos - también se observa en el proceso de pirólisis de la madera (ver Capítulo XIII), que se explica completamente por la proximidad genética de los objetos.
V. CARBONES MARRONES
A pesar de que el carbón pardo es una valiosa materia prima energética y tecnológica, sus propiedades termofísicas no han sido estudiadas sistemáticamente hasta hace poco tiempo.
Debido a la conversión relativamente baja de la estructura molecular, en particular, el núcleo condensado poco desarrollado y el alto contenido de heteroátomos pesados en los grupos periféricos, la capacidad calorífica de los carbones marrones es mucho mayor que la capacidad calorífica incluso de los carbones pobremente metamorfoseados. ver Tabla III.1).
Según los datos de E. Rammler y R. Schmidt, basados en los resultados de un estudio de once lignitos, el calor específico promedio del lignito en términos de masa seca y libre de cenizas en el rango de 20 °C-T (T ^ 200 ° C) se puede calcular a partir de la fórmula
Ci = 0,219+28,32-10~4(7°+5,93-104G, kcal/(kg-°C), (VI.1)
Tde d° - rendimiento de resina, % sobre materia orgánica seca; T - temperatura, °C.
El análisis del efecto de las inclusiones minerales y la humedad libre sobre la capacidad calorífica de los lignitos permitió a los autores derivar una dependencia generalizada que es válida a temperaturas de hasta 200 °C:
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Donde Ts7r - humedad de trabajo; Ac - contenido de cenizas del carbón,%.
Dado que E. Rammler y R. Schmidt utilizaron el método de mezcla para determinar la capacidad calorífica, que, como se señaló anteriormente, requiere un tiempo significativo para estabilizar la temperatura del sistema, naturalmente, sus resultados difieren un poco de los datos obtenidos durante el calentamiento dinámico.
Entonces, por ejemplo, de la fórmula (VI.!) Se deduce que en el rango de 20-200 ° C, la capacidad calorífica promedio aumenta linealmente con el aumento de la temperatura. Esta conclusión contradice los resultados obtenidos por A. A. Agroskin et al., al determinar la capacidad calorífica de un grupo de carbones pardos domésticos de varios yacimientos. Las determinaciones se llevaron a cabo según el método de capa diatérmica con muestras secas pretrituradas a un tamaño de partícula inferior a 0,25 mm en una corriente continua de nitrógeno purificado a una velocidad de calentamiento de 10°C/min. Los resultados están relacionados con la masa actual de la muestra -
Las características de las muestras estudiadas se dan en la Tabla.
VI. 1, y en la fig. 26 muestra la dependencia de la capacidad calorífica efectiva de la temperatura.
Todas las curvas en el rango de temperatura de 20 a 1000 °C tienen un carácter similar y solo difieren ligeramente - 96
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Temperatura, ° С
Arroz. 26. Dependencia de la temperatura de la capacidad calorífica efectiva de los carbones marrones de algunos depósitos:
1-4 - depósitos, respectivamente, Irsha-Borodnskoye, Berezovskoye, Gusnnoozer-
Skoye, Yovo-Dmitrovskoe
Se separan entre sí según los valores absolutos de la capacidad calorífica. Los máximos y mínimos observados en las curvas corresponden a las mismas temperaturas. A 20 °C, la capacidad calorífica efectiva, coincidiendo con la verdadera, cambia para varios carbones dentro de 0,27-0,28 kcal/(kg - °C), lo que concuerda bien con los resultados obtenidos por las fórmulas (VI. 1) y (VI.2).
Tabla VI.!
La variación lineal de la capacidad calorífica efectiva (ver Fig. 26) ocurre solo en el rango de 20-120 ° C. Con el aumento de la temperatura, se observa un aumento más pronunciado en la capacidad calorífica, alcanzando un máximo a 200 ° C igual a 0,47 -■
0,49 kcal/(kg-°C). Este primer máximo endotérmico se debe a la eliminación de la humedad ligada y al inicio de reacciones de pirólisis de masas orgánicas que proceden con la absorción de calor. El segundo máximo endotérmico de 0,42-0,49 kcal/(kg-°C) se produce a una temperatura cercana a los 550°C, lo que indica el predominio de reacciones endotérmicas de destrucción de la masa orgánica y descomposición de parte de las impurezas minerales. . Es característico que el más grande en valor absoluto endotérmico - 7 Zach. 179 97 Estos picos son característicos del carbón del yacimiento Novo-Dmitrovskoe, que difiere de otros carbones en un alto rendimiento de sustancias volátiles.
El calentamiento adicional a 1000°C conduce a una disminución gradual de la capacidad calorífica a 0,07-0,23 kcal/(kg-°C) debido a la aparición de reacciones exotérmicas de formación de una estructura de coque.
Una comparación de las curvas de cambio en la capacidad calorífica efectiva (ver Fig. 26) con los datos de un estudio termográfico de lignito también revela algunas discrepancias. El más significativo de ellos es la presencia en los termogramas de una tercera muesca endotérmica a una temperatura de 700-715 ° C. efecto endotérmico, ya que la Sef en este intervalo permanece inferior a la capacidad calorífica real. La razón de tales fluctuaciones en la capacidad calorífica efectiva, observada, por cierto, incluso a más altas temperaturas radica en la naturaleza compleja de la formación de la estructura del coque.
La verdadera capacidad calorífica (de equilibrio) de todos los carbones investigados aumenta monótonamente con el aumento de la temperatura (Tabla VI.2). Los valores más bajos de la capacidad calorífica real del lignito del yacimiento Novo-Dmitrovsky en comparación con la capacidad calorífica de otros carbones se explican por su alto contenido en cenizas.
El efecto térmico total [tab. (VI.3)] reacciones de pirólisis de acuerdo con las fórmulas (1.13) y (1.14) se determina por la diferencia entre las áreas limitadas por el efectivo y
Cuadro VI.2
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Capacidad calorífica real de los carbones marrones
Nota. El numerador es kJ / "kg K, el denominador es kcal / (kg ■ ° C). Tabla U1.3 Efecto térmico total de las reacciones de pirólisis del lignito en el rango de 20-1000 °C prn velocidad de calentamiento 10 °C/min |
Efecto térmico de la pirólisis.
Campo
capacidad calorífica real. En este caso, el área situada bajo la curva de capacidad calorífica verdadera caracteriza la exotermia, y el área por encima de esta curva caracteriza la endotermia de las reacciones de pirólisis.
Con un aumento en la conversión de carbones marrones, la capacidad calorífica de estos últimos disminuye (Fig. 27).
VIII. CARBONES Y ANTRACITAS
Estos carbones son una gama extremadamente amplia de combustibles fósiles sólidos en términos de propiedades físicas y tecnológicas, caracterizados por un grado diferente, pero relativamente alto, de conversión del material de origen.
La capacidad calorífica del carbón depende de la etapa de metamorfismo (ver Capítulo II1.1), las condiciones de ocurrencia, el contenido de cenizas, la humedad y una serie de otros factores, cuya influencia se considerará en el próximo capítulo.
Esta sección proporciona datos de referencia sobre la capacidad calorífica real y efectiva de los carbones bituminosos de algunas cuencas a temperaturas moderadas, así como durante la descomposición térmica.
La tabla muestra las propiedades termofísicas de la turba y los productos de turba en función de la temperatura en el rango de -71 a 20 °C. Se dan las siguientes propiedades de la turba: densidad aparente en kg/m 3 , conductividad térmica en W/(m deg) y kcal/(m h deg) y difusividad térmica en unidades de 10 8 m 2 /s y 10 4 m 2 / hora.
Las propiedades se especifican para turba triturada, turba en terrones, molida, en briquetas y placas de turba. Para la densidad, la conductividad térmica y la difusividad térmica se dan a temperaturas negativas. La densidad de la turba puede variar de 200 a 890 kg/m 3. La turba en briquetas tiene una alta densidad, a diferencia de la turba ligera grumosa. La densidad de la turba se indica a presión atmosférica.
La conductividad térmica de la turba varía en el rango de 0,06 a 0,45 W/(m deg). El más térmicamente conductor es la turba en briquetas y losas de turba. La difusividad térmica de la turba está en el rango de 12·10 -8 a 60·10 -8 m 2 /s.
Densidad y conductividad térmica de turba y losas de turba.
La tabla muestra los valores de conductividad térmica de la turba y losas de turba con diferentes densidades según la temperatura a 0, 50 y 100 °C. La densidad de turba y losas es de 180 a 190 kg/m 3 . La dimensión de la conductividad térmica en el numerador en W / (m deg); en el denominador - en kcal / (m hora grado). De acuerdo con la tabla, se puede ver que cuando se calientan turba y losas de turba, su conductividad térmica aumenta.
Conductividad térmica de las astillas de turba
Se indican los valores de conductividad térmica de astillas de turba seca con diferente densidad aparente a una temperatura de 20°C. La densidad de las astillas de turba varía de 77 a 250 kg/m 3 . Con un aumento en la densidad aparente de la miga, su conductividad térmica también aumenta y para la miga más densa puede alcanzar un valor de 0,076 W/(m deg).
La capacidad térmica total de la roca arcillosa. Cuál es el coeficiente "C": (sp.) capacidad calorífica específica de la ARCILLA. ¿Cómo difieren estos tipos de características termofísicas del material terrestre, por qué es imposible arreglárselas con un parámetro físico que describa las propiedades térmicas del suelo arcilloso y por qué fue necesario introducir el coeficiente "para multiplicar entidades, complicando la vida de gente normal"?La capacidad térmica no específica, sino total, en el sentido físico generalmente aceptado, es la capacidad de una sustancia para calentarse. Al menos esto es lo que nos dice cualquier libro de texto sobre física térmica: esta es la definición clásica de capacidad calorífica (formulación correcta). De hecho, esta es una característica física interesante. Poco conocido por nosotros en la vida cotidiana "cara de la moneda". Resulta que cuando se suministra calor desde el exterior (calentamiento, calentamiento), no todas las sustancias reaccionan de la misma manera al calor (energía térmica) y se calientan de manera diferente. La capacidad de la ARCILLA para recibir, aceptar, retener y acumular (acumular) energía térmica se denomina capacidad calorífica de la ARCILLA. Y la capacidad calorífica del material arcilloso en sí es una característica física que describe las propiedades termofísicas de la roca arcillosa. Al mismo tiempo, en diferentes aspectos aplicados, dependiendo de un caso práctico concreto, una cosa puede resultarnos importante. Por ejemplo: la capacidad de una sustancia para recibir calor o la capacidad de acumular energía térmica o "talento" para conservarla. Sin embargo, a pesar de alguna diferencia, en el sentido físico, las propiedades que necesitamos serán descritas por la capacidad calorífica del material arcilloso.
Un pequeño pero muy "inconveniente" de naturaleza fundamental es que la capacidad de calentarse, la capacidad térmica de la roca sedimentaria arcillosa, está directamente relacionada no solo con la composición química, la estructura molecular de la sustancia, sino también con su cantidad. (peso, masa, volumen) . Debido a tal conexión "desagradable", la capacidad calorífica total del material arcilloso se convierte en una característica física demasiado inconveniente de la sustancia. Dado que un parámetro medido describe simultáneamente "dos cosas diferentes". Es decir: realmente caracteriza las propiedades termofísicas de la ARCILLA, sin embargo, "de paso" también tiene en cuenta su cantidad. Formando una especie de característica integral, en la que la física térmica "alta" y una cantidad "banal" de materia (en nuestro caso: roca sedimentaria) se conectan automáticamente.
Bueno, ¿por qué necesitamos tales características termofísicas de la roca, en las que se rastrea claramente la "psique inadecuada"? Desde el punto de vista de la física, la capacidad calorífica total de un suelo arcilloso (de la forma más torpe) intenta no sólo describir la cantidad de energía térmica que puede acumular la roca, sino también "de paso decirnos" sobre la cantidad de ARCILLA. Resulta absurdo, pero no una característica termofísica clara, comprensible, estable y correcta del material arcilloso. En lugar de una constante útil adecuada para cálculos termofísicos prácticos, se nos da un parámetro flotante, que es la suma (integral) de la cantidad de calor recibida por la arcilla y su masa o volumen de roca sedimentaria.
Gracias, por supuesto, por tal "entusiasmo", sin embargo, puedo medir la cantidad de ARCILLA por mi cuenta. Habiendo recibido resultados en una forma mucho más conveniente, "humana". No me gustaría "extraer" la cantidad de ARCILLA por métodos matemáticos y cálculos utilizando una fórmula compleja de la capacidad calorífica total de la ARCILLA, a diferentes temperaturas, sino averiguar el peso (masa) en gramos (g, g), kilogramos (kg), toneladas (tons), cubos (metros cúbicos, metros cúbicos, m3), litros (l) o mililitros (ml). Además, las personas inteligentes han ideado durante mucho tiempo instrumentos de medición que son bastante adecuados para estos fines. Por ejemplo: balanzas u otros dispositivos.
Particularmente "molesto es la naturaleza flotante" del parámetro: la capacidad calorífica total de la roca sedimentaria. Su "estado de ánimo" inestable y cambiante. Al cambiar el "tamaño de una porción o dosis", la capacidad calorífica de CLAY a diferentes temperaturas cambia inmediatamente. Más arcilla, cantidad física, valor absoluto de la capacidad calorífica suelo arcilloso- aumenta. A menor cantidad de arcilla, el valor de la capacidad térmica del suelo arcilloso disminuye. "Desgracia" algunos resulta! En otras palabras, lo que "tenemos" de ninguna manera puede considerarse una constante que describa las características termofísicas de la ARCILLA a diferentes temperaturas. Y es deseable que "tengamos" un coeficiente comprensible y constante, un parámetro de referencia que caracterice las propiedades térmicas de la roca, sin "referencias" a la cantidad (peso, masa, volumen). ¿Qué hacer?
Aquí es donde un método muy simple pero "muy científico" viene a nuestro rescate. Se trata no solo del alguacil "sp. - específico", frente a una cantidad física, sino de una solución elegante que implica la exclusión de la consideración de la cantidad de sustancia. Naturalmente, parámetros "incómodos, superfluos": es absolutamente imposible excluir la masa o el volumen de ARCILLA. Al menos por la razón de que si no hay cantidad de material arcilloso, entonces no habrá un "tema de discusión" en sí mismo. Y la sustancia debe ser. Por lo tanto, elegimos algún estándar condicional para la masa o volumen de ARCILLA, que puede considerarse una unidad adecuada para determinar el valor del coeficiente "C" que necesitamos. Para el peso de ARCILLA, tal unidad de masa de roca sedimentaria, conveniente en el uso práctico, resultó ser 1 kilogramo (kg).
Ahora, calentamos un kilogramo de ARCILLA en 1 grado, y la cantidad de calor (energía térmica) que necesitamos para calentar el suelo arcilloso en un grado es nuestro parámetro físico correcto, el coeficiente "C", está bien, es una descripción bastante completa y comprensible una de las propiedades termofísicas de la ARCILLA a varias temperaturas. Tenga en cuenta que ahora estamos tratando con una característica que describe la propiedad física de una sustancia arcillosa, pero no estamos tratando de "informarnos adicionalmente" sobre su cantidad. ¿Cómodo? No hay palabras. Es un asunto completamente diferente. Por cierto, ahora no estamos hablando de la capacidad térmica total de la arcilla, como roca sedimentaria. Todo ha cambiado. ESTA ES LA CAPACIDAD CALORÍFICA ESPECÍFICA DE LA ARCILLA, que a veces recibe otro nombre. ¿Cómo? Solo CAPACIDAD TÉRMICA MASA DE LA ARCILLA. Específico (sp.) y masa (m.) - en este caso: sinónimos, significan aquí el coeficiente "C" que necesitamos.
Tabla 1. Coeficiente: capacidad calorífica específica de la ARCILLA (sp.). Capacidad térmica másica del material arcilloso. Datos de referencia para roca sedimentaria.