Պայմանավորվածություն
Չափվում է SI համակարգում ջերմության քանակը: Ջերմության քանակի չափման մեթոդներ և միջոցներ

Չափվում է SI համակարգում ջերմության քանակը: Ջերմության քանակի չափման մեթոդներ և միջոցներ

Ջերմություն- անմիջական շփման կամ ճառագայթման միջոցով ավելի տաք մարմնից ավելի քիչ տաքացած մարմնին փոխանցվող էներգիան:

Ջերմաստիճանը մոլեկուլային շարժման ինտենսիվության չափանիշ է։

Տվյալ ջերմաստիճանում մարմնի ունեցած ջերմության քանակը կախված է նրա զանգվածից. Օրինակ, նույն ջերմաստիճանում մեծ բաժակ ջրի մեջ ավելի շատ ջերմություն է պահվում, քան փոքրում, իսկ մի դույլով սառը ջրի մեջ այն կարող է ավելի շատ լինել, քան մեկ գավաթում։ տաք ջուր(թեև դույլի ջրի ջերմաստիճանն ավելի ցածր է):

Ջերմությունը կարևոր դեր է խաղում մարդու կյանքում, այդ թվում՝ նրա մարմնի գործունեության մեջ։ Սննդի մեջ պարունակվող քիմիական էներգիայի մի մասը վերածվում է ջերմության, ինչի շնորհիվ մարմնի ջերմաստիճանը պահպանվում է 37 ° C-ի մոտ։ Մարդու մարմնի ջերմային հավասարակշռությունը նույնպես կախված է ջերմաստիճանից։ միջավայրը, և մարդիկ ստիպված են լինում մեծ էներգիա ծախսել ձմռանը բնակելի և արտադրական տարածքները տաքացնելու և ամռանը հովացնելու վրա։ Այս էներգիայի մեծ մասը մատակարարվում է ջերմային շարժիչներով, ինչպիսիք են կաթսայատները և էլեկտրակայանների գոլորշու տուրբինները, որոնք աշխատում են հանածո վառելիքով (ածուխ, նավթ) և արտադրում էլեկտրաէներգիա։

Մինչև 18-րդ դարի վերջը։ ջերմությունը համարվում էր նյութական նյութ՝ հավատալով, որ մարմնի ջերմաստիճանը որոշվում է քանակով<калорической жидкости>, կամ<теплорода>. Ավելի ուշ Բ. Ռամֆորդը, Ջ. Ջուլը և այն ժամանակվա մյուս ֆիզիկոսները սրամիտ փորձերի և դատողությունների միջոցով հերքեցին.<калорическую>տեսություն, որն ապացուցում է, որ ջերմությունն անկշիռ է և կարող է ստացվել ցանկացած քանակությամբ՝ պարզապես մեխանիկական շարժման շնորհիվ: Ջերմությունն ինքնին նյութ չէ, դա պարզապես նրա ատոմների կամ մոլեկուլների շարժման էներգիան է: Ջերմության այս հասկացողությունն է, որին հետևում է ժամանակակից ֆիզիկան:

Այս հոդվածում մենք կանդրադառնանք, թե ինչպես են ջերմությունն ու ջերմաստիճանը կապված և ինչպես են չափվում այդ քանակությունները: Մեր քննարկման առարկան կլինեն նաև հետևյալ հարցերը՝ ջերմության փոխանցումը մարմնի մի մասից մյուսը; ջերմության փոխանցում վակուումում (տարածություն, որը նյութ չի պարունակում); ջերմության դերը ժամանակակից աշխարհում.

Ջերմություն և ջերմաստիճան

Նյութի ջերմային էներգիայի քանակը չի կարող որոշվել՝ դիտարկելով նրա յուրաքանչյուր մոլեկուլի շարժումը առանձին։ Ընդհակառակը, միայն նյութի մակրոսկոպիկ հատկություններն ուսումնասիրելով՝ կարելի է գտնել որոշակի ժամանակահատվածում միջինացված բազմաթիվ մոլեկուլների միկրոսկոպիկ շարժման բնութագրերը։ Նյութի ջերմաստիճանը մոլեկուլների շարժման ինտենսիվության միջին ցուցանիշն է, որի էներգիան ջերմային էներգիանյութեր.

Ջերմաստիճանը գնահատելու ամենահայտնի, բայց նաև ամենաքիչ ճշգրիտ եղանակներից մեկը հպումն է: Առարկային դիպչելով՝ մենք դատում ենք՝ շոգ է, թե սառը, կենտրոնանալով մեր զգացմունքների վրա։ Իհարկե, այս սենսացիաները կախված են մեր մարմնի ջերմաստիճանից, ինչը մեզ բերում է ջերմային հավասարակշռության հայեցակարգին՝ ջերմաստիճանը չափելու ամենակարևորներից մեկը:

Ջերմային հավասարակշռություն

Ջերմային հավասարակշռություն A և B մարմինների միջև

Ակնհայտ է, որ եթե երկու մարմիններ A և B սերտորեն սեղմվեն միմյանց դեմ, ապա բավական երկար ժամանակ անց նրանց դիպչելուց հետո մենք կնկատենք, որ դրանց ջերմաստիճանը նույնն է։ Այս դեպքում ասվում է, որ A և B մարմինները գտնվում են միմյանց հետ ջերմային հավասարակշռության մեջ: Այնուամենայնիվ, մարմինները, ընդհանուր առմամբ, պարտադիր չէ, որ շփվեն, որպեսզի նրանց միջև ջերմային հավասարակշռություն լինի. բավական է, որ դրանց ջերմաստիճանը նույնն է: Սա կարելի է ստուգել՝ օգտագործելով երրորդ C մարմինը, նախ այն բերելով ջերմային հավասարակշռության A մարմնի հետ, այնուհետև համեմատելով C և B մարմինների ջերմաստիճանները: Մարմինը C-ն այստեղ ջերմաչափի դեր է խաղում: Խիստ ձևակերպմամբ այս սկզբունքը կոչվում է թերմոդինամիկայի զրոյական օրենք. եթե A և B մարմինները ջերմային հավասարակշռության մեջ են երրորդ C մարմնի հետ, ապա այդ մարմինները նույնպես ջերմային հավասարակշռության մեջ են միմյանց հետ: Այս օրենքը ընկած է ջերմաստիճանի չափման բոլոր մեթոդների հիմքում:

Ջերմաստիճանի չափում

Ջերմաստիճանի սանդղակներ

ջերմաչափեր

Էլեկտրական էֆեկտների վրա հիմնված ջերմաչափեր

Եթե մենք ցանկանում ենք ճշգրիտ փորձեր և հաշվարկներ կատարել, ապա ջերմաստիճանի այնպիսի գնահատականները, ինչպիսիք են տաք, տաք, սառը, սառը, բավարար չեն. մեզ անհրաժեշտ է աստիճանական ջերմաստիճանի սանդղակ: Կան մի քանի նման կշեռքներ, և որպես հղման կետեր սովորաբար ընդունվում են ջրի սառեցման և եռման կետերը։ Չորս ամենատարածված սանդղակները ներկայացված են նկարում: Ցելսիուսի սանդղակը, ըստ որի ջրի սառեցման կետը համապատասխանում է 0 °, իսկ եռմանը՝ 100 °, կոչվում է Ցելսիուսի սանդղակ՝ ի պատիվ շվեդ աստղագետ Ա. Ցելսիուսի, որը նկարագրել է այն 1742 թվականին: Ենթադրվում է, որ Շվեդ բնագետ Կ.Լիննեուսն առաջին անգամ կիրառեց այս սանդղակը: Այժմ Ցելսիուսի սանդղակը աշխարհում ամենատարածվածն է։ Ֆարենհեյթի ջերմաստիճանի սանդղակը, որտեղ ջրի սառեցման և եռման կետերը համապատասխանում են ծայրահեղ անհարմար թվերին՝ 32 և 212 °, առաջարկվել է 1724 թվականին Գ. Ֆարենհեյթի կողմից։ Ֆարենհեյթի սանդղակը լայնորեն կիրառվում է անգլիախոս երկրներում, սակայն այն գրեթե չի օգտագործվում գիտական գրականության մեջ։ Ցելսիուսի ջերմաստիճանը (°C) Ֆարենհեյթի ջերմաստիճանի (°F) փոխարկելու համար կա °F = (9/5)°C + 32 բանաձև, իսկ հակառակ թարգմանության համար՝ °C = (5/9) բանաձևը ( °F- 32):

Երկու սանդղակները՝ և՛ Ֆարենհեյթը, և՛ Ցելսիուսը, շատ անհարմար են փորձեր կատարելիս այն պայմաններում, երբ ջերմաստիճանը իջնում է ջրի սառեցման կետից ցածր և արտահայտվում է որպես բացասական թիվ: Նման դեպքերի համար ներդրվել են բացարձակ ջերմաստիճանի սանդղակներ, որոնք հիմնված են այսպես կոչված բացարձակ զրոյի էքստրապոլացիայի վրա՝ այն կետը, որտեղ մոլեկուլային շարժումը պետք է դադարի։ Դրանցից մեկը կոչվում է Ռանկինի սանդղակ, իսկ մյուսը՝ բացարձակ թերմոդինամիկական սանդղակ; ջերմաստիճանը չափվում է Ռանկինի (°R) և կելվինի (K) աստիճաններով։ Երկու մասշտաբներն էլ սկսվում են բացարձակ զրոյից, և ջրի սառեցման կետը համապատասխանում է 491,7 ° R-ին և 273,16 Կ-ին: Ցելսիուսի սանդղակով ջրի սառեցման և եռման կետերի և բացարձակ թերմոդինամիկական սանդղակի միջև աստիճանների և կելվինների թիվը նույնն է և հավասար: մինչև 100; Ֆարենհեյթի և Ռանկինի սանդղակների համար այն նույնպես նույնն է, բայց հավասար է 180-ի: Ցելսիուսի աստիճանները փոխարկվում են կելվինների՝ օգտագործելով K \u003d ° C + 273.16 բանաձևը, իսկ Ֆարենհեյթի աստիճանները փոխարկվում են Ռանկինի աստիճանների՝ օգտագործելով ° R \u003d բանաձևը: ° F + 459,7.

Ջերմաստիճանը չափելու համար նախատեսված սարքերի աշխատանքը հիմնված է տարբեր ֆիզիկական երևույթների վրա, որոնք կապված են նյութի ջերմային էներգիայի փոփոխության հետ՝ էլեկտրական դիմադրության, ծավալի, ճնշման, ճառագայթման բնութագրերի, ջերմաէլեկտրական հատկությունների փոփոխություններ: Ջերմաստիճանի չափման ամենապարզ և ծանոթ գործիքներից մեկը նկարում ներկայացված ապակե ջերմաչափն է: Ջերմաչափի ներքևի մասում գտնվող c գնդակը տեղադրվում է միջինում կամ սեղմվում է այն առարկայի վրա, որի ջերմաստիճանը պետք է չափվի, և կախված նրանից, թե արդյոք գնդակը ստանում է ջերմություն կամ տալիս, ընդլայնվում կամ կծկվում է, և դրա սյունը բարձրանում կամ իջնում է մազանոթ. Եթե ջերմաչափը նախապես տրամաչափված է և հագեցած է կշեռքով, ապա կարող եք ուղղակիորեն պարզել մարմնի ջերմաստիճանը:

Մեկ այլ սարք, որի գործողությունը հիմնված է ջերմային ընդարձակման վրա, բիմետալային ջերմաչափերն են, որոնք ներկայացված են նկարում: Դրա հիմնական տարրը ջերմային ընդարձակման տարբեր գործակիցներով երկու զոդված մետաղների պարուրաձև թիթեղն է: Երբ տաքացվում է, մետաղներից մեկն ավելի է ընդլայնվում, քան մյուսը, պարույրը պտտվում և պտտվում է սլաքը մասշտաբի համեմատ: Նման սարքերը հաճախ օգտագործվում են ներսի և դրսի օդի ջերմաստիճանը չափելու համար, սակայն դրանք հարմար չեն տեղական ջերմաստիճանը որոշելու համար:

Տեղական ջերմաստիճանը սովորաբար չափվում է ջերմային միացմամբ, որը մի ծայրում զոդված տարբեր մետաղների երկու լար է: Երբ նման հանգույցը ջեռուցվում է, լարերի ազատ ծայրերում առաջանում է EMF, սովորաբար մի քանի միլիվոլտ: Ջերմազույգները պատրաստված են տարբեր մետաղական զույգերից՝ երկաթից և կոնստանտանից, պղնձից և կոնստանտանից, քրոմելից և ալյումելից: Նրանց thermo-EMF փոխվում է գրեթե գծային ջերմաստիճանի հետ մեկ լայն ջերմաստիճանի միջակայքում:

Հայտնի է նաև մեկ այլ ջերմաէլեկտրական էֆեկտ՝ հաղորդիչ նյութի դիմադրության կախվածությունը ջերմաստիճանից։ Այն ընկած է էլեկտրական դիմադրության ջերմաչափերի աշխատանքի հիմքում, որոնցից մեկը ներկայացված է նկարում: Ջերմաստիճանի տվիչի փոքր տարրի (ջերմազույգ) դիմադրությունը, սովորաբար բարակ մետաղալարերի կծիկները, համեմատվում է Ուիթսթոուն կամուրջի օգտագործմամբ տրամաչափված փոփոխական ռեզիստորի դիմադրության հետ: Ելքային գործիքը կարող է աստիճանավորվել անմիջապես աստիճաններով:

Օպտիկական պիրոմետրերը օգտագործվում են տեսանելի լույս արձակող տաք մարմինների ջերմաստիճանը չափելու համար։ Այս սարքի տարբերակներից մեկում մարմնի կողմից արձակված լույսը համեմատվում է շիկացած լամպի թելի ճառագայթման հետ, որը տեղադրված է հեռադիտակի կիզակետային հարթությունում, որով դիտվում է արձակող մարմինը: Էլեկտրական հոսանքը, տաքացնելով լամպի թելիկը, փոխվում է այնքան ժամանակ, մինչև թելի և մարմնի փայլը տեսողականորեն համեմատելիս պարզվի, որ նրանց միջև ջերմային հավասարակշռություն է հաստատվել։ Սարքի սանդղակը կարող է աստիճանավորվել անմիջապես ջերմաստիճանի միավորներով:

Տեխնիկական առաջընթացներ վերջին տարիներինթույլ է տվել ստեղծել նոր ջերմաստիճանի տվիչներ: Օրինակ, այն դեպքերում, երբ անհրաժեշտ է հատկապես բարձր զգայունություն, ջերմակույտի կամ սովորական դիմադրության ջերմաչափի փոխարեն օգտագործվում է կիսահաղորդչային սարք՝ թերմիստոր։ Ներկանյութերը և հեղուկ բյուրեղները, որոնք փոխում են իրենց ֆազային վիճակը, նույնպես օգտագործվում են որպես ջերմային փոխարկիչներ, հատկապես այն դեպքերում, երբ մարմնի մակերեսի ջերմաստիճանը տատանվում է լայն տիրույթում: Ի վերջո, օգտագործվում է ինֆրակարմիր ջերմագրություն, որի դեպքում ստացվում է առարկայի ինֆրակարմիր պատկերը պայմանական գույներով, որտեղ յուրաքանչյուր գույն համապատասխանում է որոշակի ջերմաստիճանի։ Ջերմաստիճանի չափման այս մեթոդը գտնում է ամենալայն կիրառությունը՝ սկսած բժշկական ախտորոշումնախքան տարածքի ջերմամեկուսացումը ստուգելը.

Ջերմության քանակի չափում

ջրի կալորիմետր

Մարմնի ջերմային էներգիան (ջերմության քանակը) կարելի է ուղղակիորեն չափել այսպես կոչված կալորիմետրով. Նման սարքի պարզ տարբերակը ներկայացված է նկարում: Այն խնամքով մեկուսացված փակ անոթ է, որը հագեցած է դրա ներսում ջերմաստիճանը չափող սարքերով և երբեմն լցված հայտնի հատկություններով աշխատող հեղուկով, ինչպիսին է ջուրը։ Փոքր տաքացվող մարմնում ջերմության քանակը չափելու համար այն տեղադրվում է կալորիմետրի մեջ և սպասում, որ համակարգը գա ջերմային հավասարակշռության: Կալորիմետրին (ավելի ճիշտ՝ այն լցնող ջրին) փոխանցվող ջերմության քանակը որոշվում է ջրի ջերմաստիճանի բարձրացմամբ։

Քիմիական ռեակցիայի ժամանակ, օրինակ՝ այրման ժամանակ, թողարկված ջերմության քանակը կարելի է չափել՝ տեղադրելով մի փոքր<бомбу>. AT<бомбе>գտնվում է նմուշ, որին միացված են բռնկման համար նախատեսված էլեկտրական լարերը և համապատասխան քանակությամբ թթվածին։ Նմուշն ամբողջությամբ այրվելուց և ջերմային հավասարակշռություն հաստատելուց հետո որոշվում է, թե որքան է բարձրացել ջրի ջերմաստիճանը կալորիմետրում, հետևաբար՝ արտանետվող ջերմության քանակը:

Ջերմային միավորներ

Ջերմությունը էներգիայի ձև է և, հետևաբար, պետք է չափվի էներգիայի միավորներով: Միջազգային SI համակարգում էներգիայի միավորը ջուլն է (J): Թույլատրվում է նաև օգտագործել ջերմության քանակի արտահամակարգային միավորներ՝ կալորիաներ. 15 աստիճանի կալորիա, որը հավասար է 4,1855 Ջ-ի: Բրիտանական ջերմային բլոկը (BTU) դուրս է գալիս համակարգից. BTU միջին = 1,055 Ջ:

Ջերմային աղբյուրներ

Ջերմության հիմնական աղբյուրները քիմիական և միջուկային ռեակցիաներն են, ինչպես նաև էներգիայի փոխակերպման տարբեր գործընթացները։ Ջերմության արտազատման հետ կապված քիմիական ռեակցիաների օրինակներ են այրումը և սննդի բաղադրիչների քայքայումը: Երկրի ստացած գրեթե ողջ ջերմությունն ապահովվում է Արեգակի խորքերում տեղի ունեցող միջուկային ռեակցիաներով։ Մարդկությունը սովորել է, թե ինչպես ստանալ ջերմություն միջուկային տրոհման կառավարվող պրոցեսների օգնությամբ, և այժմ նույն նպատակով փորձում է օգտագործել ջերմամիջուկային միաձուլման ռեակցիաները։ Էներգիայի այլ տեսակներ նույնպես կարող են վերածվել ջերմության, ինչպիսիք են մեխանիկական աշխատանքը և էլեկտրական էներգիան: Կարևոր է հիշել, որ ջերմային էներգիան (ինչպես ցանկացած այլ) կարող է փոխակերպվել միայն այլ ձևի, բայց չի կարող ստացվել:<из ничего>, ոչ էլ ոչնչացնել։ Սա թերմոդինամիկա կոչվող գիտության հիմնարար սկզբունքներից մեկն է։

Թերմոդինամիկա

Թերմոդինամիկաջերմության, աշխատանքի և նյութի փոխհարաբերությունների գիտությունն է։ Այս հարաբերությունների մասին ժամանակակից պատկերացումները ձևավորվել են անցյալի այնպիսի մեծ գիտնականների աշխատանքների հիման վրա, ինչպիսիք են Կարնոն, Կլաուզիուսը, Գիբսը, Ջուլը, Քելվինը և այլք: Թերմոդինամիկան բացատրում է նյութի ջերմային հզորության և ջերմահաղորդականության նշանակությունը, մարմինների ջերմային ընդարձակումը և փուլային անցումների ջերմությունը։ Այս գիտությունը հիմնված է մի քանի փորձնականորեն հաստատված օրենքների՝ սկզբունքների վրա։

Ջերմություն և նյութերի հատկություններ

Տարբեր նյութերունեն ջերմային էներգիա կուտակելու տարբեր ունակություններ. դա կախված է դրանց մոլեկուլային կառուցվածքից և խտությունից: Նյութի միավոր զանգվածի ջերմաստիճանը մեկ աստիճանով բարձրացնելու համար պահանջվող ջերմության քանակը կոչվում է նրա տեսակարար ջերմունակություն։ Ջերմային հզորությունը կախված է այն պայմաններից, որոնցում գտնվում է նյութը: Օրինակ, օդապարիկում մեկ գրամ օդը 1 Կ-ով տաքացնելու համար ավելի շատ ջերմություն է պահանջվում, քան այն նույն կերպ տաքացնելը ամուր պատերով փակ տարայի մեջ, քանի որ օդապարիկին փոխանցվող էներգիայի մի մասը ծախսվում է օդապարիկն ընդլայնելու վրա։ օդը, և ոչ թե տաքացնելը: Ուստի, մասնավորապես, գազերի ջերմունակությունը չափվում է առանձին՝ մշտական ճնշման և հաստատուն ծավալի դեպքում։

Ջերմաստիճանի բարձրացմամբ, մոլեկուլների քաոսային շարժման ինտենսիվությունը մեծանում է - նյութերի մեծ մասը ընդլայնվում է, երբ տաքանում է: Ջերմաստիճանի 1 Կ-ով աճով նյութի ընդարձակման աստիճանը կոչվում է ջերմային ընդլայնման գործակիցը.

Որպեսզի նյութը մի փուլային վիճակից մյուսին անցնի, օրինակ՝ պինդից հեղուկի (և երբեմն անմիջապես գազային), այն պետք է ստանա որոշակի քանակությամբ ջերմություն։ Եթե տաքացվի ամուր, ապա նրա ջերմաստիճանը կբարձրանա այնքան, մինչև կսկսի հալվել; մինչև հալման ավարտը, մարմնի ջերմաստիճանը կմնա հաստատուն, չնայած ջերմության մուտքագրմանը: Նյութի միավոր զանգվածի հալման համար պահանջվող ջերմության քանակը կոչվում է միաձուլման ջերմություն: Եթե շարունակեք ջերմություն մատակարարել, ապա հալած նյութը կջերմացվի մինչև եռալ: Տվյալ ջերմաստիճանում հեղուկի միավոր զանգվածը գոլորշիացնելու համար պահանջվող ջերմության քանակը կոչվում է գոլորշիացման ջերմություն:

Ջերմության դերը և դրա օգտագործումը

Շոգետուրբինային էլեկտրակայանի շահագործման սխեման

Սառեցման ցիկլի դիագրամ

Համաշխարհային ջերմության փոխանցման գործընթացները չեն կրճատվում մինչև արևային ճառագայթման միջոցով Երկիր տաքացնելը: Մթնոլորտի զանգվածային կոնվեկցիոն հոսանքները որոշում են եղանակային պայմանների ամենօրյա փոփոխություններն ամբողջ աշխարհում: Հասարակածային և բևեռային շրջանների միջև մթնոլորտի ջերմաստիճանի տարբերությունները, Երկրի պտույտի պատճառով Կորիոլիսի ուժերի հետ միասին, հանգեցնում են անընդհատ փոփոխվող կոնվեկցիոն հոսանքների, ինչպիսիք են առևտրային քամիները, ռեակտիվ հոսքերը և տաք և սառը ճակատները:

Ջերմության փոխանցումը (ջերմային հաղորդունակության շնորհիվ) Երկրի հալած միջուկից նրա մակերեսին հանգեցնում է հրաբխային ժայթքման և գեյզերների առաջացման։ Որոշ շրջաններում երկրաջերմային էներգիան օգտագործվում է տարածքների ջեռուցման և էլեկտրաէներգիայի արտադրության համար:

Ջերմությունը գրեթե բոլորի անփոխարինելի մասնակիցն է արտադրական գործընթացները. Մենք կնշենք դրանցից ամենակարևորները, ինչպիսիք են մետաղների ձուլումն ու մշակումը, շարժիչների շահագործումը, սննդի արտադրությունը, քիմիական սինթեզը, նավթի վերամշակումը, տարբեր իրերի արտադրությունը՝ աղյուսներից և սպասքից մինչև մեքենաներ և էլեկտրոնային սարքեր։ .

Շատ արդյունաբերական արտադրություններ և տրանսպորտ, ինչպես նաև ջերմաէլեկտրակայաններ չէին կարող աշխատել առանց ջերմային շարժիչների՝ սարքեր, որոնք ջերմությունը վերածում են օգտակար աշխատանքի: Նման մեքենաների օրինակներ են կոմպրեսորները, տուրբինները, գոլորշու, բենզինային և ռեակտիվ շարժիչները։

Gasovik - արդյունաբերական գազի սարքավորումներ ԳՕՍՏ, SNiP, PB Ֆիզիկական քանակությունների միավորներ, ֆիզիկաքիմիական հասկացություններ, հարաբերակցություններ, բաղադրություն և գազերի բնութագրեր

Ջերմության և ջերմության քանակի չափման միավորներ

Ջերմաստիճանի չափման հիմնական միավորը Միջազգային ջերմաստիճանի սանդղակի աստիճանն էր, որը գործնականում համապատասխանում է Ցելսիուսի աստիճանին։ Այս արժեքը հավասար է 0-ից 100 ° C ջերմաստիճանի միջակայքի 1/100-ին, այսինքն՝ սառույցի հալման կետերի և եռացող ջրի միջև 760 մմ Hg ճնշման տակ: Արվեստ.

Բացարձակ ջերմաստիճանը այն ջերմաստիճանն է, որը չափվում է բացարձակ զրոյից, այսինքն՝ -273,16°C-ից և չափվում է Կելվին աստիճանով (° K): Կելվինի աստիճանը նույնն է, ինչ Ցելսիուսի աստիճանը։ Հետևաբար, բացարձակ ջերմաստիճանն արտահայտվում է աստիճաններով՝ հետևյալ կերպ.

T, °K = t, °C + 273.16

SI համակարգում ջերմաստիճանի միավորը Կելվինն է։ Թույլատրվում է արտահայտել ջերմաստիճանի չափումների գործնական արդյունքները՝ օգտագործելով Ցելսիուսի աստիճանը Քելվինի աստիճանի հետ միասին՝ կախված սանդղակի վրա ծագումից (զրոյի դիրքից):

Օրինակ: 250 ±5 °С = 523,16 ±5 °K:

SI համակարգում աշխատանքը, էներգիան և ջերմությունը չափվում են ջոուլներով (J): Երբեմն գործնական նպատակների համար օգտագործվում է ավելի մեծ և հարմար միավոր՝ կիլոգոուլ (կՋ), որը հավասար է 1000 Ջ-ի: SI-ում աշխատանքի միավորը 1 N ուժի կողմից 1 մ տեղաշարժով կատարվող աշխատանքն է: Էներգիա - ֆիզիկական քանակությունցույց տալով, թե որքան աշխատանք կարող է անել մարմինը:

Կալորիաները և կիլոկալորիաները կարող են օգտագործվել որպես արտահամակարգային ջերմային միավորներ: Կալորիան ջերմության քանակն է, որն անհրաժեշտ է 1 գրամ ջրի ջերմաստիճանը 1°C-ով (19,5-ից 20,5°C) բարձրացնելու համար:

1 կալ (կալորիականություն) = 4,1868 Ջ;
1 կկալ (կիլոկալորիա) \u003d 1000 կալ \u003d 4186,8 J \u003d 4,187 կՋ;
1 Մկալ (մեգակալորիա) \u003d 10 6 կալ \u003d 4,1868 ՄՋ;
1 Գկալ (գիգակալորիա) \u003d 10 9 կալ \u003d 4186,8 ՄՋ:

Համեմատության համար նշենք, որ վառելիքը գնահատելիս օգտագործվում է այսպես կոչված պայմանական ջերմություն, որի ջերմային արժեքը հաշվարկի համար ենթադրվում է պայմանականորեն հավասար 7 Մկալ/կգ կամ 7 Գկալ/տ։ Նման դեպքերում խոսվում է համապատասխանաբար 1 կգ կամ 1 տոննա ստանդարտ վառելիքի (t.c.f.) մասին։

ՋԵՐՄՈՒԹՅՈՒՆ, նյութի ներքին էներգիայի կինետիկ մասը, որը որոշվում է այս նյութը կազմող մոլեկուլների և ատոմների ինտենսիվ քաոսային շարժումով։ Ջերմաստիճանը մոլեկուլային շարժման ինտենսիվության չափանիշ է։ Տվյալ ջերմաստիճանում մարմնի ունեցած ջերմության քանակը կախված է նրա զանգվածից. օրինակ, միևնույն ջերմաստիճանում մեծ բաժակ ջրի մեջ ավելի շատ ջերմություն է պարունակվում, քան փոքրում, իսկ մի դույլով սառը ջրի մեջ այն կարող է ավելի շատ լինել, քան մեկ բաժակ տաք ջրի մեջ (չնայած ջրի ջերմաստիճանը դույլն ավելի ցածր է):

° Գ. Մարդու մարմնի ջերմային հավասարակշռությունը կախված է նաև շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից, և մարդիկ ստիպված են շատ էներգիա ծախսել ձմռանը բնակելի և արտադրական տարածքները տաքացնելու և ամռանը դրանք հովացնելու վրա: Այս էներգիայի մեծ մասը մատակարարվում է ջերմային շարժիչներով, ինչպիսիք են կաթսայատները և էլեկտրակայանների գոլորշու տուրբինները, որոնք աշխատում են հանածո վառելիքով (ածուխ, նավթ) և արտադրում էլեկտրաէներգիա։

Մինչև 18-րդ դարի վերջը։ ջերմությունը համարվում էր նյութական նյութ՝ հավատալով, որ մարմնի ջերմաստիճանը որոշվում է նրանում պարունակվող «կալորիական հեղուկի» կամ «կալորիականության» քանակով։ Հետագայում Բ. Ռամֆորդը, Ջ. Ջուլը և այն ժամանակվա այլ ֆիզիկոսներ, հնարամիտ փորձերի և դատողությունների միջոցով հերքեցին «կալորիականության» տեսությունը՝ ապացուցելով, որ ջերմությունն անկշիռ է, և այն կարելի է ստանալ ցանկացած քանակությամբ՝ պարզապես մեխանիկական շարժման շնորհիվ։ Ջերմությունն ինքնին նյութ չէ, դա պարզապես իր ատոմների կամ մոլեկուլների շարժման էներգիան է: Ջերմության այս հասկացողությունն է, որին հետևում է ժամանակակից ֆիզիկան: տես նաեւՖԻԶԻԿԱ.

ՋԵՐՄՈՒԹՅԱՆ ԵՎ ՋԵՐՄԱՇԽԱՏՈՒԹՅԱՆ Նյութի ջերմային էներգիայի քանակը չի կարող որոշվել՝ դիտարկելով նրա յուրաքանչյուր մոլեկուլի շարժումը առանձին։ Ընդհակառակը, միայն նյութի մակրոսկոպիկ հատկություններն ուսումնասիրելով՝ կարելի է գտնել որոշակի ժամանակահատվածում միջինացված բազմաթիվ մոլեկուլների միկրոսկոպիկ շարժման բնութագրերը։ Նյութի ջերմաստիճանը մոլեկուլների շարժման ինտենսիվության միջին ցուցանիշն է, որի էներգիան նյութի ջերմային էներգիան է։

Ջերմաստիճանը հպումով գնահատելու ամենահայտնի, բայց նաև ամենաքիչ ճշգրիտ եղանակներից մեկը: Առարկային դիպչելով՝ մենք դատում ենք՝ շոգ է, թե սառը, կենտրոնանալով մեր զգացմունքների վրա։ Իհարկե, այս սենսացիաները կախված են մեր մարմնի ջերմաստիճանից, ինչը մեզ բերում է ջերմային հավասարակշռության հայեցակարգին, որն ամենակարևորներից մեկն է ջերմաստիճանի չափման մեջ:

Ջերմային հավասարակշռություն. Ակնհայտ է, եթե երկու մարմին Ա և Բ (նկ. 1) ամուր սեղմված միմյանց դեմ, ապա բավական երկար ժամանակ դիպչելով դրանց՝ կնկատենք, որ դրանց ջերմաստիճանը նույնն է։ Այս դեպքում, ասում են, որ դիերը Ա և Բ միմյանց հետ ջերմային հավասարակշռության մեջ են. Այնուամենայնիվ, մարմինները, ընդհանուր առմամբ, պարտադիր չէ, որ շփվեն, որպեսզի նրանց միջև ջերմային հավասարակշռություն լինի, բավական է, որ դրանց ջերմաստիճանը նույնն է: Սա կարելի է ստուգել երրորդ մարմնի միջոցով Գ , այն առաջին հերթին բերելով մարմնի հետ ջերմային հավասարակշռության Ա , իսկ հետո համեմատելով մարմինների ջերմաստիճանները Գ և բ. Մարմին Գ այստեղ ջերմաչափի դեր է խաղում: Խիստ ձևակերպմամբ այս սկզբունքը կոչվում է թերմոդինամիկայի զրոյական օրենք. եթե A և B մարմինները ջերմային հավասարակշռության մեջ են երրորդ C մարմնի հետ, ապա այդ մարմինները նույնպես ջերմային հավասարակշռության մեջ են միմյանց հետ։Այս օրենքը ընկած է ջերմաստիճանի չափման բոլոր մեթոդների հիմքում:Ջերմաստիճանի չափում. Եթե մենք ցանկանում ենք ճշգրիտ փորձեր և հաշվարկներ կատարել, ապա ջերմաստիճանի այնպիսի գնահատականները, ինչպիսիք են տաք, տաք, սառը, սառը, բավարար չեն, մեզ անհրաժեշտ է աստիճանական ջերմաստիճանի սանդղակ: Կան մի քանի նման կշեռքներ, և որպես հղման կետեր սովորաբար ընդունվում են ջրի սառեցման և եռման կետերը։ Ամենատարածված չորս սանդղակները ներկայացված են նկ. 2. Ցենտիգրադ սանդղակ, ըստ որի ջրի սառեցման կետը համապատասխանում է 0-ի° , իսկ եռման կետը 100 է° , կոչվում է Ցելսիուսի սանդղակ՝ ի պատիվ շվեդ աստղագետ Ա. Ցելսիուսի, որը նկարագրել է այն 1742 թվականին։ Ենթադրվում է, որ շվեդ բնագետ Կ. Լիննին առաջինն է օգտագործել այս սանդղակը։ Այժմ Ցելսիուսի սանդղակը աշխարհում ամենատարածվածն է։ Ֆարենհեյթի ջերմաստիճանի սանդղակը, որտեղ ջրի սառեցման և եռման կետերը համապատասխանում են ծայրահեղ անհարմար 32 և 212 թվերին։° , առաջարկվել է 1724 թվականին Գ.Ֆարենհեյթի կողմից։ Ֆարենհեյթի սանդղակը լայնորեն կիրառվում է անգլիախոս երկրներում, սակայն այն գրեթե չի օգտագործվում գիտական գրականության մեջ։ Ջերմաստիճանը Ցելսիուսի փոխարկելու համար (° Գ) մինչև Ֆարենհայթ ջերմաստիճան (° Զ) կա բանաձև° F = (9/5) ° C + 32, և հակադարձ թարգմանության բանաձևի համար°C = (5/9) (°F - 32): Երկու սանդղակները՝ և՛ Ֆարենհեյթը, և՛ Ցելսիուսը, շատ անհարմար են փորձեր կատարելիս այն պայմաններում, երբ ջերմաստիճանը իջնում է ջրի սառեցման կետից ցածր և արտահայտվում է որպես բացասական թիվ։ Նման դեպքերի համար ներդրվել են բացարձակ ջերմաստիճանի սանդղակներ, որոնք հիմնված են էքստրապոլացիայի վրա, այսպես կոչված, բացարձակ զրոյին, այն կետին, որտեղ մոլեկուլային շարժումը պետք է դադարի։ Դրանցից մեկը կոչվում է Ռանկինի սանդղակ, իսկ մյուսը՝ բացարձակ թերմոդինամիկական սանդղակ; ջերմաստիճանը չափվում է Rankine աստիճաններով (° R) և կելվիններ (K): Երկու կշեռքներն էլ սկսվում են բացարձակ զրոյից, իսկ ջրի սառեցման կետը 491,7 է° R և 273,16 K. Ցելսիուսի սանդղակով ջրի սառեցման և եռման կետերի և բացարձակ թերմոդինամիկական սանդղակի միջև աստիճանների և կելվինների թիվը նույնն է և հավասար է 100-ի. Ֆարենհեյթի և Ռանկինի սանդղակների համար այն նույնպես նույնն է, բայց հավասար է 180-ի: Ցելսիուսի աստիճանները վերածվում են կելվինի՝ օգտագործելով K \u003d բանաձևը° C + 273.16, իսկ Ֆարենհեյթի աստիճանից մինչև Rankine աստիճան՝ օգտագործելով բանաձևը°R = °F + 459,7. Ջերմաստիճանը չափելու համար նախատեսված սարքերի աշխատանքը հիմնված է տարբեր ֆիզիկական երևույթների վրա, որոնք կապված են նյութի ջերմային էներգիայի փոփոխության, էլեկտրական դիմադրության, ծավալի, ճնշման, ճառագայթման բնութագրերի և ջերմաէլեկտրական հատկությունների փոփոխության հետ: Ջերմաստիճանը չափելու ամենապարզ և ծանոթ գործիքներից մեկը սնդիկի մեջ ապակու ջերմաչափն է, որը ներկայացված է նկ. 3, ա. Ջերմաչափի ստորին մասում սնդիկ ունեցող գնդակը տեղադրվում է միջինում կամ սեղմվում է այն առարկայի վրա, որի ջերմաստիճանը պետք է չափվի, և կախված նրանից, թե արդյոք գնդակը ստանում է ջերմություն կամ արտահոսում, սնդիկը ընդլայնվում կամ կծկվում է, և նրա սյունը բարձրանում է կամ բարձրանում։ ընկնում է մազանոթում. Եթե ջերմաչափը նախապես տրամաչափված է և հագեցած է կշեռքով, ապա կարող եք ուղղակիորեն պարզել մարմնի ջերմաստիճանը:

Մեկ այլ սարք, որի աշխատանքը հիմնված է ջերմային ընդարձակման վրա, նկ.

3, բ. Դրա հիմնական տարրը ջերմային ընդարձակման տարբեր գործակիցներով երկու զոդված մետաղների պարուրաձև թիթեղ: Երբ տաքացվում է, մետաղներից մեկն ավելի է ընդլայնվում, քան մյուսը, պարույրը պտտվում և պտտվում է սլաքը մասշտաբի համեմատ: Նման սարքերը հաճախ օգտագործվում են ներսի և դրսի օդի ջերմաստիճանը չափելու համար, սակայն դրանք հարմար չեն տեղական ջերմաստիճանը որոշելու համար:

Տեղական ջերմաստիճանը սովորաբար չափվում է ջերմակույտի միջոցով, որը մի ծայրում զոդված տարբեր մետաղների երկու մետաղալար է (Նկար 10):

4, ա). Երբ նման հանգույցը տաքացվում է, լարերի ազատ ծայրերում առաջանում է էմֆ, սովորաբար մի քանի միլիվոլտ: Ջերմազույգները պատրաստված են տարբեր մետաղական զույգերից՝ երկաթից և կոնստանտանից, պղնձից և կոնստանտանից, քրոմելից և ալյումելից: Նրանց thermo-EMF փոխվում է գրեթե գծային ջերմաստիճանի հետ մեկ լայն ջերմաստիճանի միջակայքում:

4, բ. Ջերմաստիճանի նկատմամբ զգայուն փոքր տարրի (ջերմային սենսորի) դիմադրությունը սովորաբար բարակ մետաղալարով կծիկներով համեմատվում է Ուիթսթոուն կամրջի օգտագործմամբ կշռված փոփոխական ռեզիստորի դիմադրության հետ: Ելքային գործիքը կարող է աստիճանավորվել անմիջապես աստիճաններով:

Օպտիկական պիրոմետրերը օգտագործվում են տեսանելի լույս արձակող շիկացած մարմինների ջերմաստիճանը չափելու համար։ Այս սարքի տարբերակներից մեկում մարմնի կողմից արձակված լույսը համեմատվում է շիկացած լամպի թելի ճառագայթման հետ, որը տեղադրված է հեռադիտակի կիզակետային հարթությունում, որով դիտվում է արձակող մարմինը: Էլեկտրական հոսանքը, որը տաքացնում է լամպի թելիկը, փոխվում է այնքան ժամանակ, մինչև թելի և մարմնի փայլի տեսողական համեմատությունը ցույց տա, որ նրանց միջև ջերմային հավասարակշռություն է հաստատվել։ Սարքի սանդղակը կարող է աստիճանավորվել անմիջապես ջերմաստիճանի միավորներով:

Վերջին տարիների տեխնիկական առաջընթացը հնարավորություն է տվել ստեղծել նոր ջերմաստիճանի տվիչներ: Օրինակ, այն դեպքերում, երբ անհրաժեշտ է հատկապես բարձր զգայունություն, օգտագործվում է կիսահաղորդչային սարք՝ թերմիստորը ջերմակույտի կամ սովորական դիմադրողական ջերմաչափի փոխարեն։ Ներկանյութերը և հեղուկ բյուրեղները, որոնք փոխում են իրենց ֆազային վիճակը, նույնպես օգտագործվում են որպես ջերմային փոխարկիչներ, հատկապես այն դեպքերում, երբ մարմնի մակերեսի ջերմաստիճանը տատանվում է լայն տիրույթում: Ի վերջո, օգտագործվում է ինֆրակարմիր ջերմագրություն, որի դեպքում ստացվում է առարկայի ինֆրակարմիր պատկերը պայմանական գույներով, որտեղ յուրաքանչյուր գույն համապատասխանում է որոշակի ջերմաստիճանի։ Ջերմաստիճանի չափման այս մեթոդը գտնում է ամենալայն կիրառումը բժշկական ախտորոշումից մինչև սենյակների ջերմամեկուսացումը ստուգելը: տես նաեւՊԻՐՈՒԹՅԱՆ ՖԻԶԻԿԱ; ՀԵՂՈՒԿ Բյուրեղյա.

Ջերմության քանակի չափում. Մարմնի ջերմային էներգիան (ջերմության քանակը) կարելի է ուղղակիորեն չափել այսպես կոչված կալորիմետրով. Նման սարքի պարզ տարբերակը ներկայացված է Նկ. 5. Սա խնամքով մեկուսացված փակ անոթ է, որը հագեցած է դրա ներսում ջերմաստիճանը չափելու սարքերով և երբեմն լցված է հայտնի հատկություններով աշխատող հեղուկով, ինչպիսին է ջուրը։ Փոքր տաքացվող մարմնում ջերմության քանակը չափելու համար այն տեղադրվում է կալորիմետրի մեջ և սպասում, որ համակարգը գա ջերմային հավասարակշռության: Կալորիմետրին (ավելի ճիշտ՝ այն լցնող ջրին) փոխանցվող ջերմության քանակը որոշվում է ջրի ջերմաստիճանի բարձրացմամբ։

Քիմիական ռեակցիայի, օրինակ՝ այրման ժամանակ արձակված ջերմության քանակությունը կարելի է չափել կալորիմետրում փոքրիկ «ռումբ» տեղադրելով։ «Ռումբը» պարունակում է նմուշ, որին բռնկման համար միացված են էլեկտրական լարերը, և համապատասխան քանակությամբ թթվածին։ Նմուշն ամբողջությամբ այրվելուց և ջերմային հավասարակշռություն հաստատելուց հետո որոշվում է, թե որքան է բարձրացել ջրի ջերմաստիճանը կալորիմետրում, հետևաբար՝ արտանետվող ջերմության քանակը: տես նաեւկալորիաչափություն.

Ջերմային միավորներ. Ջերմությունը էներգիայի ձև է և, հետևաբար, պետք է չափվի էներգիայի միավորներով: Միջազգային SI համակարգում էներգիայի միավորը ջուլն է (J): Թույլատրվում է օգտագործել նաև ջերմային կալորիաների քանակի ոչ համակարգային միավորներ. միջազգային կալորիա է 4,1868 Ջ, ջերմաքիմիական կալորիա՝ 4,1840 Ջ։ Արտասահմանյան լաբորատորիաներում հետազոտության արդյունքները հաճախ արտահայտվում են՝ օգտագործելով այսպես կոչված. 15 աստիճանի կալորիա, որը հավասար է 4,1855 Ջ-ի: Բրիտանական ջերմային բլոկը (BTU) դուրս է գալիս համակարգից. BTU միջին = 1,055 Ջ: Ջերմության հիմնական աղբյուրները քիմիական և միջուկային ռեակցիաներն են, ինչպես նաև էներգիայի փոխակերպման տարբեր գործընթացները։ Ջերմության արտազատման հետ կապված քիմիական ռեակցիաների օրինակներ են այրումը և սննդի բաղադրիչների քայքայումը: Երկրի ստացած գրեթե ողջ ջերմությունն ապահովվում է Արեգակի խորքերում տեղի ունեցող միջուկային ռեակցիաներով։ Մարդկությունը սովորել է, թե ինչպես ստանալ ջերմություն միջուկային տրոհման կառավարվող պրոցեսների օգնությամբ, և այժմ նույն նպատակով փորձում է օգտագործել ջերմամիջուկային միաձուլման ռեակցիաները։ Էներգիայի այլ տեսակներ նույնպես կարող են վերածվել ջերմության, ինչպիսիք են մեխանիկական աշխատանքը և էլեկտրական էներգիան: Կարևոր է հիշել, որ ջերմային էներգիան (ինչպես ցանկացած այլ) կարող է փոխակերպվել միայն մեկ այլ ձևի, բայց այն չի կարող «ոչնչից» ստանալ, ոչ էլ ոչնչացվել: Սա թերմոդինամիկա կոչվող գիտության հիմնարար սկզբունքներից մեկն է։ ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱ Թերմոդինամիկան ջերմության, աշխատանքի և նյութի փոխհարաբերությունների գիտությունն է։ Այս հարաբերությունների մասին ժամանակակից պատկերացումները ձևավորվել են անցյալի այնպիսի մեծ գիտնականների աշխատանքների հիման վրա, ինչպիսիք են Կարնոն, Կլաուզիուսը, Գիբսը, Ջուլը, Քելվինը և այլք: Թերմոդինամիկան բացատրում է նյութի ջերմային հզորության և ջերմահաղորդականության նշանակությունը, մարմինների ջերմային ընդարձակումը և փուլային անցումների ջերմությունը։ Այս գիտությունը հիմնված է մի քանի փորձարարականորեն հաստատված օրենքների սկզբունքների վրա:Թերմոդինամիկայի սկիզբը. Վերևում ձևակերպված թերմոդինամիկայի զրոյական օրենքը ներկայացնում է ջերմային հավասարակշռության, ջերմաստիճանի և ջերմաչափության հասկացությունները: Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը մի հայտարարություն է, որն առանցքային նշանակություն ունի ողջ գիտության համար՝ որպես ամբողջություն. էներգիան չի կարելի ոչ ոչնչացնել, ոչ էլ ստանալ «ոչնչից», ուստի Տիեզերքի ընդհանուր էներգիան հաստատուն արժեք է: Իր ամենապարզ ձևով թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը կարելի է ձևակերպել հետևյալ կերպ. էներգիան, որը համակարգը ստանում է, հանած այն էներգիան, որը նա տալիս է, հավասար է համակարգում մնացած էներգիային: Առաջին հայացքից այս հայտարարությունը ակնհայտ է թվում, բայց ոչ, օրինակ, այդպիսին, այնպիսի իրավիճակներ, ինչպիսիք են բենզինի այրումը ավտոմոբիլային շարժիչի բալոններում. այստեղ ստացված էներգիան քիմիական է, արտանետվող էներգիան՝ մեխանիկական (աշխատանքային), իսկ համակարգում մնացած էներգիան՝ ջերմային։

Այսպիսով, պարզ է, որ էներգիան կարող է փոխվել մի ձևից մյուսը, և որ բնության և տեխնիկայի մեջ անընդհատ տեղի են ունենում նման փոխակերպումներ: Ավելի քան հարյուր տարի առաջ J. Joule-ն դա ապացուցեց մեխանիկական էներգիան ջերմային էներգիայի վերածելու դեպքի համար՝ օգտագործելով նկ. 6, ա. Այս սարքում իջնող և բարձրացող կշիռները ջրով լցված կալորիմետրում պտտել են շեղբերով լիսեռ, ինչի արդյունքում ջուրը տաքացել է։ Ճշգրիտ չափումները Ջոուլին թույլ տվեցին որոշել, որ ջերմության մեկ կալորիան համարժեք է 4,186 Ջ մեխանիկական աշխատանքի: Սարքը ցույց է տրված նկ.

6, բ, օգտագործվել է էլեկտրական էներգիայի ջերմային համարժեքը որոշելու համար։

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը բացատրում է շատ սովորական երևույթներ։ Օրինակ, պարզ է դառնում, թե ինչու անհնար է խոհանոցը սառեցնել բաց սառնարանով։ Ենթադրենք, որ խոհանոցը ջերմամեկուսացել ենք շրջակա միջավայրից։ Էներգիան անընդհատ մատակարարվում է համակարգին սառնարանի հոսանքի լարով, սակայն համակարգը էներգիա չի տալիս։ Այսպիսով, նրա ընդհանուր էներգիան ավելանում է, և խոհանոցը դառնում է ավելի տաք. պարզապես հպեք սառնարանի հետևի ջերմափոխանակիչի (կոնդենսատորի) խողովակներին, և դուք կհասկանաք դրա անօգուտությունը որպես «սառեցնող» սարք։ Բայց եթե այդ խողովակները դուրս բերվեին համակարգից (օրինակ՝ պատուհանից), ապա խոհանոցն ավելի շատ էներգիա կթողեր, քան ստանում էր, այսինքն. կհովացվեր, իսկ սառնարանը աշխատում էր որպես պատուհանի օդորակիչ։

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը բնության օրենք է, որը բացառում է էներգիայի ստեղծումը կամ ոչնչացումը։ Այնուամենայնիվ, դա ոչինչ չի ասում, թե ինչպես են ընթանում էներգիայի փոխանցման գործընթացները բնության մեջ: Այսպիսով, մենք գիտենք, որ տաք մարմինը տաքացնում է սառը մարմինը, եթե այդ մարմինները շփվեն: Բայց կարո՞ղ է սառը մարմինն ինքնին փոխանցել իր ջերմային պաշարը տաք մարմնին: Վերջին հնարավորությունկտրականապես մերժվում է թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքով։

Առաջին օրենքը բացառում է նաև գործակիցով շարժիչ ստեղծելու հնարավորությունը օգտակար գործողություն(արդյունավետություն) ավելի քան 100% (նման

" հավերժական " շարժիչը կարող է կամայականորեն երկար ժամանակ տալ ավելի շատ էներգիա, քան սպառում է): Անհնար է շարժիչ կառուցել նույնիսկ 100%-ին հավասար արդյունավետությամբ, քանի որ նրան մատակարարվող էներգիայի որոշ մասը պետք է անպայման կորցնի այն՝ պակաս օգտակար ջերմային էներգիայի տեսքով։ Այսպիսով, անիվը անվերջ չի պտտվի առանց էներգիայի մատակարարման, քանի որ առանցքակալների շփման պատճառով մեխանիկական շարժման էներգիան աստիճանաբար կվերածվի ջերմության, մինչև անիվը կանգնի:

«Օգտակար» աշխատանքը ավելի քիչ օգտակար էներգիայի ջերմության վերածելու միտումը կարելի է համեմատել մեկ այլ գործընթացի հետ, որը տեղի է ունենում տարբեր գազեր պարունակող երկու անոթների միացման ժամանակ։ Բավականին երկար սպասելուց հետո երկու անոթներում էլ հայտնաբերում ենք գազերի միատարր խառնուրդ, որը բնությունը գործում է այնպես, որ համակարգի կարգը նվազում է: Այս խանգարման թերմոդինամիկական չափումը կոչվում է էնտրոպիա, իսկ թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը կարող է ձևակերպվել այլ կերպ՝ բնության մեջ գործընթացները միշտ ընթանում են այնպես, որ համակարգի և նրա շրջակա միջավայրի էնտրոպիան մեծանում է։ Այսպիսով, Տիեզերքի էներգիան մնում է հաստատուն, մինչդեռ նրա էնտրոպիան անընդհատ աճում է։

Ջերմություն և նյութերի հատկություններ. Տարբեր նյութեր ունեն ջերմային էներգիա պահելու տարբեր ունակություններ. դա կախված է դրանց մոլեկուլային կառուցվածքից և խտությունից: Նյութի միավոր զանգվածի ջերմաստիճանը մեկ աստիճանով բարձրացնելու համար պահանջվող ջերմության քանակը կոչվում է դրա հատուկ ջերմություն. Ջերմային հզորությունը կախված է այն պայմաններից, որոնցում գտնվում է նյութը: Օրինակ, օդապարիկում մեկ գրամ օդը 1 Կ-ով տաքացնելու համար ավելի շատ ջերմություն է պահանջվում, քան այն նույն կերպ տաքացնելը ամուր պատերով փակ տարայի մեջ, քանի որ օդապարիկին փոխանցվող էներգիայի մի մասը ծախսվում է օդապարիկն ընդլայնելու վրա։ օդը, և ոչ թե տաքացնելը: Ուստի, մասնավորապես, գազերի ջերմունակությունը չափվում է առանձին՝ մշտական ճնշման և հաստատուն ծավալի դեպքում։

Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեկտեղ մոլեկուլների քաոսային շարժման ինտենսիվությունը մեծանում է, նյութերի մեծ մասը ընդլայնվում է, երբ տաքանում է: Ջերմաստիճանի 1 Կ-ով աճով նյութի ընդարձակման աստիճանը կոչվում է ջերմային ընդարձակման գործակից։

Որպեսզի նյութը մի փուլային վիճակից մյուսին անցնի, օրինակ՝ պինդից հեղուկի (և երբեմն անմիջապես գազային), այն պետք է ստանա որոշակի քանակությամբ ջերմություն։ Եթե պինդ մարմինը տաքացվի, նրա ջերմաստիճանը կբարձրանա այնքան ժամանակ, մինչև այն սկսի հալվել; մինչև հալման ավարտը, մարմնի ջերմաստիճանը կմնա հաստատուն, չնայած ջերմության մատակարարմանը: Նյութի միավոր զանգվածի հալման համար պահանջվող ջերմության քանակը կոչվում է միաձուլման ջերմություն: Եթե շարունակեք ջերմություն մատակարարել, ապա հալած նյութը կջերմացվի մինչև եռալ: Տվյալ ջերմաստիճանում հեղուկի միավոր զանգվածը գոլորշիացնելու համար պահանջվող ջերմության քանակը կոչվում է գոլորշիացման ջերմություն:

Մոլեկուլային-կինետիկ տեսություն. Մոլեկուլային կինետիկ տեսությունը բացատրում է նյութի մակրոսկոպիկ հատկությունները՝ մանրադիտակային մակարդակում դիտարկելով այս նյութը կազմող ատոմների և մոլեկուլների վարքագիծը։ Այս դեպքում կիրառվում է վիճակագրական մոտեցում և որոշ ենթադրություններ են արվում հենց մասնիկների և դրանց շարժման բնույթի վերաբերյալ։ Այսպիսով, մոլեկուլները համարվում են պինդ գնդիկներ, որոնք գազային միջավայրում գտնվում են շարունակական քաոսային շարժման մեջ և բախումից մյուսը զգալի տարածություններ են անցնում։ Բախումները համարվում են առաձգական և տեղի են ունենում մասնիկների միջև, որոնց չափերը փոքր են, իսկ թիվը՝ շատ մեծ։ Իրական գազերից և ոչ մեկը ճշգրիտ չի համապատասխանում այս մոդելին, սակայն գազերի մեծ մասը բավականին մոտ է դրան, ինչով էլ պայմանավորված է մոլեկուլային կինետիկ տեսության գործնական արժեքը։

Այս գաղափարների հիման վրա և օգտագործելով վիճակագրական մոտեցում՝ Մաքսվելը հանգեցրել է գազի մոլեկուլների արագությունների բաշխումը սահմանափակ ծավալով, որը հետագայում կոչվել է նրա անունով։ Այս բաշխումը գրաֆիկորեն ներկայացված է նկ. 7 ջրածնի տրված զանգվածի համար 100 և 1000 ջերմաստիճաններում

° C. Օրդինատը ներկայացնում է աբսցիսայի վրա նշված արագությամբ շարժվող մոլեկուլների թիվը: Մասնիկների ընդհանուր թիվը հավասար է յուրաքանչյուր կորի մակերեսին և երկու դեպքում էլ նույնն է։ Գրաֆիկից երևում է, որ մասնիկների մեծ մասն արագություն ունի ինչ-որ միջին արժեքին մոտ, և դրանցից միայն մի փոքր մասն ունի շատ բարձր կամ ցածր արագություն։ Միջին արագությունները այս ջերմաստիճաններում գտնվում են 2000-3000 մ/վ միջակայքում, այսինքն. շատ մեծ.

Նման արագ շարժվող գազի մոլեկուլների մեծ քանակությունը լիովին չափելի ուժով գործում է շրջակա մարմինների վրա։ Մանրադիտակային ուժերը, որոնցով բազմաթիվ գազի մոլեկուլներ հարվածում են նավի պատերին, գումարվում են մակրոսկոպիկ մեծության, որը կոչվում է ճնշում։ Երբ գազին էներգիա է մատակարարվում (ջերմաստիճանը բարձրանում է), նրա մոլեկուլների միջին կինետիկ էներգիան մեծանում է, գազի մասնիկները ավելի հաճախ և ավելի ուժեղ են հարվածում պատերին, ճնշումը բարձրանում է, իսկ եթե պատերը լիովին կոշտ չեն, ապա դրանք ձգվում են և գազի ծավալը մեծանում է. Այսպիսով, մոլեկուլային կինետիկ տեսության հիմքում ընկած մանրադիտակային վիճակագրական մոտեցումը հնարավորություն է տալիս բացատրել մեր քննարկած ջերմային ընդլայնման ֆենոմենը:

Մոլեկուլային կինետիկ տեսության մեկ այլ արդյունք է օրենքը, որը նկարագրում է գազի հատկությունները, որոնք բավարարում են վերը թվարկված պահանջները: Սա այսպես կոչված վիճակի հավասարումն է իդեալական գազմիացնում է մեկ մոլ գազի ճնշումը, ծավալը և ջերմաստիճանը և ունի հավասարության ձև

PV = RT որտեղ Պ ճնշում, V հատոր, Տ ջերմաստիճանը և Ռ ունիվերսալ գազի հաստատուն հավասար է (8.31441± 0,00026) Ջ/(մոլ Հ TO): տես նաեւՄՈԼԵԿՈՒԼԱՐ-ԿԻՆԵՏԻԿ ՏԵՍՈՒԹՅՈՒՆ;ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱ. ՋԵՐՄԱՀԱՂՈՐԴՈՒՄ Ջերմափոխանակումը մարմնի ներսում կամ մի մարմնից մյուսը ջերմության փոխանցման գործընթացն է՝ ջերմաստիճանի տարբերության պատճառով: Ջերմափոխանակման ինտենսիվությունը կախված է նյութի հատկություններից, ջերմաստիճանի տարբերությունից և ենթարկվում է բնության փորձարարականորեն հաստատված օրենքներին։ Ջեռուցման կամ հովացման արդյունավետ համակարգեր, տարբեր շարժիչներ, էլեկտրակայաններ, ջերմամեկուսիչ համակարգեր ստեղծելու համար անհրաժեշտ է իմանալ ջերմության փոխանցման սկզբունքները։ Որոշ դեպքերում ջերմափոխանակությունն անցանկալի է (հալոցքային վառարանների ջերմամեկուսացում, տիեզերանավեր և այլն), իսկ որոշ դեպքերում այն պետք է լինի հնարավորինս մեծ (գոլորշու կաթսաներ, ջերմափոխանակիչներ, խոհանոցային պարագաներ):

Գոյություն ունեն ջերմության փոխանցման երեք հիմնական տեսակ՝ հաղորդունակություն, կոնվեկցիա և ճառագայթային ջերմափոխանակում:

Ջերմային ջերմահաղորդություն. Եթե մարմնի ներսում ջերմաստիճանի տարբերություն կա, ապա ջերմային էներգիան նրա ավելի տաք մասից անցնում է ավելի սառը: Ջերմային փոխանցման այս տեսակը, ջերմային շարժումների և մոլեկուլների բախումների պատճառով, կոչվում է ջերմահաղորդություն; բավականաչափ բարձր ջերմաստիճաններպինդ մարմիններում այն կարելի է տեսնել տեսողականորեն: Այսպիսով, երբ գազի այրիչի բոցում պողպատե ձողը տաքացվում է մի ծայրից, ջերմային էներգիան փոխանցվում է ձողի միջով, և փայլը տարածվում է տաքացվող ծայրից որոշակի հեռավորության վրա (ավելի ու ավելի քիչ ինտենսիվ՝ վայրից հեռավորության վրա. ջեռուցում):

Ջերմային հաղորդունակության շնորհիվ ջերմության փոխանցման ինտենսիվությունը կախված է ջերմաստիճանի գրադիենտից, այսինքն. հարաբերություններ

Դ Տ/Դ x ջերմաստիճանի տարբերություն գավազանի ծայրերում մինչև դրանց միջև եղած հեռավորությունը: Դա կախված է նաև գավազանի խաչմերուկի տարածքից (մ 2 ) և նյութի ջերմային հաղորդունակությունը[ համապատասխան միավորներով W/(մ Ch K)] . Այս մեծությունների միջև կապը ստացվել է ֆրանսիացի մաթեմատիկոս Ժ. Ֆուրիեի կողմից և ունի հետևյալ ձևը.որտեղ ք ջերմային հոսք, կ ջերմահաղորդականության գործակից, և Ա խաչմերուկի տարածքը. Այս հարաբերությունը կոչվում է ջերմահաղորդման Ֆուրիեի օրենք; Դրանում մինուս նշանը ցույց է տալիս, որ ջերմությունը փոխանցվում է ջերմաստիճանի գրադիենտին հակառակ ուղղությամբ:

Ֆուրիեի օրենքից հետևում է, որ ջերմային հոսքը կարող է կրճատվել՝ նվազեցնելով մեծություններից մեկը ջերմահաղորդականության գործակիցը, մակերեսը կամ ջերմաստիճանի գրադիենտը։ Ձմեռային պայմաններում շենքի համար վերջին արժեքները գործնականում հաստատուն են, և, հետևաբար, սենյակում ցանկալի ջերմաստիճանը պահպանելու համար մնում է նվազեցնել պատերի ջերմային հաղորդունակությունը, այսինքն. բարելավել դրանց ջերմամեկուսացումը.

Աղյուսակում ներկայացված են որոշ նյութերի և նյութերի ջերմահաղորդականության գործակիցները: Աղյուսակը ցույց է տալիս, որ որոշ մետաղներ շատ ավելի լավ են փոխանցում ջերմությունը, քան մյուսները, բայց բոլորն էլ շատ ավելի լավ ջերմահաղորդիչներ են, քան օդը և ծակոտկեն նյութերը:

ՈՐՈՇ ՆՅՈՒԹԵՐԻ ԵՎ ՆՅՈՒԹԵՐԻ ՋԵՐՄԱհաղորդականություն
Նյութեր և նյութեր	Ջերմային հաղորդունակություն, W / (m × K)

Ալյումինե
Բրոնզ
Բիսմութ
Վոլֆրամ
Երկաթ
Ոսկի
Կադմիում
Մագնեզիում
Պղինձ
Արսեն
Նիկել
Պլատին
Մերկուրի
Առաջնորդել
Ցինկ
Այլ նյութեր
Ասբեստ
Բետոն
Օդ
Eider ներքեւ (չամրացված)
Ծառի ընկույզ)
Մագնեզիա (MgO)
Թեփ
Ռետին (սպունգ)
Միկա
Ապակի
Ածխածին (գրաֆիտ)

Մետաղների ջերմահաղորդականությունը պայմանավորված է բյուրեղային ցանցի թրթռումներով և շարժմամբ մեծ թվովազատ էլեկտրոններ (երբեմն կոչվում են էլեկտրոնային գազ): Էլեկտրոնների շարժումը նույնպես պատասխանատու է մետաղների էլեկտրական հաղորդունակության համար, և, հետևաբար, զարմանալի չէ, որ ջերմության լավ հաղորդիչները (օրինակ՝ արծաթը կամ պղինձը) նույնպես էլեկտրական հոսանքի լավ հաղորդիչներ են։

Շատ նյութերի ջերմային և էլեկտրական դիմադրությունը կտրուկ նվազում է, երբ ջերմաստիճանը իջնում է հեղուկ հելիումի ջերմաստիճանից (1,8 Կ): Այս երևույթը, որը կոչվում է գերհաղորդականություն, օգտագործվում է բազմաթիվ սարքերի արդյունավետությունը բարելավելու համար՝ միկրոէլեկտրոնային սարքերից մինչև էլեկտրահաղորդման գծեր և մեծ էլեկտրամագնիսներ: տես նաեւԳԵՐհաղորդունակություն.

Կոնվեկցիա. Ինչպես արդեն ասացինք, հեղուկի կամ գազի վրա ջերմություն կիրառելիս մոլեկուլների շարժման ինտենսիվությունը մեծանում է, և արդյունքում ճնշումը մեծանում է։ Եթե հեղուկը կամ գազը ծավալով սահմանափակված չեն, ապա դրանք ընդլայնվում են. հեղուկի (գազի) տեղական խտությունը նվազում է, և լողացող (արքիմեդյան) ուժերի պատճառով միջավայրի տաքացած մասը շարժվում է դեպի վեր (այդ պատճառով սենյակի տաք օդը մարտկոցներից բարձրանում է առաստաղ): Այս երեւույթը կոչվում է կոնվեկցիա։ Ջեռուցման համակարգի ջերմությունը իզուր չվատնելու համար հարկավոր է օգտագործել ժամանակակից տաքացուցիչներ, որոնք ապահովում են օդի հարկադիր շրջանառություն։

Կոնվեկտիվ ջերմային հոսքը ջեռուցիչից դեպի տաքացվող միջավայր կախված է մոլեկուլների սկզբնական արագությունից, խտությունից, մածուցիկությունից, ջերմային հաղորդունակությունից և ջերմային հզորությունից և միջավայրից. Շատ կարևոր է նաև ջեռուցիչի չափը և ձևը: Համապատասխան մեծությունների հարաբերակցությունը ենթարկվում է Նյուտոնի օրենքին

q = հա ( Թ Վ- TҐ ), որտեղ ք ջերմային հոսք (չափված վտտներով), Ա ջերմության աղբյուրի մակերեսը (մ 2), Թ Վև Տ աղբյուրի և դրա շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը (կելվիններով): Կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցման գործակիցը հ կախված է միջավայրի հատկություններից, նրա մոլեկուլների սկզբնական արագությունից, ինչպես նաև ջերմության աղբյուրի ձևից և չափվում է Վտ/(մ) միավորներով։ 2 ժ TO):

Արժեք

հ նույնը չէ այն դեպքերում, երբ ջեռուցիչի շուրջ օդը անշարժ է (ազատ կոնվեկցիա) և երբ նույն ջեռուցիչը օդի հոսքում է (հարկադիր կոնվեկցիա): Խողովակի միջով հեղուկի հոսքի կամ հարթ մակերևույթի շուրջ հոսքի պարզ դեպքերում գործակիցը հ կարելի է տեսականորեն հաշվարկել։ Այնուամենայնիվ, դեռևս չի հաջողվել վերլուծական լուծում գտնել միջավայրի տուրբուլենտ հոսքի համար կոնվեկցիայի խնդրին։ Տուրբուլենտությունը հեղուկի (գազի) բարդ շարժում է՝ քաոսային այնպիսի մասշտաբով, որը զգալիորեն գերազանցում է մոլեկուլայինները։

Եթե տաքացվող (կամ, ընդհակառակը, սառը) մարմինը տեղադրվում է անշարժ միջավայրում կամ հոսքի մեջ, ապա դրա շուրջ առաջանում են կոնվեկտիվ հոսանքներ և սահմանային շերտ։ Այս շերտի մոլեկուլների ջերմաստիճանը, ճնշումը և արագությունը կարևոր դեր են խաղում կոնվեկտիվ ջերմափոխադրման գործակիցը որոշելու համար։

Կոնվեկցիան պետք է հաշվի առնել ջերմափոխանակիչների, օդորակման համակարգերի, բարձր արագությամբ ինքնաթիռների և շատ այլ կիրառությունների նախագծման ժամանակ: Բոլոր նման համակարգերում ջերմության փոխանցումը տեղի է ունենում կոնվեկցիայի հետ միաժամանակ, ինչպես պինդ մարմինների, այնպես էլ նրանց միջավայրում: ժամը բարձր ջերմաստիճաններՃառագայթային ջերմության փոխանցումը նույնպես կարող է էական դեր խաղալ:

Ճառագայթային ջերմության փոխանցում: Ջերմային փոխանցման ճառագայթային ջերմափոխանակման երրորդ տեսակը տարբերվում է ջերմային հաղորդակցությունից և կոնվեկցիայից նրանով, որ ջերմությունն այս դեպքում կարող է փոխանցվել վակուումի միջոցով: Նրա նմանությունը ջերմության փոխանցման այլ մեթոդների հետ այն է, որ դա պայմանավորված է նաև ջերմաստիճանի տարբերությամբ: Ջերմային ճառագայթումը տեսակներից մեկն է էլեկտրամագնիսական ճառագայթում. Նրա ռադիոալիքների, ուլտրամանուշակագույն և գամմա ճառագայթման այլ տեսակներ առաջանում են ջերմաստիճանի տարբերության բացակայության դեպքում:

Նկ. 8-ը ցույց է տալիս ջերմային (ինֆրակարմիր) ճառագայթման էներգիայի կախվածությունը ալիքի երկարությունից։ Ջերմային ճառագայթումը կարող է ուղեկցվել տեսանելի լույսի արտանետմամբ, սակայն դրա էներգիան փոքր է սպեկտրի անտեսանելի մասի ճառագայթման էներգիայի համեմատ։

Ջերմային հաղորդման և կոնվեկցիայի միջոցով ջերմության փոխանցման ինտենսիվությունը համաչափ է ջերմաստիճանին, իսկ ճառագայթային ջերմային հոսքը համաչափ է ջերմաստիճանի չորրորդ ուժին և ենթարկվում է Ստեֆան Բոլցմանի օրենքին։

որտեղ, ինչպես նախկինում, ք ջերմային հոսք (ջոուլներով վայրկյանում, այսինքն՝ Վտ-ով), Ա ճառագայթող մարմնի մակերեսը (մ 2), և T1 և T2 ճառագայթող մարմնի ջերմաստիճանը (կելվիններով) և շրջակա միջավայրը, որը կլանում է այդ ճառագայթումը: Գործակից ս կոչվում է Ստեֆան Բոլցմանի հաստատուն և հավասար է (5.66961± 0,00096) H 10 8 W / (m 2 H K 4): Ներկայացված օրենք ջերմային ճառագայթումվավեր է միայն իդեալական ռադիատորի համար, այսպես կոչված, սև մարմին: Ոչ մի իրական մարմին այդպիսին չէ, թեև հարթ սև մակերեսն իր հատկություններով մոտենում է բացարձակ սև մարմնին: Թեթև մակերեսները համեմատաբար թույլ են ճառագայթում: Բազմաթիվ «մոխրագույն» մարմինների իդեալականությունից շեղումը հաշվի առնելու համար Ստեֆան Բոլցմանի օրենքը նկարագրող արտահայտության աջ կողմում ներմուծվում է միասնությունից փոքր գործակից, որը կոչվում է արտանետում: Հարթ սև մակերեսի համար այս գործակիցը կարող է հասնել 0,98-ի, իսկ փայլեցված մետաղական հայելու համար այն չի գերազանցում 0,05-ը։ Համապատասխանաբար, ճառագայթման կլանման հզորությունը բարձր է սև մարմնի համար և ցածր՝ սպեկուլյար մարմնի համար:

Բնակելի և գրասենյակային տարածքները հաճախ ջեռուցվում են փոքր էլեկտրական ջերմային արտանետիչներով. նրանց պարույրների կարմրավուն փայլը տեսանելի է ջերմային ճառագայթման մոտ սպեկտրի ինֆրակարմիր մասի եզրին: Սենյակը տաքացվում է ջերմությամբ, որը տանում է հիմնականում ճառագայթման անտեսանելի, ինֆրակարմիր հատվածը։ Գիշերային տեսողության սարքերում

^ Տեսախցիկը օգտագործում է ջերմային ճառագայթման աղբյուր և IR-զգայուն ընդունիչ, որը թույլ է տալիս տեսնել մթության մեջ:

Արևը ջերմային էներգիայի հզոր արտանետող է. այն տաքացնում է Երկիրը նույնիսկ 150 միլիոն կմ հեռավորության վրա։ Արեգակնային ճառագայթման ինտենսիվությունը, որը տարեցտարի գրանցվում է երկրագնդի շատ մասերում տեղակայված կայանների կողմից, մոտավորապես 1,37 Վտ է։

/ մ 2 . Արեգակնային էներգիան Երկրի վրա կյանքի աղբյուրն է: Որոնումներ են կատարվում այն առավել արդյունավետ օգտագործելու ուղիների համար: Արևային մարտկոցներ են ստեղծվել տները տաքացնելու և կենցաղային կարիքների համար էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար։ ՋԵՐՄՈՒԹՅԱՆ ԴԵՐԸ ԵՎ ԴՐԱ ՕԳՏԱԳՈՐԾՈՒՄԸ Համաշխարհային ջերմության փոխանցման գործընթացները չեն կրճատվում մինչև արևային ճառագայթման միջոցով Երկիր տաքացնելը: Մթնոլորտի զանգվածային կոնվեկցիոն հոսանքները որոշում են եղանակային պայմանների ամենօրյա փոփոխություններն ամբողջ աշխարհում: Հասարակածային և բևեռային շրջանների միջև մթնոլորտի ջերմաստիճանի տարբերությունները, Երկրի պտույտի պատճառով Կորիոլիսի ուժերի հետ միասին, հանգեցնում են անընդհատ փոփոխվող կոնվեկցիոն հոսանքների, ինչպիսիք են առևտրային քամիները, ռեակտիվ հոսքերը և տաք և սառը ճակատները: տես նաեւԿԼԻՄԱ; ՕԴԵՐԵՎՈՒԹՅՈՒՆ ԵՎ ԿԼԻՄԱՏՈԼՈԳԻԱ.

Ջերմությունը գրեթե բոլոր արտադրական գործընթացների անփոխարինելի մասնակիցն է։ Նշենք դրանցից ամենագլխավորները, ինչպիսիք են մետաղների ձուլումն ու մշակումը, շարժիչների շահագործումը, սննդի արտադրությունը, քիմիական սինթեզը, նավթի վերամշակումը, տարբեր առարկաների արտադրությունը՝ աղյուսներից և սպասքից մինչև մեքենաներ և էլեկտրոնային սարքեր։

Ամենահայտնի ջերմային շարժիչներից մեկը գոլորշու տուրբինն է, որն իրականացնում է ժամանակակից էլեկտրակայաններում օգտագործվող Rankine ցիկլի մի մասը: Այս ցիկլի պարզեցված դիագրամը ներկայացված է նկ. 9. Գործող հեղուկ ջուրը վերածվում է գերտաքացած գոլորշու գոլորշու կաթսայում, որը տաքացվում է հանածո վառելիքի (ածուխ, նավթ կամ բնական գազ) այրման միջոցով: Գոլորշի բարձր ճնշումպտտում է գոլորշու տուրբինի լիսեռը, որը շարժում է էլեկտրաէներգիա արտադրող գեներատորը: Արտանետվող գոլորշին խտանում է հոսող ջրի միջոցով սառչելիս, որը կլանում է Ռանկինի ցիկլում չօգտագործված ջերմության մի մասը: Այնուհետև ջուրը սնվում է հովացման աշտարակ (սառեցման աշտարակ), որտեղից ջերմության մի մասն արտանետվում է մթնոլորտ: Կոնդենսատը հետ մղվում է գոլորշու կաթսա և ամբողջ ցիկլը կրկնվում է:

Ռանկինի ցիկլի բոլոր գործընթացները ցույց են տալիս վերը նկարագրված թերմոդինամիկայի սկզբունքները: Մասնավորապես, երկրորդ օրենքի համաձայն, էլեկտրակայանի կողմից սպառվող էներգիայի մի մասը պետք է ջերմության տեսքով ցրվի շրջակա միջավայրում։ Պարզվում է, որ հանածո վառելիքներում սկզբնապես պարունակվող էներգիայի մոտ 68%-ը կորչում է այս կերպ։ Էլեկտրակայանի արդյունավետության նկատելի բարձրացում կարելի է ձեռք բերել միայն գոլորշու կաթսայի ջերմաստիճանի բարձրացմամբ (որը սահմանափակվում է նյութերի ջերմակայունությամբ) կամ իջեցնելով այն միջավայրի ջերմաստիճանը, որտեղ անցնում է ջերմությունը, այսինքն. մթնոլորտ.

Մեկ այլ թերմոդինամիկ ցիկլ, որն ունի մեծ նշանակությունմեր մեջ Առօրյա կյանք, Rankin գոլորշի-կոմպրեսորային սառեցման ցիկլն է, որի դիագրամը ներկայացված է նկ. 10. Սառնարաններում և կենցաղային օդորակիչներում էներգիան մատակարարվում է դրսից՝ այն ապահովելու համար։ Կոմպրեսորը մեծացնում է սառնարանի ֆրեոնի, ամոնիակի կամ ածխածնի երկօքսիդի աշխատանքային նյութի ջերմաստիճանը և ճնշումը: Գերտաքացած գազը սնվում է կոնդենսատորի մեջ, որտեղ այն սառչում և խտացնում է՝ ջերմություն տալով շրջակա միջավայրին: Կոնդենսատորի վարդակներից դուրս եկող հեղուկը շնչափող փականի միջով անցնում է գոլորշիացնող սարք, և դրա մի մասը գոլորշիանում է, որն ուղեկցվում է ջերմաստիճանի կտրուկ անկմամբ։ Գոլորշիացնողը ջերմություն է վերցնում սառնարանի խցիկից, որը տաքացնում է աշխատանքային հեղուկը վարդակների մեջ; այս հեղուկը կոմպրեսորի կողմից մատակարարվում է կոնդենսատորին, և ցիկլը նորից կրկնվում է:

Սառեցման ցիկլը ցույց է տրված նկ. 10-ը կարող է օգտագործվել նաև ջերմային պոմպում: Նման ջերմային պոմպերը ամռանը ջերմություն են հաղորդում տաք մթնոլորտային օդին և բարելավում սենյակը, իսկ ձմռանը, ընդհակառակը, ջերմություն են վերցնում սառը օդից և տաքացնում սենյակը։

Միջուկային ռեակցիաները ջերմության կարևոր աղբյուր են այնպիսի նպատակների համար, ինչպիսիք են էներգիայի արտադրությունը և փոխադրումը: 1905 թվականին Ա.Էյնշտեյնը ցույց տվեց, որ զանգվածը և էներգիան փոխկապակցված են հարաբերություններով

E=mc2 , այսինքն. կարող են անցնել միմյանց մեջ: լույսի արագություն գ շատ մեծ՝ 300 հազար կմ/ հետ։ Սա նշանակում է, որ նույնիսկ փոքր քանակությամբ նյութը կարող է հսկայական քանակությամբ էներգիա ապահովել: Այսպիսով, 1 կգ տրոհվող նյութից (օրինակ՝ ուրան) տեսականորեն հնարավոր է ստանալ էներգիա, որը 1000 օրվա շարունակական աշխատանքի համար ապահովում է 1 ՄՎտ հզորությամբ էլեկտրակայանը։ տես նաեւԱՏՈՄԻ ԿԱՌՈՒՑՎԱԾՔԸ; ՎԱՌԱՌՆԱՑՈՂՆԵՐ ԵՎ ՎԱՌՆԱՑՈՂՆԵՐԻ ՏԵԽՆՈԼՈԳԻԱ; ԷԼԵԿՏՐԱՄԱԳՆԻՍԱԿԱՆ ՃԱՌԱԳԱՅԹՈՒՄ;ՋԵՐՄԱՓՈԽԱՆԻՉ; ՏՈՒՐԲԻՆ; ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՔԱՔԱԿԱՆՆԵՐԻ ՉԱՓՄԱՆ ՄԻԱՎՈՐՆԵՐ.ԳՐԱԿԱՆՈՒԹՅՈՒՆ Զեմանսկի Մ. Ջերմաստիճանը շատ բարձր է և շատ ցածր. Մ., 1968
Փոլ Ռ. Մեխանիկա, ակուստիկա և ջերմության ուսմունք. Մ., 1971
Սմորոդինսկի Յա.Ա. Ջերմաստիճանը. Մ., 1981
Ֆան Ջ. Մեքենաներ, էներգիա և էնտրոպիա. Մ., 1986
Atkins P.V. Կարգ ու անկարգություն բնության մեջ.Մ., 1987

Հեղուկ կալորիմետրեր

Այս տեսակի կալորիմետրը, որն առավել լայնորեն օգտագործվում է տեխնոլոգիայի մեջ, պարզ է դիզայնի մեջ և հեշտ է պահպանել: Արտաքին հրահրված ռեակցիայի արդյունքում առաջացած ջերմության քանակը սկզբում փոխանցվում է ռեակցիայի անոթ (որում տեղի է ունեցել ռեակցիան), ապա հեղուկ բաղնիք։ Լոգանքի հեղուկը շարունակաբար խառնվում է շարժիչի, բարձրացնող պտուտակի կամ պոմպերի միջոցով, ինչը արագացնում է ջերմաստիճանների հավասարեցումը։ Լոգարանը հնարավորինս ջերմամեկուսացված է (պաշտպանված) շրջակա միջավայրից։ Հեղուկ բաղնիքի ջերմաստիճանի փոփոխությունը հայտնաբերված ջերմության քանակի չափումն է: Ջեռուցվող զանգվածների ջերմունակությունը չպետք է չափազանց բարձր լինի, որպեսզի ապահովվի ջերմաստիճանի բավարար փոփոխություն և որպեսզի չափման գործընթացը շատ երկար չտեւի (որի պատճառով ջերմային կորուստները մեծանում են):

Նկար Հեղուկ կալորիմետրի սարք:

Շրջակա միջավայրի կայունության բարձր պահանջներով, հնարավոր է ամբողջ կալորիմետրը տեղադրել մեկ այլ լոգարանում և բարձր ճշգրտությամբ կայունացնել դրա ջերմաստիճանը, օգտագործելով հսկիչ հանգույց: Սա առաջին հերթին անհրաժեշտ է այն դեպքերում, երբ պահանջվում է փորձ անցկացնել շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից զգալիորեն տարբերվող ջերմաստիճանում:

Ցածր ջերմաստիճաններում (մինչև -150°C) վերլուծության համար հեղուկ ազոտն օգտագործվում է որպես հովացման միջավայր: Այս դեպքում անհրաժեշտ է ուշադրություն դարձնել այն փաստին, որ դրանք փոխելիս շրջակա խոնավ օդից սառնամանիքները չեն նստում նմուշների կամ նմուշի անոթների վրա, քանի որ դրա շերտը կարող է ազդել չափման գործընթացի վրա: Դրանից խուսափելու համար, երբ կալորիմետրը բաց է, նմուշը և նմուշի տարան մաքրվում են սառը ազոտային գազով:

Մետաղական մարմնի կալորիմետրեր

Մետաղական կալորիմետրի սարքի պատկերի սխեման:

Եթե պահանջվում է ավելի լայն ջերմաստիճանի տիրույթում կալորիմետրիկ ուսումնասիրություններ իրականացնել, ապա հեղուկ կալորիմետրերն այլևս հարմար չեն: Այս նպատակի համար հարմար մետաղական մարմնի կալորիմետրերում փոխանցվող ջերմության քանակությունը վերցնում է մետաղական բլոկը (արծաթ, պղինձ, ալյումին), որը սովորաբար գտնվում է շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում: Նման կալորիմետրը հիմնականում նախատեսված է c, J / (kg * K), հեղուկ և պինդ նյութերի տեսակարար ջերմային հզորությունը որոշելու համար։

Նմուշը նախ սառչում են կալորիմետրից դուրս սառնարանային կայանկամ ջեռուցվում է վառարանում և կայուն վիճակի հասնելուց հետո իջեցնում են (թափում) մետաղական բլոկի անցքի մեջ։ Գործողության մեթոդի համաձայն՝ նման սարքը կոչվում է ազատ անկման կալորիմետր, իսկ ըստ դրանում տեղի ունեցող թերմոդինամիկական պրոցեսների բնույթի՝ երբեմն կոչվում է տեղաշարժի կալորիմետր։

Այս խառնման ընթացքում նմուշից (m1, c1, ) պարամետրերով փոխանցվող ջերմության քանակը մետաղական բլոկ (m2, c2, ) առաջացնում է բլոկի ջերմաստիճանի չափելի փոփոխություն։ Սա հնարավորություն է տալիս որոշել նմուշի հատուկ ջերմային հզորության սովորաբար անհայտ արժեքը իդեալական պայմաններ(շրջակա միջավայրի հետ ջերմափոխանակության բացակայության դեպքում) արտահայտությունից.

Մետաղական բլոկը ինքնին գտնվում է տարհանված Dewar նավի մեջ, իսկ երբեմն էլ հեղուկ լոգարանում: Վերջին դեպքում, Ck կալորիմետրի ջերմային հզորությունը ստանալու համար, Cw բաղնիքի ջերմունակությունը պետք է ավելացվի C2 մետաղական բլոկի ջերմային հզորությանը.

CK=C2+CW=c2m2+cWmW:

ՉԱՓՄԱՆ ԿԱԼՈՐԻՄԵՏՐԻԿ ՄԵԹՈԴՆԵՐ

Ամենից հաճախ կալորիմետրերը օգտագործվում են մշտական միջավայրի պայմաններում: Սա առաջին հերթին վերաբերում է այրման կալորիմետրերի մեծամասնությանը, որոնցում արձագանքման ժամանակը շատ կարճ է: Մինչ կալորիմետրի ներքին մասերի ջերմաստիճանը փոխվում է ռեակցիայի պատճառով, շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը մնում է հաստատուն: Շատ դեպքերում ջերմաստիճանը վերահսկվում է: լոգանքն օգտագործվում է որպես միջավայր՝ արտաքին միջամտության չափված արժեքի վրա ազդեցությունից խուսափելու համար՝ սենյակում ջերմաստիճանի տատանումներ, ճառագայթում, նախագծեր և այլն։

Այս չափման սխեմայի առավելությունը սարքավորումների համեմատաբար ցածր արժեքն է, որը կարող է օգտագործվել կալորիմետրիկ չափումների գերակշռող մասը կատարելու համար: Հիմնական թերությունը պետք է համարել կալորիմետրի ջերմափոխանակությունը շրջակա միջավայրի հետ, ինչը բարդացնում է արդյունքների մեկնաբանումը։ Չափման այս մեթոդը միշտ կոչվում է իզոպերիբոլ (դիաթերմիկ): Ամեն դեպքում, այն չի կարելի անվանել իզոթերմ, որի էությունը կայանում է նրանում, որ կալորիմետրի ջերմաստիճանը ռեակցիայի ընթացքում մնում է հաստատուն, ինչպես, օրինակ, կալորիմետրերը, որոնք նախատեսված են ֆազային փոխակերպումները չափելու համար:

ադիաբատիկ մեթոդ

Եթե հնարավոր է բացառել ջերմափոխանակությունը շրջակա միջավայրի հետ, այսինքն՝ ապահովել գործընթացի ադիաբատիկ ընթացքը, ապա փորձարկումն ու արդյունքների մեկնաբանումը պարզեցված են, իսկ չափման արդյունքն ավելի ճշգրիտ է, քանի որ կարիք չկա անընդհատ գրանցել։ ջերմաստիճանի փոփոխություններ և հաշվարկել ուղղումները: Բացի այդ, այս դեպքում կարելի է հանդուրժել ջերմաստիճանի փոքր-ինչ ավելի մեծ աճ կալորիմետրային անոթում. ոչ ադիաբատիկ սարքերի համար դա անընդունելի է ջերմային կորուստների ավելացման պատճառով:

Կալորիմետրային նավի և նրա անմիջական շրջակայքի (սովորաբար հեղուկ բաղնիքի) միջև ջերմության փոխանցումից խուսափելու համար լոգանքի ջերմաստիճանը պետք է մշտապես ճշգրտվի՝ համաձայն նավի ներսում ջերմաստիճանի փոփոխության: Էլեկտրոնային կարգավորիչի (հետագծող սխեմայի) օգնությամբ հնարավոր է մշտապես պահպանել այդ ջերմաստիճանների տարբերությունը գործնականում զրոյի։ Սա մեծացնում է չափիչ սարքավորումների արժեքը՝ կախված չափման պահանջվող ճշգրտությունից:

Սարքավորումների տարրերը պետք է լինեն արագ և կայուն երկար ժամանակ (ունեն նվազագույն շեղում): Հետևման կառավարման օղակի մեռած գոտին պետք է լինի ±10-3-ից մինչև ±10-5 Կ միջակայքում: Որպես չափիչ սարքեր կարող եք օգտագործել ցանկացած արագ արձագանքող էլեկտրական կոնտակտային ջերմաչափեր, որոնք, երբ ներառված են կամրջի միացումում, տալիս են. Ջեռուցման հզորությունը փոխելու վերահսկիչի իմպուլսը: Ջեռուցումն իրականացվում է կա՛մ էլեկտրական դիմադրության կծիկի միջոցով, կա՛մ ուղղակիորեն հեղուկ բաղնիքում, որը թույլ տարանջատման պատճառով (այսպես կոչված, էլեկտրոլիտիկ ջեռուցում) գործում է որպես տաքացնող դիմադրություն։ Այս երկրորդ մեթոդը գործնականում առանց իներցիա է: Արդյունքը կարելի է ստանալ՝ օգտագործելով էլեկտրական ջերմաստիճանի չափման արդեն գոյություն ունեցող միջոցները կամ օգտագործելով լրացուցիչ տեղադրված հեղուկ ջերմաչափ (Beckmann):

Ադիաբատիկ չափման մեթոդը հարմար է հիմնականում դանդաղ գործընթացների և ջերմային էֆեկտների ուսումնասիրության համար։ Ջերմության քանակի արագ փոփոխություններով (այրման կալորիմետրերով) ջերմաստիճանի հավասարեցման իներցիան այնպիսի անբարենպաստ ազդեցություն է ունենում, որ նույնիսկ սովորական ոչ ադիաբատիկ մեթոդների ճշգրտությունը չի հասնում: Այնուամենայնիվ, ապահովելով ջեռուցման տարրերի և ջերմաստիճանի տվիչների ցածր ջերմային հզորություն և լոգանքի հեղուկի ինտենսիվ խառնում իրականացնելով, հնարավոր է ստանալ տարբեր ժամանակային հաստատունների փոքր արժեքներ (իներցիան նվազեցնելու համար):

Փոխհատուցման մեթոդ

Օգտագործելով դիֆերենցիալ կամ երկակի կալորիմետրեր՝ հիմնված փոխհատուցման սկզբունքի վրա, հնարավոր է մեծապես վերացնել արտաքին ազդեցությունները չափման գործընթացի վրա: Նույն պայմաններով միջավայրում տեղադրվում են երկու միանման կալորիմետրիկ անոթներ՝ նույնական պարագաներով: Մի անոթում տեղի է ունենում ջերմային ազդեցությամբ հետազոտվող պրոցեսը, իսկ մյուս անոթը տաքացվում է սերվո հսկողության համակարգի օգնությամբ այնպես, որ շրջակա միջավայրի ջերմության կորուստը երկու անոթների համար նույնն է: Հետևաբար, մուտքային ջեռուցման հզորությունը կարող է ուղղակիորեն համեմատվել ուսումնասիրվող գործընթացի ընթացքում թողարկված ջերմության քանակին: Այս դեպքում չափման փորձարարական առաջադրանքը գնում է մեկ այլ տարածք և կրճատվում է մատակարարվող էլեկտրական ջեռուցման հզորության շատ ճշգրիտ որոշմանը (W * s, J).

Դիֆերենցիալ կալորիմետրն օգտագործվում է, մասնավորապես, ադիաբատիկ միջավայրի պայմաններում, հատկապես երբ ջերմության քանակի շատ փոքր կամ շատ դանդաղ փոփոխություններ են սպասվում: Էնդոթերմային պրոցեսներում բավական է ունենալ մեկ կալորիմետրիկ անոթ։ Ջերմային ներածումը վերահսկվում է այնպես, որ անոթի ջերմաստիճանը մշտապես մնում է նույնը (իզոթերմային մեթոդ): Դիֆերենցիալ կալորիմետրերի թերությունը սարքավորումների և չափիչ գործիքների բարձր արժեքն է:

Այրման կալորիմետրեր

Ջերմաէլեկտրակայաններում օգտագործվող վառելիքը հետազոտվում է դրա կալորիականությունը H (Ջ/կգ) որոշելու համար: Այս ցուցանիշը անհրաժեշտ է արդյունավետության գործակիցները որոշելու, տարբեր կայանքներում սպառվող էներգիայի արդյունավետությունն ու հաշվարկները ուսումնասիրելու, ինչպես նաև այրման գործընթացի օպտիմալ վերահսկման համար: Այրվող բաղադրիչների բաղադրության զգալի տատանումները հաճախ պահանջում են ջերմային արժեքի շարունակական որոշում:

Երբ նյութն ամբողջությամբ այրվում է, անջատվում է որոշակի քանակությամբ ջերմություն Q (այրման ջերմություն): Եթե այն բաժանենք m զանգվածի վրա (կամ Vn ծավալի նորմալ պայմաններում), ապա կստանանք այրման (հատուկ) ջերմությունը.

Կախված այրման արտադրանքի վիճակից՝ առանձնանում են կալորիականության երկու տեսակ՝ բարձր H0 և ցածր H, որոնք կոչվում են նաև այրման ջերմություն և ջերմային արժեք։ Ni-ի զուտ ջերմային արժեքը որոշելիս ընթացքում առաջացած ջուրը քիմիական ռեակցիաներպետք է լինի գոլորշի վիճակում: Երկու տաքացումների միջև տարբերությունը H0 - Ni համապատասխանում է խտացրած ջրի գոլորշիացման ջերմությանը (ինդեքս KO - կոնդենսատ) r, որը հավասար է 2,441 ՄՋ / կգ:

Պինդ և հեղուկ վառելանյութերի դեպքում ստացված ջրի քանակը կարող է որոշվել տարրական անալիզների հիման վրա, իսկ գազային վառելանյութեր այրելիս՝ չափելով կոնդենսատի քանակը։

Արդյունաբերական վառարաններում այրման արտադրանքի ջերմաստիճանը միշտ գերազանցում է ջրի եռման կետը: Հետևաբար, միայն Ni-ի զուտ ջերմային արժեքը սովորաբար հետաքրքրություն է ներկայացնում, քանի որ ջրի խտացման ջերմությունը չի կարող օգտագործվել:

Այրման կալորիմետրեր պինդ և հեղուկների համար

Արագ այրման պրոցեսների համար մշակվել է հեղուկ կալորիմետրի հատուկ ձև՝ այսպես կոչված Բերթելոտի կալորիմետրիկ ռումբը (նկ. 3):

Նկար Կալորիմետրիկ ռումբի սարքը:

Նյութի փոքր, ճշգրիտ չափված քանակի այրումը տեղի է ունենում հաստատուն ծավալով կնքված ռումբում հնարավորինս մաքուր թթվածնի մթնոլորտում ~30 ատմ (3 ՄՊա) ճնշման տակ: Լցված ռումբը տեղադրվում է կալորիմետրի հեղուկ լոգարանում, որը կլանում է այրման արձակված ջերմությունը։

Պինդ նյութերսովորաբար սեղմվում են փոքր բրիկետների (պլանշետների) մեջ և շատ ճշգրիտ կշռում: Ցանկալի է վատ այրվող նյութերը խառնել լավ այրվող հեղուկների հետ՝ այրման հայտնի ջերմությամբ (օրինակ՝ բենզոյան թթու): Հեղուկ նյութերը տեղադրվում են պլատինից կամ քվարցից պատրաստված գավաթների (նավակների) կամ փոքր պլաստիկ պարկուճների մեջ։ Կափարիչի վրա՝ պտուտակավորված ռումբի մարմնին, կան հետազոտության համար անհրաժեշտ բոլոր սարքերը՝ թթվածին մատակարարելու և այրման արտադրանքը հեռացնելու փականներ, նմուշների պահակներ և էլեկտրական բռնկիչ: Բոցավառումն իրականացվում է բարակ պլատինե մետաղալարին էլեկտրաէներգիա մատակարարելու միջոցով: Բոցավառման համար մատակարարվող ջերմությունը պետք է ճշգրիտ չափվի, որպեսզի այն հնարավոր լինի հաշվի առնել փորձի արդյունքները վերծանելիս: Կալորիմետրիկ ռումբում որոշվում է ամենաբարձր ջերմային արժեքը H0: Ստուգման ընթացքում Ck կալորիմետրի ջերմային համարժեքը որոշվում է հղման նյութի (օրինակ՝ բենզոյական թթու) այրման կամ էլեկտրական ջեռուցման սարքի միջոցով:

Այրման կալորիմետր գազային նյութերի համար

Գազային միջավայրի այրման ջերմությունը որոշելու համար կան տարբեր մեթոդներ. Դրանք բոլորը, ի տարբերություն պինդ և հեղուկ նյութերի կալորիմետրիկ ռումբի, հիմնված են շարունակական չափումների վրա։ Օգտագործված չափման սկզբունքը բավականին պարզ է. Փորձարկման գազը անընդհատ այրվում է այրիչում մշտական ճնշման տակ: Այրման ընթացքում արտանետվող ողջ ջերմությունը կլանում է կամ հովացման միջավայրի հոսքը ջերմափոխանակիչում (թաց կամ ջերմափոխանակման կալորիմետր), կամ այրման արտադրանքը օդի հոսքի հետ խառնելով հայտնի հոսքի արագությամբ (չոր կամ խառնիչ կալորիմետր): Սովորաբար որոշել Hu-ի զուտ ջերմային արժեքը: H0 համախառն կալորիականությունը որոշելու համար անհրաժեշտ է խտացնել ծխատար գազերում պարունակվող ջրային գոլորշին (KO ինդեքսը): Իմանալով զանգվածային հոսքի արագությունները և ջերմաստիճանի տարբերությունը կալորիմետրի մուտքի (ինդեքսի e) և ելքի (a) կետերում, հնարավոր է հաշվարկել համապատասխան ջերմային արժեքը՝ օգտագործելով ջերմային հաշվեկշռի հավասարումը:

Պահանջվող գազի պատրաստումը հիմնականում նույնն է բոլոր գազի կալորիմետրերում: Այրվելուց առաջ գազը (G ինդեքսը) նախ մաքրվում է պինդ մեխանիկական կեղտից (ֆիլտրում) և խոնավացվում (խոնավությամբ հագեցվածությամբ՝ 100%), այնուհետև հասցվում է նախնական ճնշման սահմանված արժեքներին (օգտագործելով ճնշումը նվազեցնող միջոց։ փական) և հովացման միջավայրի ջերմաստիճանը (ինդեքս K) . Այրման համար անհրաժեշտ օդը (L ինդեքսը) նույնպես խոնավացվում է և հասցվում հովացման միջավայրի ջերմաստիճանի։

Կախված պահանջվող ճշգրտությունից և սարքավորման թույլատրելի ծախսերից՝ այս պայմաններից մի քանիսը կարող են չկատարվել: Կալորիմետրերը պետք է ստուգվեն հղման գազով (օրինակ՝ ջրածին)՝ կալորիմետրի իդեալական վիճակի հավասարումից շեղումը որոշելու համար: Ջերմափոխանակման (խոնավ) կալորիմետրի համար վերը նշված հավասարումն ունի ձևը

որտեղ և են հովացման միջավայրի և վառելիքի զանգվածային հոսքի արագությունները, կգ/վ. sk - հովացման միջավայրի հատուկ ջերմային հզորություն, J / (kg * K); - հովացման միջավայրի ջերմաստիճանի բարձրացում, Կ.

Նկար Գազային վառելիքի թաց (ա) և չոր (բ) կալորիմետրերի սարք:

Ջերմաստիճանի բարձրացումը սովորաբար կազմում է 5-15 Կ: Ջերմային մեծ զանգվածի պատճառով ջերմային փոխանցման կալորիմետրերն ունեն շատ երկար ժամանակի հաստատուն, որը կարող է լինել մինչև մի քանի րոպե: Հետևաբար, դրանք ավելի քիչ հարմար են փակ կառավարման օղակում որպես սենսոր օգտագործելու համար, քան չոր (խառնող) կալորիմետրերը, որոնց ժամանակի հաստատունը ընդամենը մի քանի վայրկյան է: Մյուս կողմից, ջերմափոխանակման կալորիմետրերի հասանելի ճշգրտությունը համեմատաբար բարձր է: Դրանց սխալը չի գերազանցում ±0,25-1%-ը, ուստի դրանք կարող են օգտագործվել նաև լաբորատոր աշխատանքի և ստուգման համար։ Չոր կալորիմետրերը (խառնումը) ունեն չափման միջակայքի վերին սահմանի ±1-ից ±2% սխալ:

Տարբեր արտադրողների կալորիմետրերի նախագծման տարբերակները հիմնականում տարբերվում են օժանդակ և անվտանգության սարքերով, զգայական տարրերով և հաշվողական սխեմաներով, որոնք ապահովում են սխալների փոխհատուցում: Այսպիսով, ջերմափոխանակման կալորիմետրերում գազի և հովացման միջավայրի հոսքի արագության հարաբերակցությունը պահպանվում է տարբեր ձևերով (տե՛ս վերևում գտնվող կալորիմետրի հավասարումը), որի պատճառով H0 ավելի բարձր ջերմային արժեքը ուղղակիորեն կախված է միայն ջերմաստիճանի բարձրացումից:

Չոր կալորիմետրերում ջերմաստիճանի բարձրացումը չափվում է կամ ուղղակիորեն օգտագործելով էլեկտրական կոնտակտային ջերմաչափեր, կամ անուղղակիորեն օգտագործելով դիլատոմետրիկ սենսոր՝ ընդլայնվող խողովակ, որը գտնվում է արտանետվող գազերի հոսքում: ADOS կալորիմետրում դիլատոմետր խողովակի ջերմային երկարացումն ուղղակիորեն համապատասխանում է այրման ջերմությանը և կարող է փոխակերպվել ցանկացած ազդանշանի՝ կապի և երկարության չափիչի միջոցով: Reinecke կալորիմետրում գավազանի երկարացումը օգտագործվում է որպես չափիչ ազդանշան կառավարման միացումում, որը վերահսկում է հովացման օդի հոսքը այնպես, որ դրա ջերմաստիճանի բարձրացումը մնում է գրեթե անփոփոխ: Այս դեպքում հսկողության օղակը զուտ համամասնական է ստացվում, բայց որոշ մնացորդային շեղում դրանում անխուսափելի է։ Այս դեպքում սառեցնող օդի սպառումը կամ դիլատոմետրիկ խողովակի (ձողի) երկարացումը որոշված ջերմային արժեքի չափանիշ են: Բոլոր չոր կալորիմետրերում բավարար ճշգրտություն ստանալու նախապայման է հովացման օդի և այրման արտադրանքի լավ խառնումը:

ՋԵՐՄԻ ՀՈՍՔԻ ՉԱՓՈՒՄՆԵՐ

Ջերմությունը՝ որպես էներգիայի ձև, փոխանցվում է երեք եղանակով՝ պինդ մարմնի (ջերմային հաղորդման), հեղուկ կամ գազային միջավայրի (կոնվեկցիա) և առանց նյութի (ճառագայթման) միջոցով։ Տեխնոլոգիայում բոլոր երեք բաղադրիչները գրեթե միշտ ներգրավված են ջերմության փոխանցման մեջ. Այնուամենայնիվ, շատ դեպքերում հնարավոր է ընդունելի ճշգրտության արդյունքներ ստանալ միայն մեկ բաղադրիչի չափման միջոցով:

Չափում ջերմային հոսքջերմային հաղորդունակությամբ

Ջերմահաղորդիչ պատերի միջոցով ջերմության փոխանցումը մեծ նշանակություն ունի տեխնոլոգիայի բազմաթիվ ոլորտներում (բոլոր տեսակի ջերմափոխանակիչներ, ջերմամեկուսացում և այլն): Միևնույն ժամանակ, հետաքրքրություն է ներկայացնում ոչ այնքան արտադրության քանակների ընթացիկ հսկողությունը, որքան բեռը գնահատելու, երաշխավորված ցուցանիշների և արդյունավետության կատարումը ստուգելու համար օգտագործվող մեկ չափումների արդյունքները:

Անշարժ ջերմային հաղորդման օրենքների համաձայն, ջերմային հոսքը որոշվում է հետևյալ բանաձևերով (J/s).

Քանի որ [J/(m*s*K)] պատի ջերմային հաղորդունակությունը և նրա երկրաչափական չափերը հայտնի են, ջերմային հոսքի չափումը կրճատվում է մինչև ջերմաստիճանի տարբերությունը չափելու համար։ Այնուամենայնիվ, այս տեխնիկան պահանջում է մակերեսային ջերմաստիճանի շատ ճշգրիտ որոշում: Մակերեւույթների վրա ջերմաստիճանի զգայուն տարրերի տեղադրման ժամանակ ջերմափոխանակման պայմանների փոփոխության հետ կապված սխալները կարող են բավականին մեծ լինել: Հետևաբար, ավելի ճշգրիտ չափումների համար առաջարկվում են ստորև բերված մեթոդները, որոնցում միաժամանակ օգտագործվում են և՛ ջերմային հաղորդունակությունը, և՛ ջերմային փոխանցումը:

Ջերմային հոսքերի չափում ջերմության փոխանցման մեջ (ջերմային փոխանցումը զուգակցված ջերմային հաղորդման հետ)

Նախորդ բաժնում նշված հարթ պատի համար գործում է ջերմության փոխանցման հետևյալ օրենքը (J/s).

որտեղ ջերմային փոխանցման գործակիցը k 1J/(m2*s*K)] ջերմության փոխանցման գործակիցի հետ միասին [J/Dm*s*K)] ջերմափոխանակման գործակիցները և [J/(m2*s*K) հաշվի են առնվում նաև պատի երկու կողմերը։

Հարթ պատի վրա, որով անցնում է չափված ջերմային հոսքը, տեղադրվում է փոքր բարակ թիթեղ, որի մակերեսի ջերմաստիճանը որոշվում է ներկառուցված բարակ թաղանթով ջերմազույգներով։ Այս եղանակով չափման առավելությունն այն է, որ չի պահանջվում իմանալ պատի ջերմային հատկությունները, իսկ ափսեի համապատասխան հատկությունները կարող են կրճատվել մինչև մեկ հաստատուն արժեքի չափաբերման ժամանակ: Նման զգայուն տարրերը ունեն մոտավորապես 30x30x0.5 մմ չափսեր; չափման միջակայքը ներառում է ջերմային հոսքեր 10-ից մինչև 100,000 Վտ/մ2; սխալը 2-5% է։

Նկար Ջերմային հոսքաչափի աշխատանքի սկզբունքը:

Չափման այս մեթոդի կատարելագործմամբ վերադրված ափսեի փոխարեն օգտագործվում են ռետինե գորգեր: Սոսնձելով դրանք ոչ հարթ մակերևույթներին կամ փաթաթելով դրանք կոր մակերևույթի շուրջ՝ հնարավոր է որոշել ջերմության փոխանցումը համեմատաբար մեծ տարածքի մակերեսից, օրինակ՝ խողովակից, անոթից և այլն։ խսիրը այնպես, որ նրանց տաք և սառը հանգույցները տեղակայվեն ճիշտ մեկը մյուսի դեմ (նկ. 6): Եվ այս դեպքում ջերմային հոսքի խտությունը չափաբերմանը համապատասխան համաչափ է ջերմաստիճանի տարբերությանը։ Այնուամենայնիվ, կիրառվող գորգերը որոշակիորեն խաթարում են սկզբնական ջերմության փոխանցումը, որը նկատելի է դառնում ճշգրիտ չափումներով: Ուստի չափման այս մեթոդը հիմնականում օգտագործվում է նյութի թերմոդինամիկական հաստատունները որոշելու համար, երբ ջերմային հոսքի խախտումը չի ազդում չափման արդյունքի վրա։

Ջերմային հոսքերի չափում ընթացիկ միջավայրերում:

Ջերմային էներգիայի զգալի մասը փոխանցվում է փակ խողովակաշարային ցանցում շարժվող հեղուկ կամ գազային միջավայրերով (ջուր, գոլորշի և այլն)։ Այնուամենայնիվ, մետաղալարով էլեկտրական էներգիայի փոխանցման համեմատ, հեռավորությունը, որով կարող է փոխանցվել ջերմային էներգիան, սահմանափակ է: Ջեռուցման և սառնարանային համակարգերի բոլոր տեսակների ջերմատեխնիկական ուսումնասիրությունների համար անհրաժեշտ է չափել ջերմության արտանետումը և սպառումը:

Ջերմային հոսք F (J/s), streamedմիջին - հովացուցիչ նյութ (կգ / վ) որոշակի գոտում A (մ2) հսկիչ հատվածի տարածքով, որի համար ջերմային հաշվեկշիռը կազմված է (գործընթացի գոտում, Նկար 7), հավասար է.

t2 - t1 ժամանակային միջակայքում թողարկված ջերմության քանակը որոշվում է որպես ինտեգրալ (J).

որտեղ է ջերմային պարունակության տարբերությունը (էնթալպիաներ, Ջ/կգ) հովացուցիչ նյութի մուտքի (ինդեքս e) և ելքի (ինդեքս a) ջերմային հաշվեկշռի գոտում:

Քանի որ ընդհանուր դեպքում էնթալպիայի արժեքը հետաքրքրություն է ներկայացնում միայն որոշակի մակարդակի համեմատությամբ, օրինակ՝ շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում էթալպիայի դեպքում, ջերմային հոսքերի բոլոր չափումները ըստ էության տարբերության չափումներ են:

Ընդհանուր հավասարման մեջ ներառված առանձին էնթալպիաները կարող են արտահայտվել համապատասխան ջերմաստիճաններով և հատուկ ջերմային հզորություններով.

Այսպիսով, ջերմային հոսքի չափումը ուղղակիորեն կրճատվում է ջերմաստիճանի և զանգվածային հոսքի արագության չափմանը: Շատ դեպքերում չափվում է հովացուցիչի ոչ թե զանգվածը, այլ ծավալային հոսքը. այս դեպքում ստացված արդյունքը կտարբերվի միայն հովացուցիչ նյութի խտության արժեքով p. Հատուկ ջերմային հզորությունները՝ ci, ինքնին ջերմաստիճանի ֆունկցիաներ են։ Այնուամենայնիվ, շատ գործիքների չափման նեղ շրջանակի պատճառով դրանք սովորաբար կարող են համարվել հաստատուն արժեքներ՝ առանց ճշգրտության մեծ կորստի: Հատուկ ջերմային հզորությունը պետք է հայտնի լինի: Հեղուկների համար ջերմային հոսքի հավասարումը նույնիսկ ավելի պարզեցված է, քանի որ դրանց հատուկ ջերմային հզորությունները կախված չեն ճնշումից.

, Ջ/ս.

Այս տիպի բոլոր հավասարումներում անհրաժեշտ է հաշվի առնել քանակությունների նշանները՝ կախված ջերմության մատակարարման կամ հեռացման, գործընթացը էնդոթերմիկ կամ էկզոթերմային, սառեցման կամ տաքացման տեղի ունենալուց: