熱は、体の機能を含め、人間の生活において重要な役割を果たしています。 食物に含まれる化学エネルギーの一部が熱に変換されるため、体温は 37 付近に維持されます。

18世紀の終わりまで。 体の温度はそれに含まれる「カロリー液体」または「カロリー」の量によって決定されると信じて、熱は物質的な物質と考えられていました。 その後、B. ラムフォード、J. ジュール、その他の当時の物理学者は、巧妙な実験と推論を通じて「熱量」理論に反論し、熱には無重力があり、機械的な動きだけで任意の量を得ることができることを証明しました。 熱自体は物質ではなく、原子や分子の動きのエネルギーです。 現代の物理学が固執するのは、この熱の理解です。 こちらもご覧ください物理。

この記事では、熱と温度がどのように関係し、これらの量がどのように測定されるかを見ていきます。 私たちの議論の主題は、次の質問にもなります。体のある部分から別の部分への熱の伝達。 真空（物質を含まない空間）での熱伝達; 現代世界における熱の役割。

最もよく知られている方法の 1 つですが、触って温度を評価する方法としては最も正確ではありません。 私たちは物に触れて、それが熱いか冷たいかを自分の感覚で判断します。 もちろん、これらの感覚は私たちの体の温度に依存しているため、温度を測定する上で最も重要な概念の 1 つである熱平衡の概念に導かれます。

熱膨張に基づいて動作するもう 1 つのデバイスは、図 1 に示すバイメタル温度計です。

局所温度は通常、熱電対を使用して測定されます。熱電対は、一方の端がはんだ付けされた異種金属の 2 本のワイヤです (図 1)。

別の熱電効果も知られています - 導電性材料の抵抗の温度依存性です。 電気抵抗温度計の動作の根底にあるもので、そのうちの1つを図1に示します。

光高温計は、可視光を発する白熱体の温度を測定するために使用されます。 この装置の 1 つのバージョンでは、体から放射された光が、双眼鏡の焦点面に配置された白熱灯のフィラメントの放射と比較されます。 ランプのフィラメントを加熱する電流は、フィラメントと本体のグローを視覚的に比較して、それらの間に熱平衡が確立されていることが明らかになるまで変更されます。 デバイスのスケールは、温度の単位で直接目盛りを付けることができます。

近年の技術的進歩により、新しい温度センサーの作成が可能になりました。 例えば、特に高い感度が必要な場合は、熱電対や従来の測温抵抗体の代わりに、半導体デバイスであるサーミスタが使用されます。 相状態を変化させる色素や液晶は、特に体表面温度が広範囲に変化する場合に、熱変換器としても使用されます。 最後に、赤外線サーモグラフィを使用します。この方法では、物体の赤外線画像が条件付きの色で取得されます。各色は特定の温度に対応します。 この温度測定方法は、医療診断から部屋の断熱チェックまで、最も幅広い用途があります。 こちらもご覧ください固体の物理学; 液晶。

燃焼などの化学反応中に放出される熱量は、熱量計に小さな「爆弾」を配置することで測定できます。 「爆弾」には、点火用の電線が接続されたサンプルと、対応する量の酸素が含まれています。 サンプルが完全に燃え尽きて熱平衡が確立された後、熱量計内の水の温度がどれだけ上昇したか、つまり放出された熱の量が決定されます。 こちらもご覧ください熱量測定。

したがって、エネルギーはある形態から別の形態に変化する可能性があり、そのような変化が自然と技術で絶えず起こっていることは明らかです。 100 年以上前に、J. Joule は、図 1 に示すデバイスを使用して、機械エネルギーを熱エネルギーに変換する場合についてこれを証明しました。 6, a. この装置では、下降および上昇するおもりが、水で満たされた熱量計でブレード付きのシャフトを回転させ、その結果、水が加熱されました。 正確な測定により、ジュールは 1 カロリーの熱が 4.186 J の機械的仕事に相当することを決定することができました。 図に示すデバイス。

熱力学の第一法則は、多くの一般的な現象を説明しています。 たとえば、開いた冷蔵庫でキッチンを冷やすことができない理由が明らかになります。 キッチンを環境から断熱したとしましょう。 エネルギーは冷蔵庫の電源線を介してシステムに継続的に供給されますが、システムはエネルギーを放出しません。 したがって、その総エネルギーが増加し、キッチンが暖かくなります。冷蔵庫の背面にある熱交換器（コンデンサー）のチューブに触れるだけで、「冷却」デバイスとしての役に立たないことがわかります。 しかし、これらのパイプがシステムの外に持ち出された場合（たとえば、窓の外）、キッチンは受け取ったよりも多くのエネルギーを放出します。 冷やされ、冷蔵庫は窓用エアコンとして機能しました。

熱力学の第一法則は、エネルギーの生成または破壊を妨げる自然の法則です。 しかし、エネルギー伝達のプロセスが自然界でどのように進行するかについては何も述べていません。 したがって、これらの物体が接触すると、熱い物体が冷たい物体を加熱することがわかります。 しかし、冷たい体はそれ自体でその蓄熱量を熱い体に移すことができますか? 最後の機会熱力学第二法則によって断固として拒絶されます。

最初の法則は、係数を持つエンジンを作成する可能性も排除します 有用なアクション(効率) 100%以上 (類似)

「有用な」仕事を有用性の低いエネルギー熱に変える傾向は、異なるガスを含む2つの容器が接続されたときに発生する別のプロセスと比較できます. 十分に待った後、両方の容器でガスの均一な混合物がシステムの秩序を低下させるように作用することがわかりました。 この障害の熱力学的尺度はエントロピーと呼ばれ、熱力学の第 2 法則は別の方法で定式化できます。自然界のプロセスは、システムとその環境のエントロピーが増加するように常に進行します。 したがって、宇宙のエネルギーは一定のままですが、そのエントロピーは絶えず増加しています。

温度が上昇すると、分子の無秩序な動きの強度が増加し、ほとんどの物質は加熱されると膨張します。 温度が1 K上昇したときの物質の膨張の程度は、熱膨張係数と呼ばれます。

物質がある相状態から別の相状態へ、たとえば固体から液体へ (時にはすぐ​​に気体へ) 移行するためには、一定量の熱を受け取る必要があります。 固体を加熱すると、溶け始めるまで温度が上昇します。 融解が完了するまで、熱の供給にもかかわらず、体の温度は一定のままです。 物質の単位質量を溶かすのに必要な熱量は、融解熱と呼ばれます。 熱を供給し続けると、溶けた物質は沸騰するまで加熱されます。 特定の温度で単位質量の液体を蒸発させるのに必要な熱量は、蒸発熱と呼ばれます。

これらのアイデアに基づいて、統計的アプローチを使用して、マクスウェルは、後に彼にちなんで名付けられた、限られた体積内のガス分子の速度の分布を導き出しました。 この分布は、図にグラフで示されています。 温度 100 および 1000 で水素の特定の質量に対して 7

このような急速に移動する多数のガス分子は、周囲の物体に完全に測定可能な力で作用します。 多数のガス分子が容器の壁に衝突する微視的な力は、圧力と呼ばれる巨視的な量になります。 ガスにエネルギーが供給されると (温度が上昇する)、その分子の平均運動エネルギーが増加し、ガス粒子が壁に衝突する頻度が高くなり、圧力が上昇します。ガスの量が増えます。 このように、分子動力学理論の根底にある微視的統計的アプローチにより、これまで議論してきた熱膨張の現象を説明することが可能になります。

分子動力学理論のもう 1 つの結果は、上記の要件を満たすガスの特性を記述する法則です。 これがいわゆる状態方程式 理想気体 1モルのガスの圧力、体積、温度を結び、等式の形をしています

熱伝達には、伝導、対流、放射熱伝達の 3 つの主なタイプがあります。

熱伝導率による熱伝達の強さは、温度勾配に依存します。 関係

フーリエの法則から、熱伝導係数、面積、または温度勾配のいずれかの量を減らすことで熱流束を減らすことができることがわかります。 冬の状態の建物の場合、後者の値は実質的に一定であるため、部屋の温度を維持するために、壁の熱伝導率を下げる必要があります。 断熱性を向上させます。

この表は、いくつかの物質と材料の熱伝導率係数を示しています。 この表は、一部の金属が他の金属よりもはるかに熱を伝導することを示していますが、それらはすべて空気や多孔質材料よりもはるかに優れた熱伝導体です.

多くの物質の熱抵抗と電気抵抗は、温度が液体ヘリウムの温度 (1.8 K) を下回ると急激に低下します。 超電導と呼ばれるこの現象は、マイクロ電子デバイスから電力線、大型電磁石まで、多くのデバイスの効率を改善するために使用されます。 こちらもご覧ください超伝導性。

ヒーターから加熱された媒体への対流熱流は、分子の初速度、密度、粘度、熱伝導率と熱容量、および媒体に依存します。 ヒーターのサイズと形状も非常に重要です。 対応する量の比率はニュートンの法則に従います

価値

加熱された（または逆に冷たい）物体が静止媒体または流れの中に置かれると、対流と境界層がその周囲に形成されます。 この層内の分子の温度、圧力、および速度は、対流熱伝達係数を決定する上で重要な役割を果たします。

対流は、熱交換器、空調システム、高速航空機、その他多くのアプリケーションの設計において考慮する必要があります。 このようなすべてのシステムでは、熱伝導は固体間およびその環境の両方で対流と同時に発生します。 で 高温放射熱伝達も重要な役割を果たします。

図上。 図８は、波長に対する熱（赤外線）放射のエネルギーの依存性を示す。 熱放射は可視光の放出を伴うことがありますが、そのエネルギーはスペクトルの目に見えない部分の放射エネルギーと比較して小さいです。

熱伝導と対流による熱伝達の強さは温度に比例し、放射熱流束は温度の 4 乗に比例し、ステファン ボルツマンの法則に従います。

住宅やオフィスのスペースは、多くの場合、小型の電気ヒーターで加熱されています。 それらの渦巻きの赤みを帯びた輝きは、スペクトルの赤外線部分の端に近い目に見える熱放射です。 部屋は、主に放射の目に見えない赤外線部分によって運ばれる熱によって加熱されます。 暗視装置で

太陽は熱エネルギーの強力なエミッターです。 1 億 5000 万 km の距離でも地球を加熱します。 地球上の多くの場所にある観測所で毎年記録されている太陽放射の強度は、約 1.37 W です。

地球の溶融コアからその表面への熱の伝達 (熱伝導率による) は、火山噴火と間欠泉の出現につながります。 一部の地域では、暖房や発電に地熱エネルギーが使用されています。

熱は、ほぼすべての生産プロセスに不可欠な要素です。 金属の製錬と加工、エンジンの操作、食料生産、化学合成、石油精製、レンガや皿から自動車や電子機器に至るまで、さまざまな物の製造など、それらの中で最も重要なものに言及しましょう。

多くの工業生産と輸送、および火力発電所は、熱機関 (熱を有用な仕事に変換する装置) なしでは機能しません。 このような機械の例としては、コンプレッサー、タービン、蒸気、ガソリン、ジェット エンジンなどがあります。

最も有名な熱機関の 1 つは、現代の発電所で使用されるランキン サイクルの一部を実装する蒸気タービンです。 このサイクルの簡略図を図 1 に示します。 9. 作動流体の水は、化石燃料 (石炭、石油、または天然ガス) の燃焼によって加熱された蒸気ボイラーで過熱蒸気に変換されます。 蒸気 高圧電気を発生させる発電機を駆動する蒸気タービンのシャフトを回転させます。 排気蒸気は、ランキン サイクルで使用されなかった熱の一部を吸収する流水によって冷却されると凝縮します。 次に、水は冷却塔（冷却塔）に供給され、そこから熱の一部が大気中に放出されます。 凝縮液は蒸気ボイラーにポンプで戻され、サイクル全体が繰り返されます。

ランキン サイクルのすべてのプロセスは、上記の熱力学の原理を示しています。 特に、第 2 法則によれば、発電所で消費されるエネルギーの一部は、熱の形で環境に放散されなければなりません。 このようにして、化石燃料にもともと含まれていたエネルギーの約68％が失われていることが判明。 発電所の効率の顕著な向上は、蒸気ボイラーの温度を上げるか（材料の熱抵抗によって制限されます）、または熱が移動する媒体の温度を下げることによってのみ達成できます。 雰囲気。

を有する別の熱力学的サイクル 非常に重要私たちの中で 日常生活、ランキン蒸気圧縮機冷凍サイクルであり、その図を図1に示します。 10. 冷蔵庫や家庭用エアコンでは、エネルギーを外部から供給して提供しています。 コンプレッサーは、冷蔵庫のフレオン、アンモニア、または二酸化炭素の作動物質の温度と圧力を上昇させます。 過熱されたガスはコンデンサーに供給され、そこで冷却されて凝縮され、環境に熱を放出します。 凝縮器のノズルを出た液体は、絞り弁を通って蒸発器に入り、その一部が蒸発します。これには、温度の急激な低下が伴います。 蒸発器は冷凍室から熱を奪い、ノズル内の作動流体を加熱します。 この液体はコンプレッサーによってコンデンサーに供給され、サイクルが再び繰り返されます。

図に示す冷凍サイクル。 10はヒートポンプにも使用できます。 このようなヒートポンプは、夏は暖かい空気に熱を放出して室内を調湿し、冬は逆に冷たい空気から熱を奪って部屋を暖めます。

核反応は、発電や輸送などの目的のための重要な熱源です。 1905 年に、A. アインシュタインは、質量とエネルギーが次の関係によって関連付けられることを示しました。

液体熱量計

このタイプの熱量計は、テクノロジーで最も広く使用されており、設計がシンプルで保守が容易です。 外部から誘導された反応によって生成された熱量は、最初に反応容器 (反応が行われた) に伝達され、次に液体槽に伝達されます。 浴槽内の液体は、インペラー、昇降スクリュー、またはポンプによって連続的に攪拌され、温度の均一化が促進されます。 バスは可能な限り環境から断熱 (シールド) されています。 液体槽の温度変化は、検出された熱量の尺度です。 十分な温度変化を確保し、測定プロセスが長くなりすぎないようにするために (熱損失が増加するため)、加熱される質量の熱容量が高すぎてはなりません。

図 液体熱量計のデバイス。

周囲条件の一定性に対する高い要件により、熱量計全体を別の槽に配置し、制御ループを使用して高精度で温度を安定させることができます。 これは、周囲温度と大幅に異なる温度で実験を行う必要がある場合にまず必要です。

低温（約-150℃まで）での分析では、冷却媒体として液体窒素が使用されます。 この場合、それらを交換するときに、その層が測定プロセスに影響を与える可能性があるため、周囲の湿った空気からの霜がサンプルまたはサンプル容器に沈殿しないことに注意する必要があります。 これを避けるために、熱量計が開いているとき、サンプルとサンプル容器は冷たい窒素ガスでパージされます。

金属体熱量計

図 金属熱量計のデバイスのスキーム。

より広い温度範囲で熱量分析を行う必要がある場合、液体熱量計はもはや適していません。 この目的に適した金属体熱量計では、伝達される熱量は、通常周囲温度の金属ブロック (銀、銅、アルミニウム) によって吸収されます。 このような熱量計は、主に比熱容量c、J /（kg * K）、液体および固体物質を決定することを目的としています。

サンプルは、最初に熱量計の外で冷却されます。 冷凍プラントまたは炉で加熱し、定常状態に達した後、金属ブロックの穴に降ろします（落とします）。 操作方法によれば、このようなデバイスは自由落下熱量計と呼ばれ、その中の熱力学的プロセスの性質に応じて、変位熱量計と呼ばれることもあります。

この混合中にサンプル (パラメーター m1、c1、 ) から金属ブロック (m2、c2、 ) に伝達される熱量は、ブロックの温度に測定可能な変化を引き起こします。 これにより、サンプルの比熱容量の通常未知の値を決定することができます。 理想的な条件（環境との熱交換がない場合）式から：

金属ブロック自体は、真空のデュワー容器内にあり、場合によっては液体槽内にあります。 後者の場合、熱量計 Ck の熱容量を得るには、浴の熱容量 Cw を金属ブロック C2 の熱容量に追加する必要があります。

CK=C2+CW=c2m2+cWmW .

熱量測定法

ほとんどの場合、熱量計は一定の環境条件のモードで使用されます。 これは、反応時間が非常に短いほとんどの燃焼熱量計に最初に適用されます. 熱量計の内部部品の温度は反応によって変化しますが、周囲温度は一定のままです. 多くの場合、温度制御された外部干渉の測定値への影響を避けるために、環境としてバスが使用されます - 室内の温度変動、放射線、ドラフトなど。

この測定方式の利点は、熱量測定の大部分を実行するために使用できる機器のコストが比較的低いことです。 主な欠点は、結果の解釈を複雑にする環境との熱量計の熱交換を考慮する必要があります。 この測定方法は常に isoperibol (diathermic) と呼ばれます。 いずれにせよ、それは等温とは言えません。その本質は、例えば相転移を測定するように設計された熱量計のように、反応の過程で熱量計の温度が一定のままであるという事実にあります。

断熱法

環境との熱交換を排除できる場合、つまり、プロセスの断熱過程を確保することができれば、実験と結果の解釈が簡素化され、継続的に記録する必要がないため、測定結果がより正確になります。温度変化を計算し、補正を計算します。 さらに、この場合、熱量計容器内の温度が多少上昇しても許容できます。 非断熱デバイスの場合、熱損失が増加するため、これは受け入れられません。

熱量計容器とその周囲 (通常は液体浴) との間の熱伝達を避けるために、容器内の温度変化に応じて浴の温度を常に調整する必要があります。 電子コントローラー（追跡回路）の助けを借りて、これらの温度差を実質的にゼロに常に維持することができます。 これにより、必要な測定精度に応じて測定機器のコストが増加します。

ハードウェア要素は、高速で長時間安定している必要があります (ドリフトが最小限に抑えられている)。 トラッキング制御ループの不感帯は、±10-3 ～ ±10-5 K の範囲内にある必要があります。測定デバイスとして、ブリッジ回路に含まれている場合、応答の速い電気接触式温度計を使用できます。コントローラーへの衝動が加熱電力を変更します。 加熱は、電気抵抗コイルを使用するか、液体槽内で直接実行されます。これは、弱い解離による加熱抵抗器として機能します (いわゆる電解加熱)。 この 2 番目の方法は、実質的に慣性がありません。 結果は、既存の電気温度測定手段を使用するか、追加で設置された液体温度計 (Beckmann) を使用して取得できます。

断熱測定法は、主に遅いプロセスと熱効果の研究に適しています。 （燃焼熱量計での）熱量の急激な変化により、温度均一化の慣性は、従来の非断熱方法の精度でさえ達成できないほどの不利な効果をもたらします。 ただし、発熱体と温度センサーの熱容量を小さくし、浴液の集中的な混合を行うと、さまざまな時定数の小さな値を得ることができます（慣性を減らすため）。

補償方法

補償の原理に基づく示差熱量計またはデュアル熱量計を使用すると、測定プロセスに対する外部の影響を大幅に排除できます。 同一のアクセサリを備えた 2 つの同一の熱量測定容器が、同じ条件下の環境に置かれています。 一方の容器では、熱効果を伴う調査プロセスが発生し、もう一方の容器は、両方の容器の環境への熱損失が同じになるように、サーボ制御システムを使用して加熱されます。 したがって、入力加熱電力は、研究中のプロセス中に放出される熱量に正比例することができます。 この場合、測定の実験的タスクは別の領域に入り、供給された電気加熱電力（W * s、J）の非常に正確な決定に縮小されます。

示差熱量計は、特に断熱周囲条件下で、特に熱量の変化が非常に小さいか非常に遅いことが予想される場合に使用されます。 吸熱プロセスでは、熱量測定容器が 1 つあれば十分です。 熱入力は、容器内の温度が常に同じに保たれるように制御されます (等温法)。 示差熱量計の欠点は、機器や測定器のコストが高いことです。

燃焼熱量計

熱電設備で使用される燃料を調べて、その発熱量H（J/kg）を求めます。 この指標は、効率係数を決定し、さまざまな設備で消費されるエネルギーの効率と計算を研究し、燃焼プロセスを最適に制御するために必要です。 可燃性成分の組成が大きく変動する場合は、発熱量を継続的に測定する必要があります。

物質が完全に燃焼すると、一定量の熱Q（燃焼熱）が放出されます。 それを質量 m (または通常の状態での体積 Vn) で割ると、(比) 燃焼熱が得られます。

燃焼生成物の状態により、高H0と低Hの2種類の発熱量が区別され、燃焼熱や発熱量とも呼ばれます。 Ni の正味の発熱量を決定する際に、生成された水 化学反応蒸気状態でなければなりません。 両方の熱 H0 - Ni の差は、凝縮水の気化熱 (インデックス KO - 凝縮液) r に対応し、これは 2.441 MJ / kg に相当します。

固体燃料と液体燃料の場合、結果として生じる水の量は、元素分析に基づいて決定できます。また、気体燃料を燃焼させる場合は、凝縮物の量を測定することによって決定できます。

工業炉では、燃焼生成物の温度は常に水の沸点を超えています。 したがって、水の凝縮熱は使用できないため、通常は正味発熱量 Ni のみが重要です。

固体と液体の燃焼熱量計

高速燃焼プロセスのために、特別な形式の液体熱量計が開発されました-いわゆるBerthelot熱量計ボンベ（図3）。

Figure カロリメトリック爆弾の装置。

正確に測定された少量の物質の燃焼は、密閉されたボンベ内で、圧力が約 30 気圧 (3 MPa) の可能な限り純粋な酸素の雰囲気内で一定の体積で発生します。 充填されたボンベは熱量計の液体槽に入れられ、放出された燃焼熱を吸収します。

固体通常、小さなブリケット (錠剤) に圧縮され、非常に正確に計量されます。 燃焼しにくい物質と、既知の燃焼熱を持つよく燃焼する液体（安息香酸など）を混合することをお勧めします。 液体物質は、プラチナまたはクォーツで作られたカップ（ボート）または小さなプラスチックカプセルに入れられます。 爆弾の本体にボルトで固定されたカバーには、研究に必要なすべてのデバイスがあります。酸素を供給し、燃焼生成物を除去するためのバルブ、サンプルホルダー、電気点火器です。 点火は細い白金線に通電することで行います。 点火に供給される熱は、実験結果を解読する際に考慮できるように、正確に測定する必要があります。 熱量爆弾では、最高発熱量 H0 が決定されます。 検証中、熱量計 Ck の熱当量は、参照物質 (安息香酸など) を燃焼させるか、電気加熱装置を使用して決定されます。

ガス状物質の燃焼熱量計

気体媒体の燃焼熱を決定するには、さまざまな方法があります。 それらはすべて、固体および液体物質の比色爆弾とは対照的に、連続測定に基づいています。 使用される測定原理は非常に単純です。 テストガスは、一定の圧力でバーナーで連続的に燃焼されます。 燃焼中に放出されるすべての熱は、熱交換器内の冷却媒体の流れによって (湿式または熱交換熱量計)、または既知の流量で燃焼生成物を空気流と混合することによって (乾式または混合熱量計) 吸収されます。 通常、正味の発熱量 Hu を決定します。 総発熱量 H0 を求めるには、排ガスに含まれる水蒸気 (指数 KO) を凝縮する必要があります。 熱量計の入口 (インデックス e) と出口 (インデックス a) での質量流量と温度差がわかれば、熱収支方程式を使用して対応する発熱量を計算することができます。

必要なガス準備は、基本的にすべてのガス熱量計で同じです。 燃焼前に、ガス（インデックスG）は最初に（フィルター内の）固体の機械的不純物が取り除かれ、湿らせられ（水分で飽和するまで、100％）、次に予備圧力の指定された値になります（減圧を使用）バルブ) と冷却媒体の温度 (インデックス K) 。 燃焼に必要な空気 (インデックス L) も加湿され、冷却媒体の温度になります。

必要な精度と許容される計測コストによっては、これらの条件の一部が満たされない場合があります。 熱量計は、熱量計の理想的な状態の方程式からの偏差を決定するために、基準ガス (水素など) で検証する必要があります。 熱交換 (湿式) 熱量計の場合、上記の式は次の形式になります。

ここで、 と は冷却媒体と燃料の質量流量、kg/s です。 sk - 冷却媒体の比熱容量、J / (kg * K); - 冷却媒体の温度の上昇、K.

図 気体燃料用の湿式 (a) および乾式 (b) 熱量計の装置。

温度上昇は通常 5 ～ 15 K です。熱量が大きいため、伝熱熱量計の時定数は非常に長く、最大で数分かかる場合があります。 したがって、時定数がわずか数秒の乾式 (混合) 熱量計よりも、クローズド制御ループでのセンサーとしての使用には適していません。 一方、熱交換熱量計の達成可能な精度は比較的高いです。 誤差は±0.25～1%を超えないため、実験室での作業や検証にも使用できます。 乾式熱量計（混合）は測定範囲上限の±1～±2％の誤差があります。

さまざまなメーカーの熱量計の設計バージョンは、主に補助デバイスと安全デバイス、検出要素、および誤差補正を提供する計算回路が異なります。 したがって、熱交換熱量計では、ガスと冷却媒体の流量の比率はさまざまな方法で維持されます (上記の熱量計の式を参照)。これにより、より高い発熱量 H0 は温度上昇のみに直接依存します。

乾式熱量計では、温度上昇は、電気接触温度計を使用して直接測定するか、膨張計センサー (排気ガス流に配置された膨張管) を使用して間接的に測定します。 ADOS熱量計では、膨張計チューブの熱伸びは燃焼熱に直接対応し、リンケージと長さゲージを使用して任意の信号に変換できます。 ライネッケ熱量計では、温度の上昇がほぼ一定に保たれるように冷却空気の流れを制御する制御回路で、ロッドの伸びが測定信号として使用されます。 この場合、制御ループは純粋に比例することがわかりますが、ある程度の残留偏差は避けられません。 この場合、冷却空気の消費量または膨張チューブ (ロッド) の伸びが、決定された発熱量の尺度となります。 すべての乾式熱量計で十分な精度を得るための前提条件は、冷却空気と燃焼生成物の良好な混合です。

熱流測定

エネルギーの形態としての熱は、固体 (熱伝導)、液体または気体媒体 (対流)、および物質の関与なし (放射) の 3 つの方法で伝達されます。 テクノロジーでは、ほとんどの場合、3 つのコンポーネントすべてが熱の伝達に関与しています。 ただし、多くの場合、1 つのコンポーネントのみを測定することで、許容できる精度の結果を得ることができます。

計測 熱流熱伝導率あり

熱伝導壁を介した熱伝達は、多くの技術分野 (あらゆる種類の熱交換器、断熱材など) で非常に重要です。 同時に、関心のあるのは生産量の現在の制御ではなく、負荷を評価し、保証された指標と効率の達成を検証するために使用される単一の測定の結果です。

定常熱伝導の法則によると、熱流束は次の式 (J/s) によって決定されます。

壁の熱伝導率 [J/(m*s*K)] とその幾何学的寸法が既知であるため、熱流束の測定は温度差の測定に還元されます。 ただし、この手法では、表面温度を非常に正確に測定する必要があります。 温度に敏感な要素を表面に取り付けるときの熱伝達条件の変化に関連するエラーは、非常に大きくなる可能性があります。 したがって、より正確な測定を行うには、熱伝導率と熱伝達を同時に使用する次の方法が推奨されます。

伝熱（熱伝導を伴う伝熱）における熱流の測定

前のセクションで説明した平らな壁の場合、次の熱伝達法則 (J/s) が有効です。

,

ここで、熱伝達係数 k 1J/(m2*s*K)]、熱伝達係数 [J/Dm*s*K)]、熱伝達係数および [J/(m2*s*K)壁の両側の ] も考慮されます。

測定された熱流束が通過する平らな壁に小さな薄いプレートが置かれ、その表面温度は内蔵の薄膜熱電対によって決定されます。 この方法で測定する利点は、壁の熱特性を知る必要がなく、対応するプレートの特性をキャリブレーション中に単一の一定値に減らすことができることです。 このような敏感な要素のサイズは約 30x30x0.5 mm です。 測定範囲は、10 ～ 100,000 W/m2 の熱流束をカバーします。 誤差は 2 ～ 5% です。

図 熱流束計の動作原理。

この測定方法の改良により、重ね板の代わりにゴムマットが使用されます。 それらを非平面に接着したり、曲面に巻き付けたりすることにより、パイプ、容器などの比較的広い面積の表面からの熱伝達を決定することができます。熱電対は両方の表面に組み込まれていますマットのホット ジャンクションとコールド ジャンクションが互いに正確に接するようにします (図 6)。 そしてこの場合、校正による熱流束密度は温度差に比例します。 ただし、適用されたマットは、正確な測定で目立つようになる初期の熱伝達をいくらか妨げます。 したがって、この測定方法は、熱流の違反が測定結果に影響を与えない場合に、主に物質の熱力学的定数を決定するために使用されます。

現在の環境における熱流の測定。

熱エネルギーの大部分は、閉じたパイプライン ネットワーク内を移動する液体または気体の媒体 (水、蒸気など) によって伝達されます。 ただし、電線による電気エネルギーの伝送と比較して、熱エネルギーを伝送できる距離は限られています。 あらゆるタイプの加熱および冷却システムの熱工学研究では、熱の放出と消費を測定する必要があります。

媒体の流れによって伝達される熱流束 F (J/s) - 熱収支がまとめられている特定のゾーン内の領域 A (m2) の制御セクションを通る熱媒体 (kg/s) (kg/s)プロセス ゾーン、図 7) は次のようになります。

時間間隔 t2 - t1 の間に放出される熱量は、積分 (J) として決定されます。

ここで、 は、熱平衡ゾーンの入口 (インデックス e) と出口 (インデックス a) での冷媒の熱量 (エンタルピー、J/kg) の差です。

一般に、エンタルピーの値は、たとえば周囲温度でのエンタルピーなど、特定のレベルと比較する場合にのみ重要であるため、熱流束のすべての測定値は本質的に差分測定値です。

一般式に含まれる個々のエンタルピーは、対応する温度と比熱容量で表すことができます。

したがって、熱流の測定は、温度と質量流量の測定に直接還元されます。 多くの場合、冷媒の質量ではなく体積流量が測定されます。 この場合、得られる結果は、冷媒密度 р の値だけ異なります。 比熱容量 ci は、それ自体が温度の関数です。 ただし、多くの機器の測定範囲が狭いため、通常、精度をあまり損なうことなく一定の値と見なすことができます。 比熱容量を知る必要があります。 液体の場合、熱流方程式はさらに単純化されます。 比熱容量圧力に依存しない:

、J/s。

このタイプのすべての方程式では、熱が供給されるか除去されるか、プロセスが吸熱か発熱か、冷却または加熱が発生するかどうかに応じて、量の符号を考慮する必要があります。