따뜻함은 신체 기능을 포함하여 인간의 삶에서 중요한 역할을 합니다. 음식에 함유된 화학에너지 중 일부는 열로 변환되어 체온을 37도 정도 유지합니다.

18세기 말까지. 열은 물질적인 물질로 간주되었으며, 신체의 온도는 신체에 포함된 "열량" 또는 "칼로리"의 양에 따라 결정된다고 믿었습니다. 나중에 B. Rumford, J. Joule 및 당시의 다른 물리학자들은 독창적인 실험과 추론을 통해 "칼로리" 이론을 반박하여 열은 무중력이며 단순히 기계적 움직임을 통해 어떤 양으로도 얻을 수 있음을 증명했습니다. 열 자체는 물질이 아니며 단지 원자나 분자의 운동 에너지일 뿐입니다. 이것이 바로 현대 물리학이 고수하는 열에 대한 이해입니다. 또한보십시오물리학.

이 기사에서는 열과 온도가 어떻게 관련되어 있는지, 그리고 이러한 양을 측정하는 방법을 살펴보겠습니다. 우리의 토론 주제는 다음과 같습니다: 신체의 한 부분에서 다른 부분으로 열이 전달되는 문제; 진공(물질이 포함되지 않은 공간)에서의 열 전달; 현대 사회에서 열의 역할.

온도를 평가하는 가장 일반적이지만 정확도가 가장 떨어지는 방법 중 하나는 접촉입니다. 물체를 만질 때 우리는 감각에 초점을 맞춰 그것이 뜨거운지 차가운지 판단합니다. 물론 이러한 감각은 우리 몸의 온도에 따라 달라지며, 이는 온도를 측정할 때 가장 중요한 것 중 하나인 열평형의 개념을 갖게 합니다.

열팽창을 기반으로 작동하는 또 다른 장치는 그림 1에 표시된 바이메탈 온도계입니다.

국소 온도는 일반적으로 한쪽 끝에 납땜된 두 개의 서로 다른 금속 와이어인 열전대를 사용하여 측정됩니다(그림 1).

또 다른 열전 효과도 알려져 있습니다. 즉, 온도에 대한 전도성 물질의 저항 의존성입니다. 이는 전기 저항 온도계의 작동에 기초가 되며, 그 중 하나가 그림 1에 나와 있습니다.

광학 고온계는 가시광선을 방출하는 뜨거운 물체의 온도를 측정하는 데 사용됩니다. 이 장치의 일 실시예에서, 몸체에 의해 방출된 빛은 방출 몸체가 보이는 쌍안경의 초점면에 배치된 백열 램프 필라멘트의 방출과 비교됩니다. 램프 필라멘트를 가열하는 전류는 필라멘트와 본체의 빛을 시각적으로 비교하여 둘 사이에 열 평형이 확립되었음을 알 수 있을 때까지 변경됩니다. 기기 스케일은 온도 단위로 직접 교정할 수 있습니다.

최근 몇 년간의 기술 발전으로 인해 새로운 온도 센서를 만드는 것이 가능해졌습니다. 예를 들어, 특히 높은 감도가 필요한 경우에는 열전대나 기존 저항 온도계 대신 반도체 장치인 서미스터가 사용됩니다. 상 상태를 바꾸는 염료와 액정도 열 변환기로 사용되며, 특히 신체 표면 온도가 광범위하게 변하는 경우 더욱 그렇습니다. 마지막으로 적외선 열화상 촬영이 사용되는데, 이는 각 색상이 특정 온도에 해당하는 가색으로 물체의 적외선 이미지를 생성합니다. 이 온도 측정 방법은 의료 진단부터 건물의 단열 점검까지 가장 폭넓게 적용됩니다. 또한보십시오고체물리학; 액체 크리스탈.

연소와 같은 화학 반응 중에 방출되는 열의 양은 열량계에 작은 "폭탄"을 배치하여 측정할 수 있습니다. "폭탄"에는 점화를 위해 전선이 연결된 샘플과 적절한 양의 산소가 들어 있습니다. 샘플이 완전히 연소되고 열평형이 설정된 후 열량계의 물 온도가 얼마나 증가했는지, 그에 따라 방출되는 열량이 결정됩니다. 또한보십시오열량 측정.

따라서 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 변형될 수 있으며 그러한 변형은 자연과 기술에서 끊임없이 발생한다는 것이 분명합니다. 100여 년 전 J. Joule은 그림 1에 표시된 장치를 사용하여 기계적 에너지를 열에너지로 변환하는 경우에 대해 이를 증명했습니다. 6, ㅏ. 이 장치에서는 하강 및 상승 중량이 물이 채워진 열량계의 블레이드가 있는 샤프트를 회전시켜 물을 가열합니다. 정확한 측정을 통해 주울은 1칼로리의 열이 4.186J의 기계적 일과 동일하다는 것을 결정할 수 있었습니다. 그림에 표시된 장치.

열역학 제1법칙은 일상의 많은 현상을 설명합니다. 예를 들어, 개방형 냉장고로 주방을 식힐 수 없는 이유가 분명해집니다. 주방을 환경으로부터 단열시켰다고 가정해 봅시다. 냉장고의 전원선을 통해 시스템에 에너지가 지속적으로 공급되지만 시스템은 에너지를 방출하지 않습니다. 따라서 총 에너지가 증가하고 주방이 점점 더 따뜻해집니다. 냉장고 뒷벽에 있는 열교환기(응축기) 튜브를 만지기만 하면 "냉각" 장치로서 쓸모가 없다는 것을 이해하게 될 것입니다. 그러나 이러한 튜브를 시스템 외부(예: 창 외부)로 가져가면 주방은 받은 것보다 더 많은 에너지를 방출합니다. 시원해지고 냉장고는 창문형 에어컨처럼 작동합니다.

열역학 제1법칙은 에너지의 생성과 파괴를 배제하는 자연의 법칙이다. 그러나 자연에서 에너지 전달 과정이 어떻게 일어나는지에 대해서는 아무 말도 하지 않습니다. 따라서 우리는 뜨거운 물체가 접촉하면 차가운 물체를 가열한다는 것을 알고 있습니다. 그러나 차가운 몸체가 스스로 열 보유량을 뜨거운 몸체로 전달할 수 있습니까? 마지막 기회열역학 제2법칙에 의해 명백히 거부된다.

첫 번째 법칙은 또한 계수를 사용하여 엔진을 생성할 가능성을 배제합니다. 유용한 행동(효율) 100% 이상 (비슷함)

"유용한" 일을 덜 유용한 에너지 열로 전환하는 경향은 서로 다른 가스를 담고 있는 두 용기가 연결될 때 발생하는 또 다른 과정과 비교할 수 있습니다. 충분히 기다린 후 두 용기 모두에서 균일한 가스 혼합물을 발견했으며 자연은 시스템의 순서가 감소하는 방식으로 작용합니다. 이 장애의 열역학적 척도를 엔트로피라고 하며, 열역학 제2법칙은 다르게 공식화될 수 있습니다. 자연의 과정은 항상 시스템과 환경의 엔트로피가 증가하는 방식으로 진행됩니다. 따라서 우주의 에너지는 일정하게 유지되지만 엔트로피는 지속적으로 증가합니다.

온도가 상승함에 따라 분자의 혼란스러운 움직임의 강도가 증가하며 대부분의 물질은 가열되면 팽창합니다. 온도가 1K 증가할 때 물질의 팽창 정도를 열팽창 계수라고 합니다.

물질이 한 상 상태에서 다른 상 상태로 이동하려면, 예를 들어 고체에서 액체로(때로는 직접 기체로) 특정 양의 열을 받아야 합니다. 고체를 가열하면 녹기 시작할 때까지 온도가 증가합니다. 녹는 것이 완료될 때까지 열을 가해도 체온은 일정하게 유지됩니다. 물질의 단위 질량을 녹이는 데 필요한 열량을 융해열이라고 합니다. 열을 더 가하면 녹은 물질이 가열되어 끓게 됩니다. 주어진 온도에서 단위 질량의 액체를 증발시키는 데 필요한 열량을 증발열이라고 합니다.

이러한 아이디어와 통계적 접근 방식을 사용하여 Maxwell은 제한된 부피에서 가스 분자의 속도 분포를 도출했으며 나중에 그의 이름을 따서 명명되었습니다. 이 분포는 그림 1에 그래픽으로 표시되어 있습니다. 7 온도 100과 1000에서 특정 질량의 수소에 대해

이렇게 빠르게 움직이는 수많은 가스 분자는 주변 물체에 상당히 측정 가능한 힘으로 작용합니다. 수많은 가스 분자가 용기 벽에 부딪히는 미세한 힘이 합쳐져서 압력이라는 거시적인 양이 됩니다. 가스에 에너지가 공급되면(온도가 상승) 분자의 평균 운동 에너지가 증가하고 가스 입자가 벽에 더 자주, 더 세게 부딪혀 압력이 증가하고 벽이 완전히 단단하지 않으면 늘어나서 부피가 늘어납니다. 가스의 증가. 따라서 분자 운동 이론의 기초가 되는 미시적 통계적 접근 방식을 통해 우리가 논의한 열팽창 현상을 설명할 수 있습니다.

분자운동론의 또 다른 결과는 위에 나열된 요구 사항을 만족하는 기체의 특성을 설명하는 법칙입니다. 이것이 소위 상태방정식이다. 이상기체기체 1몰의 압력, 부피, 온도를 연결하고 등식의 형태를 가집니다.

열 전달에는 전도, 대류, 복사 열 전달의 세 가지 주요 유형이 있습니다.

열전도율로 인한 열 전달 강도는 온도 구배에 따라 달라집니다. 관계

푸리에의 법칙에 따르면 열전도 계수, 면적 또는 온도 구배 중 하나를 줄임으로써 열 흐름을 줄일 수 있습니다. 겨울 조건의 건물의 경우 후자의 값은 실질적으로 일정하므로 실내의 원하는 온도를 유지하려면 벽의 열전도도를 줄여야합니다. 단열성을 향상시킵니다.

표는 일부 물질 및 재료의 열전도 계수를 보여줍니다. 표는 일부 금속이 다른 금속보다 열을 훨씬 더 잘 전도하지만 모두 공기 및 다공성 물질보다 열 전도율이 훨씬 더 우수하다는 것을 보여줍니다.

온도가 액체 헬륨 온도(1.8K) 아래로 떨어지면 많은 물질의 열적, 전기적 저항이 급격하게 감소합니다. 초전도성이라고 불리는 이 현상은 마이크로전자공학 장치부터 전력선, 대형 전자석에 이르기까지 많은 장치의 효율을 향상시키는 데 사용됩니다. 또한보십시오초전도성.

히터에서 가열 매체로의 대류 열 흐름은 분자의 초기 이동 속도, 밀도, 점도, 열전도율, 열용량 및 매체에 따라 달라집니다. 히터의 크기와 모양도 매우 중요합니다. 해당 수량 간의 관계는 뉴턴의 법칙을 따릅니다.

크기

가열된(또는 반대로 차가운) 물체가 고정 매체나 흐름에 배치되면 그 주위에 대류 흐름과 경계층이 형성됩니다. 이 층의 온도, 압력 및 분자 이동 속도는 대류 열 전달 계수를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

열 교환기, 에어컨 시스템, 고속 항공기 및 기타 여러 응용 분야의 설계에서는 대류를 고려해야 합니다. 이러한 모든 시스템에서 열전도율은 고체와 주변 환경 모두에서 대류와 동시에 발생합니다. ~에 상승된 온도복사열 전달도 중요한 역할을 할 수 있습니다.

그림에서. 그림 8은 파장에 따른 열(적외선) 복사 에너지의 의존성을 보여줍니다. 열 복사는 가시 광선 방출을 동반할 수 있지만 그 에너지는 스펙트럼의 보이지 않는 부분에서 나오는 복사 에너지에 비해 작습니다.

전도와 대류에 의한 열전달의 세기는 온도에 비례하고, 복사열의 흐름은 온도의 4승에 비례하며 스테판 볼츠만의 법칙을 따른다.

주거 및 사무실 공간은 종종 작은 전기 열 방출기로 가열됩니다. 나선형의 붉은 빛은 스펙트럼의 적외선 부분 가장자리에 가까운 가시 열 복사입니다. 방은 주로 방사선의 보이지 않는 적외선 부분에 의해 운반되는 열에 의해 가열됩니다. 야간 투시 장치

태양은 강력한 열에너지 방출원입니다. 1억 5천만km의 거리에서도 지구를 가열합니다. 전 세계 여러 지역에 위치한 관측소에서 매년 기록되는 태양 복사 강도는 약 1.37W입니다.

지구의 녹은 핵에서 표면으로 열(열전도율로 인해)이 전달되면 화산 폭발과 간헐천이 나타납니다. 일부 지역에서는 지열 에너지가 난방 및 전력 생산에 사용됩니다.

열은 거의 모든 생산 공정에서 없어서는 안 될 요소입니다. 금속 제련 및 가공, 엔진 작동, 식품 생산, 화학 합성, 정유, 벽돌과 접시부터 자동차 및 전자 장치에 이르기까지 다양한 품목의 제조와 같은 가장 중요한 사항을 언급하겠습니다.

많은 산업 생산과 운송, 화력 발전소는 열을 유용한 작업으로 변환하는 장치인 열 엔진 없이는 작동할 수 없습니다. 이러한 기계의 예로는 압축기, 터빈, 증기, 가솔린 및 제트 엔진이 있습니다.

가장 유명한 열 엔진 중 하나는 현대 발전소에서 사용되는 랭킨 사이클의 일부를 구현하는 증기 터빈입니다. 이 사이클의 단순화된 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다. 9. 작동 유체 물은 화석 연료(석탄, 석유 또는 천연 가스)를 연소하여 가열되는 증기 보일러에서 과열 증기로 변환됩니다. 증기 고압증기 터빈의 샤프트를 회전시켜 전기를 생산하는 발전기를 구동합니다. 배출 증기는 흐르는 물에 의해 냉각될 때 응축되며, 이는 랭킨 사이클에서 사용되지 않는 열의 일부를 흡수합니다. 다음으로, 물은 냉각탑으로 공급되며, 냉각탑에서 열의 일부가 대기로 방출됩니다. 응축수는 펌프를 사용하여 증기 보일러로 되돌아가며 전체 사이클이 반복됩니다.

랭킨 사이클의 모든 과정은 위에서 설명한 열역학 원리를 설명합니다. 특히 제2법칙에 따르면 발전소에서 소비되는 에너지의 일부는 열의 형태로 환경에 방출되어야 합니다. 원래 화석 연료에 포함되어 있던 에너지의 약 68%가 이러한 방식으로 손실되는 것으로 나타났습니다. 발전소 효율의 눈에 띄는 증가는 증기 보일러의 온도를 높이거나(재료의 내열성에 의해 제한됨) 열이 이동하는 매체의 온도를 낮춤으로써만 달성할 수 있습니다. 대기.

또 다른 열역학적 사이클은 큰 중요성우리의 일상 생활, 이것은 증기 압축기 냉동 랭킨 사이클이며 그 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 10. 냉장고나 가정용 에어컨에서는 이를 제공하기 위한 에너지가 외부에서 공급된다. 압축기는 냉장고의 작동 물질인 프레온, 암모니아 또는 이산화탄소의 온도와 압력을 증가시킵니다. 과열된 가스는 응축기로 공급되어 냉각 및 응축되어 환경에 열을 방출합니다. 응축기 파이프를 떠나는 액체는 조절 밸브를 통해 증발기로 들어가고 그 중 일부가 증발하여 온도가 급격히 떨어집니다. 증발기는 파이프의 작동 유체를 가열하는 냉각실에서 열을 가져옵니다. 이 액체는 압축기에 의해 응축기로 공급되고 사이클이 다시 반복됩니다.

그림에 표시된 냉동 사이클. 10, 열 펌프에도 사용할 수 있습니다. 이러한 히트펌프는 여름에는 뜨거운 대기에 열을 발산해 실내 온도를 조절하고, 겨울에는 반대로 찬 공기로부터 열을 빼앗아 실내를 난방한다.

핵반응은 발전 및 운송과 같은 목적을 위한 중요한 열원입니다. 1905년에 A. 아인슈타인은 질량과 에너지가 다음 관계에 의해 연관되어 있음을 보여주었습니다.

액체 열량계

기술 분야에서 가장 널리 사용되는 이러한 유형의 열량계는 설계가 간단하고 유지 관리가 쉽습니다. 외부에서 유도된 반응에 의해 생성된 열의 양은 먼저 반응 용기(반응이 발생한 곳)로 전달된 다음 액체 수조로 전달됩니다. 욕조의 액체는 임펠러, 리프팅 스크류 또는 펌프를 사용하여 지속적으로 혼합되어 온도 균등화 속도가 빨라집니다. 욕조는 주변 환경으로부터 최대한 단열(차폐)되어 있습니다. 액체 수조의 온도 변화는 감지되는 열량의 척도입니다. 충분한 온도 변화를 보장하고 측정 과정이 너무 오래 지속되지 않도록(열 손실 증가) 가열된 물체의 열용량이 너무 높아서는 안 됩니다.

그림 액체 열량계 장치.

일정한 환경 조건에 대한 요구 사항이 높은 경우 전체 열량계를 다른 항온조에 배치할 수 있으며 제어 루프를 사용하여 내부 온도를 높은 정확도로 안정화할 수 있습니다. 이는 주로 주변 온도와 크게 다른 온도에서 실험을 수행해야 하는 경우에 필요합니다.

저온(약 -150°C까지)에서 분석을 수행하기 위해 액체 질소가 냉각 매체로 사용됩니다. 이 경우, 샘플을 교체할 때 주변의 습한 공기로 인한 성에가 샘플이나 용기에 쌓이지 않는다는 사실에 주의할 필요가 있습니다. 그 이유는 그 층이 측정 과정에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 이를 방지하기 위해 열량계가 열려 있을 때 샘플과 샘플 용기를 차가운 질소 가스로 퍼지합니다.

금속 본체를 갖춘 열량계

그림 금속 열량계 설계 다이어그램.

더 넓은 온도 범위에 걸쳐 열량 측정 연구를 수행해야 하는 경우 액체 열량계는 더 이상 적합하지 않습니다. 금속 몸체를 갖춘 적절한 열량계에서 전달된 열량은 일반적으로 주변 온도에 있는 금속 블록(은, 구리, 알루미늄)에 의해 감지됩니다. 이 열량계는 주로 액체 및 고체 물질의 비열 용량 c, J/(kg*K)를 결정하는 데 사용됩니다.

샘플은 먼저 열량계 외부에서 냉각됩니다. 냉동 장치또는 오븐에서 가열하고 정상 상태에 도달한 후 금속 블록의 구멍으로 낮추었습니다(떨어뜨렸습니다). 작동 방법에 따라 이러한 장치를 자유 낙하 열량계라고 하며, 열역학적 과정의 특성에 따라 변위 열량계라고도 합니다.

이러한 혼합 중에 샘플(매개변수 m1, c1, )에서 금속 블록(m2, c2, )으로 전달되는 열의 양은 블록 온도에 측정 가능한 변화를 일으킵니다. 이를 통해 일반적으로 알려지지 않은 샘플의 비열 용량을 결정할 수 있습니다. 이상적인 조건(환경과의 열교환이 ​​없는 경우) 표현식에서:

금속 블록 자체는 진공화된 듀어 플라스크에 위치하며 때로는 액체 욕조에 위치합니다. 후자의 경우 열량계 Ck의 열용량을 얻으려면 조의 열용량 Cw를 금속 블록 C2의 열용량에 추가해야 합니다.

CK=C2+CW=c2m2+cWmW .

열량 측정 방법

대부분의 경우 열량계는 일정한 환경 조건에서 사용됩니다. 이는 반응시간이 매우 짧은 대부분의 연소열량계에 주로 적용되며, 반응에 따라 열량계 내부 부품의 온도가 변화하는 동안 주위온도는 일정하게 유지되며, 항온조를 사용하는 경우가 많다. 외부 간섭(실내 온도 변동, 방사선, 외풍 등)의 측정값에 영향을 주지 않기 위해 환경을 보호합니다.

이 측정 방식의 장점은 대부분의 열량 측정을 수행할 수 있는 장비 비용이 상대적으로 저렴하다는 것입니다. 주요 단점은 열량계와 환경의 열교환으로 인해 결과 해석이 복잡해진다는 것입니다. 이 측정 방법은 항상 이소페리볼(투열)이라고 합니다. 어쨌든 등온이라고 할 수는 없습니다. 그 본질은 예를 들어 상 변환을 측정하도록 설계된 열량계와 같이 반응 중에 열량계의 온도가 일정하게 유지된다는 것입니다.

단열방식

환경과의 열교환을 배제할 수 있는 경우, 즉 공정의 단열 과정을 보장하면 온도를 지속적으로 기록할 필요가 없기 때문에 실험 수행과 결과 해석이 단순화되고 측정 결과가 더 정확해집니다. 수정 사항을 변경하고 계산합니다. 또한 이 경우 열량 측정 용기의 온도가 약간 더 크게 상승하는 것이 허용될 수 있습니다. 비단열 장치의 경우 이는 열 손실 증가로 인해 허용되지 않습니다.

열량 측정 용기와 주변 환경(일반적으로 액체 수조) 사이의 열 교환을 제거하려면 용기 내부 온도 변화에 따라 수조의 온도를 지속적으로 조정해야 합니다. 전자 조절기(모니터링 회로)를 사용하면 이러한 온도 차이를 거의 0에 가깝게 지속적으로 유지할 수 있습니다. 이는 필요한 측정 정확도에 따라 측정 장비 비용을 증가시킵니다.

장비 요소는 빠르게 작동하고 오랫동안 안정적으로 유지되어야 합니다(드리프트가 최소화되어야 함). 서보 제어 루프의 데드 존은 ±10-3 ~ ±10-5 K 범위에 있어야 합니다. 측정 장치로는 브리지 회로에 연결될 때 다음을 제공하는 저관성 전기 접촉 온도계를 사용할 수 있습니다. 가열 전력을 변경하기 위해 컨트롤러에 대한 충동. 가열은 전기 저항 코일을 사용하거나 약한 해리로 인해 가열 저항(소위 전해 가열) 역할을 하는 액체 욕조에서 직접 수행됩니다. 이 두 번째 방법은 사실상 관성이 없습니다. 결과는 기존의 전기 온도 측정 수단을 사용하거나 추가로 설치된 액체 온도계(Beckman)를 사용하여 얻을 수 있습니다.

단열 측정 방법은 주로 열 효과와 관련된 느린 프로세스를 연구하는 데 적합합니다. 열량(연소 열량계)의 급격한 변화로 인해 온도 균등화의 관성은 기존의 비단열 방법의 정확성조차 달성할 수 없을 정도로 부정적인 영향을 미칩니다. 그러나 발열체와 온도 센서의 낮은 열용량을 보장하고 수조 액체를 집중적으로 혼합함으로써 다양한 시상수의 작은 값을 얻는 것이 가능합니다(관성 감소).

보상방법

보상 원리에 기반한 차동 또는 이중 열량계를 사용하면 측정 프로세스에 대한 외부 영향을 크게 제거할 수 있습니다. 동일한 보조 장치를 갖춘 두 개의 동일한 열량 측정 용기가 동일한 조건의 환경에 배치됩니다. 한 용기에서는 연구 중인 프로세스가 열 효과로 발생하고, 다른 용기는 추적 제어 시스템을 사용하여 환경에 대한 열 손실이 두 용기 모두에서 동일하도록 가열됩니다. 따라서 공급되는 가열 전력은 연구 중인 공정 중에 방출되는 열의 양에 직접적으로 의존할 수 있습니다. 이 경우 실험 측정 작업은 다른 영역으로 이동하여 공급된 전기 가열 전력(W*s, J)을 매우 정확하게 결정하는 것으로 축소됩니다.

시차 열량계는 특히 단열 환경 조건에서, 특히 열량의 매우 작거나 매우 느린 변화가 예상되는 경우에 사용됩니다. 흡열 공정의 경우 하나의 열량 측정 용기만 있으면 충분합니다. 용기 안의 온도가 항상 동일하게 유지되도록 열 공급을 제어합니다(등온 방식). 시차 열량계의 단점은 장비 및 측정 기술의 비용이 높다는 것입니다.

연소열량계

화력발전 시설에 사용되는 연료를 검사하여 발열량 H(J/kg)를 결정합니다. 이 지표는 효율성 요소를 결정하고, 효율성을 연구하고, 다양한 설치에서 소비되는 에너지를 계산하고, 연소 과정을 최적으로 제어하는 ​​데 필요합니다. 가연성 구성 요소의 구성이 크게 변동하면 발열량을 지속적으로 측정해야 하는 경우가 많습니다.

물질이 완전히 연소되면 일정량의 열 Q(연소열)가 방출됩니다. 이를 질량 t(또는 정상 조건 Vn의 부피)로 나누면 (비) 연소열을 얻습니다.

연소 생성물의 상태에 따라 두 가지 유형의 연소열이 구별됩니다. 높은 H2O와 낮은 H2O는 연소열 및 발열량이라고도 합니다. 낮은 연소열을 결정할 때, 연소 중에 물이 형성되지도 않습니다. 화학 반응, 증기 상태여야 합니다. 두 열 H0 - Ni의 차이는 응축수의 기화열(CO - 응축수 지수) r에 해당하며 이는 2.441 MJ/kg과 같습니다.

고체 및 액체 연료의 경우 원소 분석을 통해 결과로 생성되는 물의 양을 결정할 수 있으며, 기체 연료를 연소할 때는 응축수의 양을 측정하여 결정할 수 있습니다.

산업용 용광로에서 연소 생성물의 온도는 항상 물의 끓는점을 초과합니다. 따라서 물의 응축열을 사용할 수 없기 때문에 일반적으로 Ni의 낮은 발열량에만 관심이 있습니다.

고체 및 액체용 연소 열량계

빠른 연소 공정을 위해 특수한 형태의 액체 열량계, 즉 Berthelot 폭탄 열량계가 개발되었습니다(그림 3).

열량 측정 폭탄의 도면 디자인.

정밀하게 측정된 소량의 물질의 연소는 ~30atm(3MPa)의 압력 하에 가능한 가장 순수한 산소 대기에서 밀봉된 폭탄 내에서 일정한 부피로 발생합니다. 채워진 폭탄은 방출된 연소열을 흡수하는 열량계의 액체 수조에 배치됩니다.

고체일반적으로 작은 연탄(정제)으로 압축하여 매우 정확하게 무게를 잰다. 잘 타는 물질과 발열량이 알려진 잘 타는 액체(예: 벤조산)를 혼합하는 것이 좋습니다. 액체 물질은 백금이나 석영으로 만든 컵(보트)이나 작은 플라스틱 캡슐에 넣습니다. 폭탄 본체에 볼트로 고정된 덮개에는 산소 공급 및 연소 생성물 제거용 밸브, 샘플 홀더 및 전기 점화기 등 연구에 필요한 모든 장치가 있습니다. 얇은 백금선에 전기를 공급하여 점화가 이루어집니다. 점화를 위해 공급되는 열은 실험 결과를 해석할 때 고려할 수 있도록 정확하게 측정되어야 합니다. 폭탄 열량계에서는 더 높은 연소열 H0이 결정됩니다. 검증하는 동안 열량계 C의 열당량은 기준 물질(예: 벤조산)을 연소하거나 전기 가열 장치를 사용하여 결정됩니다.

기체 물질용 연소 열량계

기체 매체의 연소열을 결정하는 다양한 방법이 있습니다. 고체 및 액체 물질에 대한 폭탄 열량계와는 달리 모두 연속 측정을 기반으로 합니다. 사용된 측정 원리는 매우 간단합니다. 테스트 가스는 일정한 압력으로 버너에서 지속적으로 연소됩니다. 연소에 의해 생성된 모든 열은 열교환기의 냉각수 흐름(습식 또는 열교환 열량계)에 의해 흡수되거나 연소 생성물을 알려진 유속(건식 또는 혼합 열량계)의 공기 흐름과 혼합하여 흡수됩니다. 일반적으로 더 낮은 발열량 Нu가 결정됩니다. 더 높은 발열량 H0를 결정하려면 배기가스에 포함된 수증기(CO 지수)를 응축해야 합니다. 열량계 입구(지수 e)와 출구(지수 a)의 질량 유량과 온도 차이를 알면 열 균형 방정식을 사용하여 해당 연소열을 계산할 수 있습니다.

모든 가스 열량계에 필요한 가스 준비는 기본적으로 동일합니다. 연소 전에 가스(인덱스 G)는 먼저 (필터 내) 고체 기계적 불순물을 제거하고 가습한 다음(수분으로 포화될 때까지, 100%) 지정된 예비 압력 값에 도달합니다(감압 밸브 사용). ) 및 냉각 매체의 온도(지수 K). 연소에 필요한 공기(인덱스 L)도 가습되어 냉각 매체의 온도에 도달합니다.

요구되는 정확도와 측정 장비의 허용 가능한 비용에 따라 이러한 조건 중 일부가 충족되지 않을 수 있습니다. 열량계의 이상적인 조건에 대한 방정식의 편차를 확인하려면 기준 가스(예: 수소)에서 열량계를 테스트해야 합니다. 열 교환(습식) 열량계의 경우 언급된 방정식의 형식은 다음과 같습니다.

여기서 및 는 냉각 매체와 연료의 질량 유량(kg/s)입니다. ск - 냉각 매체의 비열 용량, J/(kg*K); - 냉각 매체의 온도 증가, K.

그림 기체 연료에 대한 습식(a) 및 건식(b) 열량계 설계.

온도 상승은 일반적으로 5-15K입니다. 열 질량이 크기 때문에 열 교환 열량계는 몇 분에 도달할 수 있는 매우 긴 시간 상수를 갖습니다. 따라서 시간 상수가 단 몇 초에 불과한 건식(혼합) 열량계보다 폐쇄 제어 루프에서 센서로 사용하기가 덜 편리합니다. 그러나 열교환 열량계의 달성 가능한 정확도는 상대적으로 높습니다. 오류는 ±0.25-1%를 초과하지 않으므로 실험실 작업 및 검증에도 사용할 수 있습니다. 건식 열량계(혼합)에는 측정 범위 상한의 ±1~±2%의 오류가 있습니다.

다양한 제조업체의 열량계 설계는 주로 보조 및 안전 장치, 민감한 요소 및 오류 보상을 제공하는 컴퓨팅 회로에서 다릅니다. 따라서 열 교환 열량계에서는 가스와 냉각 매체 유량의 일정한 비율이 다양한 방식으로 유지되므로(위의 열량계 방정식 참조) 더 높은 발열량 H0는 온도 증가에만 직접적으로 의존합니다.

건식 열량계에서 온도 상승은 전기 접촉 온도계를 사용하여 직접 측정하거나 팽창계 센서(연도 가스 흐름에 위치한 팽창 튜브)를 사용하여 간접적으로 측정됩니다. ADOS 열량계에서 팽창계 튜브의 열 신장은 연소열에 직접적으로 해당하며 레버 전송 및 길이 측정기를 사용하여 모든 신호로 변환될 수 있습니다. Reinecke 열량계에서는 온도 상승이 실질적으로 일정하게 유지되도록 냉각 공기의 흐름을 제어하는 ​​제어 회로에서 막대의 연장이 측정 신호로 사용됩니다. 이 경우 제어 루프는 순전히 비례하지만 일부 잔류 편차는 불가피합니다. 이 경우 냉각 공기 유량 또는 팽창계 튜브(막대)의 신장은 결정된 발열량의 척도입니다. 모든 건식 열량계에서 충분한 정확도를 얻기 위해 필요한 전제 조건은 냉각 공기와 연소 생성물을 잘 혼합하는 것입니다.

열 흐름 측정

에너지의 일종인 열은 고체(열 전도), 액체 또는 기체 매체(대류)를 통해, 물질의 참여 없이(복사) 세 가지 방식으로 전달됩니다. 기술적으로 열 전달에는 거의 항상 세 가지 구성 요소가 모두 포함됩니다. 그러나 대부분의 경우 하나의 구성 요소만 측정하여 허용 가능한 정확도의 결과를 얻을 수 있습니다.

측정 열 흐름열전도율이 있는

열 전도 벽을 통한 열 전달은 다양한 기술 분야(모든 유형의 열교환기, 단열재 등)에서 중요합니다. 이 경우 부하를 평가하고 보장된 지표의 충족 여부와 효율성을 확인하는 데 사용되는 단일 측정 결과만큼 관심 있는 생산 값의 현재 모니터링이 아닙니다.

고정 열전도율의 법칙에 따라 열 흐름은 다음 공식(J/s)에 의해 결정됩니다.

벽의 열전도 계수 [J/(m*s*K)]와 기하학적 치수가 알려져 있으므로 열 흐름 측정은 온도 차이 측정으로 축소됩니다. 그러나 이 기술을 사용하려면 표면 온도를 매우 정확하게 측정해야 합니다. 표면에 온도에 민감한 요소를 설치할 때 열 전달 조건의 변화와 관련된 오류는 상당히 클 수 있습니다. 따라서 보다 정확한 측정을 위해서는 열전도율과 열전달을 동시에 사용하는 아래 방법을 권장합니다.

열 전달 중 열 흐름 측정(열전도율과 결합된 열 전달)

이전 섹션에서 언급한 평평한 벽의 경우 다음 열 전달 법칙(J/s)이 유효합니다.

,

여기서 열 전달 계수 k 1J/(m2*s*K)], 열 전도 계수 [J/Dm*s*K)], 열 전달 계수 및 [J/(m2*s*K) ] 벽의 양쪽 측면도 고려됩니다.

측정된 열 유속이 통과하는 평평한 벽에 작은 얇은 판이 놓여 있으며, 그 표면 온도는 내장된 박막 열전대에 의해 결정됩니다. 이러한 방식으로 측정하면 벽의 열적 특성을 알 필요가 없으며 교정 중에 플레이트의 해당 특성을 하나의 일정한 값으로 줄일 수 있다는 장점이 있습니다. 이러한 민감한 요소의 크기는 약 30x30x0.5mm입니다. 측정 범위는 10~100,000W/m2의 열 흐름을 포괄합니다. 오류는 2-5%입니다.

그림 열류계의 작동 원리.

이 측정 방법을 개선할 때 적용 플레이트 대신 고무 매트를 사용합니다. 평평하지 않은 표면에 붙이거나 곡면 주위에 감싸면 파이프, 용기 등 상대적으로 넓은 영역의 표면에서 열 전달을 확인할 수 있습니다. 열전대는 열전대 양쪽 표면에 내장되어 있습니다. 열접점과 냉접점이 정확히 서로 위치하도록 매트를 배치합니다(그림 6). 이 경우 교정에 따른 열유속 밀도는 온도 차이에 비례합니다. 그러나 적용된 매트는 초기 열 전달을 다소 방해하며 이는 정확한 측정을 통해 눈에 띄게 나타납니다. 따라서 이 측정 방법은 열 흐름의 교란이 측정 결과에 영향을 미치지 않을 때 물질의 열역학적 상수를 결정하는 데 주로 사용됩니다.

흐르는 매체의 열 흐름 측정.

열에너지의 상당 부분은 폐쇄된 파이프라인 네트워크에서 이동하는 액체 또는 기체 매체(물, 증기 등)에 의해 전달됩니다. 그러나 전선을 통한 전기에너지 전달에 비해 열에너지가 전달될 수 있는 거리에는 제한이 있다. 모든 유형의 난방 및 냉동 시스템에 대한 열공학 연구를 위해서는 열 생산과 소비를 측정하는 것이 필요합니다.

열 흐름 F(J/s), 스트리밍열 균형이 구성된 특정 구역(공정 구역, 그림 7)에서 면적 A(m2)가 있는 제어 구역을 통한 냉각 매체(kg/s)는 다음과 같습니다.

시간 간격 t2 - t1 동안 제공되는 열의 양은 적분(J)으로 결정됩니다.

열 균형 구역의 입구(지수 e)와 출구(지수 a)에서 냉각수의 열 함량(엔탈피, J/kg) 차이는 어디에 있습니까?

엔탈피는 일반적으로 주변 온도의 엔탈피와 같은 특정 수준과 관련하여만 관심이 있기 때문에 모든 열 흐름 측정은 본질적으로 차이 측정입니다.

일반 방정식에 포함된 개별 엔탈피는 해당 온도와 비열 용량으로 표현될 수 있습니다.

따라서 열 흐름 측정은 온도 및 질량 유량 측정으로 직접적으로 축소됩니다. 대부분의 경우 측정되는 것은 질량 유량이 아니라 냉각수의 체적 유량입니다. 이 경우 얻은 결과는 냉각수 밀도 p의 값에 의해서만 다릅니다. 비열 용량 ci 그 자체가 온도의 함수입니다. 그러나 많은 계측기의 좁은 측정 범위로 인해 일반적으로 정확도가 크게 떨어지지 않고 일정한 값으로 간주될 수 있습니다. 비열용량을 알아야 합니다. 액체의 경우 열 흐름 방정식은 더욱 단순화됩니다. 비열 용량압력에 의존하지 마십시오.

, J/s.

이러한 유형의 모든 방정식에서는 열의 공급 또는 제거 여부, 공정이 흡열인지 발열인지, 냉각 또는 가열이 발생하는지에 따라 수량의 부호를 고려해야 합니다.