Ciepło odgrywa ważną rolę w życiu człowieka, w tym w funkcjonowaniu jego organizmu. Część energii chemicznej zawartej w pożywieniu zamieniana jest na ciepło, dzięki czemu temperatura ciała utrzymywana jest w pobliżu 37

Do końca XVIII wieku. ciepło uważano za substancję materialną, wierząc, że temperatura ciała zależy od ilości zawartej w nim „cieczy kalorycznej” lub „kalorycznej”. Później B. Rumford, J. Joule i inni ówcześni fizycy, poprzez pomysłowe eksperymenty i rozumowanie, obalili teorię „kaloryczną”, udowadniając, że ciepło jest nieważkie i można je uzyskać w dowolnej ilości po prostu dzięki ruchowi mechanicznemu. Samo ciepło nie jest substancją, jest po prostu energią ruchu jej atomów lub cząsteczek. Właśnie takiemu rozumieniu ciepła jest współczesna fizyka. Zobacz też FIZYKA.

W tym artykule przyjrzymy się, jak ciepło i temperatura są powiązane i jak te wielkości są mierzone. Przedmiotem naszej dyskusji będą również następujące pytania: przenoszenie ciepła z jednej części ciała do drugiej; przenoszenie ciepła w próżni (przestrzeni, która nie zawiera materii); rola ciepła we współczesnym świecie.

Jeden z najbardziej znanych, ale też najmniej dokładnych sposobów oceny temperatury dotykiem. Dotykając przedmiotu, oceniamy, czy jest gorący, czy zimny, skupiając się na naszych uczuciach. Oczywiście odczucia te zależą od temperatury naszego ciała, co prowadzi nas do pojęcia równowagi termicznej, jednej z najważniejszych przy pomiarach temperatury.

Kolejnym urządzeniem, którego działanie opiera się na rozszerzalności cieplnej jest termometr bimetaliczny przedstawiony na ryc.

Temperatura lokalna jest zwykle mierzona za pomocą termopary, czyli dwóch drutów z różnych metali lutowanych na jednym końcu (rys.

Znany jest również inny efekt termoelektryczny - zależność rezystancji materiału przewodzącego od temperatury. Leży u podstaw działania termometrów oporowych, z których jeden pokazano na ryc.

Pirometry optyczne służą do pomiaru temperatury ciał żarowych emitujących światło widzialne. W jednej z wersji tego urządzenia światło emitowane przez ciało jest porównywane z promieniowaniem żarnika żarówki umieszczonego w płaszczyźnie ogniskowej lornetki, przez którą patrzy się na emitujące ciało. Prąd elektryczny, który ogrzewa żarnik lampy, zmienia się, dopóki wizualne porównanie żaru żarnika i ciała nie ujawni, że między nimi została ustalona równowaga termiczna. Skalę urządzenia można wyskalować bezpośrednio w jednostkach temperatury.

Postęp techniczny w ostatnich latach umożliwił stworzenie nowych czujników temperatury. Na przykład w przypadkach, w których potrzebna jest szczególnie wysoka czułość, zamiast termopary lub konwencjonalnego termometru oporowego stosuje się urządzenie półprzewodnikowe, termistor. Barwniki i ciekłe kryształy zmieniające swój stan fazowy są również wykorzystywane jako konwertery termiczne, zwłaszcza w przypadkach, gdy temperatura powierzchni ciała zmienia się w szerokim zakresie. Wreszcie stosuje się termografię w podczerwieni, w której obraz obiektu w podczerwieni uzyskuje się w kolorach warunkowych, gdzie każdy kolor odpowiada określonej temperaturze. Ta metoda pomiaru temperatury znajduje najszersze zastosowanie od diagnostyki medycznej po sprawdzanie izolacji termicznej pomieszczeń. Zobacz też FIZYKA PAŃSTWA SOLIDNEGO; PŁYNNY KRYSZTAŁ.

Ilość ciepła uwalnianego podczas reakcji chemicznej, takiej jak spalanie, można zmierzyć umieszczając małą „bombę” w kalorymetrze. „Bomba” zawiera próbkę, do której podłączone są przewody elektryczne w celu zapłonu, oraz odpowiednią ilość tlenu. Po całkowitym wypaleniu się próbki i ustaleniu równowagi termicznej określa się, o ile wzrosła temperatura wody w kalorymetrze, a co za tym idzie ilość uwolnionego ciepła. Zobacz też KALORYMETRIA.

Jest więc jasne, że energia może zmieniać się z jednej formy w drugą i że takie przemiany stale zachodzą w naturze i technologii. Ponad sto lat temu J. Joule udowodnił to w przypadku konwersji energii mechanicznej na energię cieplną za pomocą urządzenia pokazanego na ryc. 6, a. W tym urządzeniu obciążniki opadające i wznoszące obracały wał z łopatkami w kalorymetrze wypełnionym wodą, w wyniku czego woda była podgrzewana. Dokładne pomiary pozwoliły Joule określić, że jedna kaloria ciepła odpowiada 4,186 J pracy mechanicznej. Urządzenie pokazane na ryc.

Pierwsza zasada termodynamiki wyjaśnia wiele powszechnych zjawisk. Na przykład staje się jasne, dlaczego nie można schłodzić kuchni otwartą lodówką. Załóżmy, że zaizolowaliśmy termicznie kuchnię od otoczenia. Energia jest stale dostarczana do systemu przez przewód zasilający lodówki, ale system nie oddaje żadnej energii. W ten sposób zwiększa się jego całkowita energia, a kuchnia staje się cieplejsza: wystarczy dotknąć rurek wymiennika ciepła (skraplacza) z tyłu lodówki, a zrozumiesz jego bezużyteczność jako urządzenie „chłodzące”. Ale gdyby te rury zostały wyprowadzone z systemu (na przykład przez okno), wtedy kuchnia wydałaby więcej energii niż otrzymała, tj. byłaby chłodzona, a lodówka działała jako klimatyzator okienny.

Pierwsza zasada termodynamiki to prawo natury, które wyklucza tworzenie lub niszczenie energii. Nie mówi jednak nic o tym, jak w przyrodzie przebiegają procesy przekazywania energii. Tak więc wiemy, że gorące ciało ogrzeje zimne, jeśli te ciała się zetkną. Ale czy ciało zimne może samo przenieść rezerwę ciepła na ciało gorące? Ostatnia okazja kategorycznie odrzucone przez drugą zasadę termodynamiki.

Pierwsze prawo wyklucza również możliwość stworzenia silnika o współczynniku przydatne działanie(wydajność) więcej niż 100% (podobne

Tendencję do przekształcania „użytecznej” pracy w mniej użyteczną energię cieplną można porównać z innym procesem, który występuje, gdy połączone są dwa zbiorniki zawierające różne gazy. Po dostatecznie długim oczekiwaniu w obu naczyniach znajdujemy jednorodną mieszaninę gazów, które natura działa w taki sposób, że porządek układu maleje. Miarą termodynamiczną tego nieporządku jest entropia, a drugą zasadę termodynamiki można sformułować inaczej: procesy w przyrodzie zawsze przebiegają w taki sposób, że entropia układu i jego otoczenia wzrasta. W ten sposób energia Wszechświata pozostaje stała, a jego entropia stale rośnie.

Wraz ze wzrostem temperatury intensywność chaotycznego ruchu cząsteczek wzrasta, większość substancji rozszerza się po podgrzaniu. Stopień rozszerzalności substancji wraz ze wzrostem temperatury o 1 K nazywany jest współczynnikiem rozszerzalności cieplnej.

Aby substancja mogła przejść z jednego stanu fazowego do drugiego, na przykład ze stałego do ciekłego (a czasem natychmiastowego do gazowego), musi otrzymać określoną ilość ciepła. Jeśli ciało stałe zostanie podgrzane, jego temperatura wzrośnie, aż zacznie się topić; dopóki topienie nie zostanie zakończone, temperatura ciała pozostanie stała, pomimo dopływu ciepła. Ilość ciepła potrzebna do stopienia masy jednostkowej substancji nazywana jest ciepłem topnienia. Jeśli nadal będziesz dostarczać ciepło, stopiona substancja podgrzeje się do wrzenia. Ilość ciepła potrzebna do odparowania masy jednostkowej cieczy w danej temperaturze nazywana jest ciepłem parowania.

Opierając się na tych pomysłach i stosując podejście statystyczne, Maxwell wyprowadził rozkład prędkości cząsteczek gazu w ograniczonej objętości, którą później nazwano jego imieniem. Rozkład ten przedstawiono graficznie na ryc. 7 dla danej masy wodoru w temperaturach 100 i 1000

Duża liczba takich szybko poruszających się cząsteczek gazu działa z całkowicie mierzalną siłą na otaczające ciała. Mikroskopijne siły, z którymi liczne cząsteczki gazu uderzają w ściany naczynia, sumują się do makroskopowej wielkości zwanej ciśnieniem. Kiedy energia jest dostarczana do gazu (wzrasta temperatura), wzrasta średnia energia kinetyczna jego cząsteczek, cząsteczki gazu częściej i mocniej uderzają o ściany, wzrasta ciśnienie, a jeśli ściany nie są całkowicie sztywne, to rozciągają się i zwiększa się objętość gazu. Zatem mikroskopijne podejście statystyczne leżące u podstaw teorii kinetyki molekularnej umożliwia wyjaśnienie omawianego przez nas zjawiska rozszerzalności cieplnej.

Innym wynikiem teorii kinetyki molekularnej jest prawo opisujące właściwości gazu, który spełnia powyższe wymagania. To jest tak zwane równanie stanu gaz doskonałyłączy ciśnienie, objętość i temperaturę jednego mola gazu i ma postać równości

Istnieją trzy główne rodzaje wymiany ciepła: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie ciepła.

Intensywność wymiany ciepła z powodu przewodności cieplnej zależy od gradientu temperatury, tj. relacje

Z prawa Fouriera wynika, że ​​strumień ciepła można zmniejszyć poprzez zmniejszenie jednej z wielkości współczynnika przewodnictwa cieplnego, pola powierzchni lub gradientu temperatury. Dla budynku w warunkach zimowych te ostatnie wartości są praktycznie stałe, dlatego w celu utrzymania pożądanej temperatury w pomieszczeniu pozostaje zmniejszenie przewodności cieplnej ścian tj. poprawić ich izolację termiczną.

W tabeli przedstawiono współczynniki przewodzenia ciepła niektórych substancji i materiałów. Z tabeli wynika, że ​​niektóre metale przewodzą ciepło znacznie lepiej niż inne, ale wszystkie są znacznie lepszymi przewodnikami ciepła niż powietrze i materiały porowate.

Opór cieplny i elektryczny wielu substancji gwałtownie spada, gdy temperatura spada poniżej temperatury ciekłego helu (1,8 K). Zjawisko to, zwane nadprzewodnictwem, jest wykorzystywane do poprawy wydajności wielu urządzeń, od urządzeń mikroelektronicznych po linie energetyczne i duże elektromagnesy. Zobacz też NADprzewodnictwo.

Konwekcyjny przepływ ciepła z podgrzewacza do ogrzanego medium zależy od początkowej prędkości cząsteczek, gęstości, lepkości, przewodności cieplnej i pojemności cieplnej oraz medium; bardzo ważny jest również rozmiar i kształt grzałki. Stosunek odpowiednich wielkości jest zgodny z prawem Newtona

Wartość

Jeśli ogrzane (lub odwrotnie zimne) ciało zostanie umieszczone w ośrodku stacjonarnym lub w przepływie, wokół niego powstają prądy konwekcyjne i warstwa graniczna. Temperatura, ciśnienie i prędkość cząsteczek w tej warstwie odgrywają ważną rolę w określaniu współczynnika konwekcyjnego przewodzenia ciepła.

Konwekcja musi być brana pod uwagę przy projektowaniu wymienników ciepła, systemów klimatyzacyjnych, szybkich samolotów i wielu innych zastosowaniach. We wszystkich tego typu układach przewodzenie ciepła odbywa się jednocześnie z konwekcją, zarówno pomiędzy ciałami stałymi, jak iw ich otoczeniu. Na podwyższonych temperaturach Istotną rolę może również odgrywać promieniująca wymiana ciepła.

Na ryc. 8 pokazuje zależność energii promieniowania cieplnego (podczerwonego) od długości fali. Promieniowaniu cieplnemu może towarzyszyć emisja światła widzialnego, ale jego energia jest niewielka w porównaniu z energią promieniowania niewidzialnej części widma.

Intensywność wymiany ciepła przez przewodzenie i konwekcję jest proporcjonalna do temperatury, a strumień ciepła promieniowania jest proporcjonalny do czwartej potęgi temperatury i jest zgodny z prawem Stefana Boltzmanna

Przestrzenie mieszkalne i biurowe są często ogrzewane małymi grzejnikami elektrycznymi; czerwonawy blask ich spiral to widzialne promieniowanie cieplne w pobliżu krawędzi podczerwonej części widma. Pomieszczenie ogrzewane jest ciepłem, które przenoszone jest głównie przez niewidzialną, podczerwoną część promieniowania. W noktowizorach

Słońce jest potężnym emiterem energii cieplnej; ogrzewa Ziemię nawet w odległości 150 mln km. Natężenie promieniowania słonecznego rejestrowane rok po roku przez stacje zlokalizowane w wielu częściach globu wynosi około 1,37 W

Przenoszenie ciepła (ze względu na przewodność cieplną) ze stopionego jądra Ziemi na jego powierzchnię prowadzi do erupcji wulkanicznych i pojawienia się gejzerów. W niektórych regionach energia geotermalna jest wykorzystywana do ogrzewania pomieszczeń i wytwarzania energii.

Ciepło jest nieodzownym uczestnikiem niemal wszystkich procesów produkcyjnych. Wymieńmy najważniejsze z nich, takie jak wytop i obróbka metali, eksploatacja silników, produkcja żywności, synteza chemiczna, rafinacja ropy naftowej, produkcja szerokiej gamy przedmiotów od cegieł i naczyń po samochody i urządzenia elektroniczne.

Wiele produkcji przemysłowych i transportowych, a także elektrociepłowni nie mogłoby działać bez silników cieplnych - urządzeń, które zamieniają ciepło w użyteczną pracę. Przykładami takich maszyn są sprężarki, turbiny, silniki parowe, benzynowe i odrzutowe.

Jednym z najbardziej znanych silników cieplnych jest turbina parowa, która realizuje część obiegu Rankine'a stosowanego w nowoczesnych elektrowniach. Uproszczony schemat tego cyklu pokazano na ryc. 9. Woda w płynie roboczym jest przetwarzana na parę przegrzaną w kotle parowym ogrzewanym przez spalanie paliw kopalnych (węgla, ropy naftowej lub gazu ziemnego). Parowy wysokie ciśnienie obraca wał turbiny parowej, która napędza generator wytwarzający energię elektryczną. Para odlotowa skrapla się po schłodzeniu pod bieżącą wodą, która pochłania część ciepła niewykorzystanego w cyklu Rankine'a. Następnie woda podawana jest do chłodni kominowej (chłodniczej), skąd część ciepła jest oddawana do atmosfery. Kondensat jest pompowany z powrotem do kotła parowego i cały cykl się powtarza.

Wszystkie procesy w cyklu Rankine'a ilustrują opisane powyżej zasady termodynamiki. W szczególności, zgodnie z drugim prawem, część energii zużywanej przez elektrownię musi zostać rozproszona w środowisku w postaci ciepła. Okazuje się, że w ten sposób traci się około 68% energii pierwotnie zawartej w paliwach kopalnych. Zauważalny wzrost sprawności elektrowni można było osiągnąć jedynie podnosząc temperaturę kotła parowego (która jest ograniczona wytrzymałością cieplną materiałów) lub obniżając temperaturę medium, do którego trafia ciepło, tj. atmosfera.

Kolejny cykl termodynamiczny mający bardzo ważne w naszym Życie codzienne, jest cyklem chłodzenia sprężarki parowej Rankina, którego schemat pokazano na ryc. 10. W lodówkach i klimatyzatorach domowych energia jest dostarczana z zewnątrz w celu jej dostarczenia. Sprężarka zwiększa temperaturę i ciśnienie substancji roboczej chłodziarki freon, amoniak lub dwutlenek węgla. Przegrzany gaz podawany jest do skraplacza, gdzie jest schładzany i skraplany, oddając ciepło do otoczenia. Ciecz opuszczająca dysze skraplacza przechodzi przez zawór dławiący do parownika, a jej część odparowuje, czemu towarzyszy gwałtowny spadek temperatury. Parownik pobiera ciepło z komory lodówki, która podgrzewa płyn roboczy w dyszach; ciecz ta jest dostarczana przez sprężarkę do skraplacza i cykl się powtarza.

Cykl chłodniczy przedstawiony na ryc. 10 może być również używany w pompie ciepła. Takie pompy ciepła latem oddają ciepło do gorącego powietrza atmosferycznego i klimatyzują pomieszczenie, a zimą odbierają ciepło z zimnego powietrza i ogrzewają pomieszczenie.

Reakcje jądrowe są ważnym źródłem ciepła do celów takich jak wytwarzanie energii i transport. W 1905 r. A. Einstein wykazał, że masa i energia są powiązane relacją

Kalorymetry płynne

Ten typ kalorymetru, najszerzej stosowany w technologii, jest prosty w konstrukcji i łatwy w utrzymaniu. Ilość ciepła wytworzonego w wyniku reakcji indukowanej zewnętrznie jest najpierw przekazywana do naczynia reakcyjnego (w którym zachodziła reakcja), a następnie do kąpieli ciekłej. Ciecz w kąpieli jest stale mieszana za pomocą wirnika, ślimaka podnoszącego lub pomp, co przyspiesza wyrównanie temperatur. Wanna jest w jak największym stopniu izolowana termicznie (osłonięta) od otoczenia. Zmiana temperatury kąpieli płynnej jest miarą wykrytego ciepła. Pojemność cieplna ogrzewanych mas nie może być zbyt duża, aby zapewnić wystarczającą zmianę temperatury i aby proces pomiaru nie trwał zbyt długo (dzięki czemu zwiększają się straty ciepła).

Rysunek Urządzenie kalorymetru cieczowego.

Przy wysokich wymaganiach co do stałości warunków otoczenia, możliwe jest umieszczenie całego kalorymetru w innej kąpieli i ustabilizowanie w nim temperatury z dużą dokładnością za pomocą pętli sterującej. Jest to konieczne przede wszystkim w przypadkach, gdy wymagane jest przeprowadzenie eksperymentu w temperaturach znacznie różniących się od temperatury otoczenia.

Do analiz w niskich temperaturach (do ok. -150°C) jako czynnik chłodzący stosuje się ciekły azot. W takim przypadku należy zwrócić uwagę na fakt, że przy ich wymianie nie dochodzi do wytrącania się szronu z otaczającego wilgotnego powietrza na próbkach lub naczyniach pomiarowych, gdyż jego warstwa może wpływać na proces pomiarowy. Aby tego uniknąć, gdy kalorymetr jest otwarty, próbka i pojemnik na próbki są przedmuchiwane zimnym gazowym azotem.

Kalorymetry z metalowym korpusem

Rysunek Schemat urządzenia metalowego kalorymetru.

Jeśli wymagane jest przeprowadzenie badań kalorymetrycznych w szerszym zakresie temperatur, kalorymetry cieczowe nie są już odpowiednie. W kalorymetrach z metalowym korpusem odpowiednich do tego celu ilość przekazywanego ciepła jest przejmowana przez metalowy blok (srebro, miedź, aluminium), który zwykle znajduje się w temperaturze otoczenia. Taki kalorymetr jest przeznaczony głównie do określania właściwej pojemności cieplnej c, J / (kg * K), substancji ciekłych i stałych.

Próbka jest najpierw schładzana poza kalorymetrem w instalacja chłodnicza lub ogrzewany w piecu i po osiągnięciu stanu ustalonego opuszczany (upuszczany) do otworu w metalowym bloku. Zgodnie z metodą działania takie urządzenie nazywa się kalorymetrem swobodnego spadku, a zgodnie z naturą zachodzących w nim procesów termodynamicznych jest czasami nazywane kalorymetrem przemieszczeniowym.

Ilość ciepła przekazywanego podczas tego mieszania z próbki (o parametrach m1, c1, ) do bloku metalowego (m2, c2, ) powoduje mierzalną zmianę temperatury bloku. Umożliwia to wyznaczenie zwykle nieznanej wartości ciepła właściwego próbki dla idealne warunki(w przypadku braku wymiany ciepła z otoczeniem) z wyrażenia:

Sam metalowy blok znajduje się w ewakuowanym naczyniu Dewara, a czasem w kąpieli płynnej. W tym ostatnim przypadku, aby otrzymać pojemność cieplną kalorymetru Ck, pojemność cieplną kąpieli Cw należy dodać do pojemności cieplnej bloku metalowego C2:

CK=C2+CW=c2m2+cWmW .

KALORYMETRYCZNE METODY POMIARU

Najczęściej kalorymetry są używane w trybie stałych warunków środowiskowych. Dotyczy to przede wszystkim większości kalorymetrów spalinowych, w których czas reakcji jest bardzo krótki.Podczas gdy temperatura wewnętrznych części kalorymetru zmienia się w wyniku reakcji, temperatura otoczenia pozostaje stała.W wielu przypadkach temperatura kontrolowana kąpiel jest wykorzystywana jako środowisko w celu uniknięcia wpływu na mierzoną wartość zakłóceń zewnętrznych – wahań temperatury w pomieszczeniu, promieniowania, przeciągów itp.

Zaletą takiego schematu pomiarowego jest stosunkowo niski koszt sprzętu, który można wykorzystać do wykonywania przeważającej części pomiarów kalorymetrycznych. Za główną wadę należy uznać wymianę ciepła kalorymetru z otoczeniem, co komplikuje interpretację wyników. Ta metoda pomiaru jest zawsze nazywana izoperibolem (diatermicznym). W każdym razie nie można go nazwać izotermicznym, którego istota polega na tym, że temperatura kalorymetru pozostaje stała podczas przebiegu reakcji, tak jak np. kalorymetry przeznaczone do pomiaru przemian fazowych.

metoda adiabatyczna

Jeżeli możliwe jest wykluczenie wymiany ciepła z otoczeniem, tj. zapewnienie adiabatycznego przebiegu procesu, to eksperyment i interpretacja wyników są uproszczone, a wynik pomiaru jest dokładniejszy, ponieważ nie ma potrzeby ciągłego rejestrowania zmiany temperatury i obliczyć poprawki. Ponadto w tym przypadku można tolerować nieco większy wzrost temperatury w naczyniu kalorymetru; w przypadku urządzeń nieadiabatycznych jest to niedopuszczalne ze względu na wzrost strat ciepła.

Aby uniknąć przenoszenia ciepła między naczyniem kalorymetru a jego bezpośrednim otoczeniem (zazwyczaj kąpielą płynną), temperatura kąpieli musi być stale dostosowywana do zmian temperatury w naczyniu. Za pomocą sterownika elektronicznego (obwodu śledzącego) można stale utrzymywać różnicę tych temperatur praktycznie równą zeru. Zwiększa to koszt sprzętu pomiarowego w zależności od wymaganej dokładności pomiaru.

Elementy sprzętowe muszą być szybkie i stabilne przez długi czas (mają minimalny dryf). Strefa martwa śledzącej pętli sterującej powinna mieścić się w zakresie od ±10-3 do ±10-5 K. Jako przyrządy pomiarowe można zastosować dowolne elektryczne termometry kontaktowe szybko reagujące, które włączone w obwód mostkowy dają impuls do sterownika na zmianę mocy grzania. Ogrzewanie odbywa się albo za pomocą elektrycznej cewki oporowej, albo bezpośrednio w kąpieli płynnej, która z powodu słabej dysocjacji działa jak opornik grzejny (tzw. ogrzewanie elektrolityczne). Ta druga metoda jest praktycznie bezwładna. Wynik można uzyskać za pomocą już istniejących środków do elektrycznego pomiaru temperatury lub za pomocą dodatkowo zainstalowanego termometru cieczowego (Beckmann).

Metoda pomiaru adiabatycznego nadaje się do badania głównie powolnych procesów i efektów termicznych. Przy szybkich zmianach ilości ciepła (w kalorymetrach spalinowych) bezwładność wyrównywania temperatury ma tak niekorzystny wpływ, że nie osiąga się nawet dokładności konwencjonalnych metod nieadiabatycznych. Jednak zapewniając małą pojemność cieplną elementów grzejnych i czujników temperatury oraz prowadząc intensywne mieszanie cieczy kąpielowej, możliwe jest uzyskanie niewielkich wartości o różnych stałych czasowych (w celu zmniejszenia bezwładności).

Metoda kompensacji

Stosując kalorymetry różnicowe lub dualne oparte na zasadzie kompensacji można w znacznym stopniu wyeliminować wpływy zewnętrzne na proces pomiarowy. Dwa identyczne naczynia kalorymetryczne z identycznymi akcesoriami umieszczane są w środowisku w tych samych warunkach. W jednym naczyniu zachodzi badany proces z efektem termicznym, a drugie naczynie jest podgrzewane za pomocą układu serwosterowania w taki sposób, aby straty ciepła do otoczenia dla obu naczyń były takie same. W związku z tym wejściową moc grzewczą można wprowadzić wprost proporcjonalnie do ilości ciepła uwalnianego w trakcie badanego procesu. W tym przypadku eksperymentalne zadanie pomiaru przechodzi w inny obszar i sprowadza się do bardzo dokładnego wyznaczenia dostarczonej mocy ogrzewania elektrycznego (W*s, J):

Kalorymetr różnicowy stosuje się w szczególności w adiabatycznych warunkach otoczenia, zwłaszcza gdy należy spodziewać się bardzo małych lub bardzo powolnych zmian ilości ciepła. W procesach endotermicznych wystarczy jedno naczynie kalorymetryczne. Dopływ ciepła jest kontrolowany w taki sposób, aby temperatura w naczyniu pozostawała przez cały czas taka sama (metoda izotermiczna). Wadą kalorymetrów różnicowych jest wysoki koszt sprzętu i przyrządów pomiarowych.

KALORYMETRY SPALANIA

Paliwo stosowane w elektrociepłowniach jest badane w celu określenia jego wartości opałowej H (J/kg). Wskaźnik ten jest potrzebny do określenia współczynników sprawności, badania sprawności i obliczeń energii zużywanej w różnych instalacjach, a także do optymalnej kontroli procesu spalania. Duże wahania składu składników palnych często powodują konieczność ciągłego wyznaczania wartości opałowej.

Kiedy substancja jest całkowicie spalona, ​​uwalniana jest pewna ilość ciepła Q (ciepło spalania). Jeśli podzielimy go przez masę m (lub objętość w normalnych warunkach Vn), otrzymamy (właściwe) ciepło spalania:

W zależności od stanu produktów spalania wyróżnia się dwa rodzaje wartości opałowej: wyższą H0 i niższą H, które nazywane są również ciepłem spalania i wartością opałową. Przy określaniu wartości opałowej Ni, woda powstała podczas reakcje chemiczne musi być w stanie pary. Różnica pomiędzy obydwoma ciepłami H0 - Ni odpowiada ciepłu parowania skroplonej wody (wskaźnik KO - kondensat) r, które wynosi 2,441 MJ/kg.

W przypadku paliw stałych i ciekłych uzyskaną ilość wody można określić na podstawie analizy elementarnej, a przy spalaniu paliw gazowych poprzez pomiar ilości kondensatu.

W piecach przemysłowych temperatura produktów spalania zawsze przekracza temperaturę wrzenia wody. Dlatego tylko wartość opałowa netto Ni jest zwykle interesująca, ponieważ nie można wykorzystać ciepła kondensacji wody.

Kalorymetry spalania dla ciał stałych i cieczy

Dla szybkich procesów spalania opracowano specjalną postać kalorymetru cieczowego – tzw. bombę kalorymetryczną Berthelota (rys. 3).

Rysunek Urządzenie bomby kalorymetrycznej.

Spalanie niewielkiej, precyzyjnie odmierzonej ilości substancji następuje w stałej objętości w zamkniętej bombie w atmosferze najczystszego możliwego tlenu pod ciśnieniem ~30 atm (3 MPa). Napełnioną bombę umieszcza się w płynnej kąpieli kalorymetru, która pochłania uwolnione ciepło spalania.

Ciała stałe zwykle sprasowywane w małe brykiety (tabletki) i bardzo dokładnie ważone. Wskazane jest mieszanie słabo palących się substancji z dobrze palącymi się płynami o znanym cieple spalania (na przykład kwas benzoesowy). Substancje płynne umieszcza się w kubkach (łódeczkach) wykonanych z platyny lub kwarcu lub w małych plastikowych kapsułkach. Na pokrywie, przykręconej do korpusu bomby, znajdują się wszystkie niezbędne do badań urządzenia: zawory do dostarczania tlenu i usuwania produktów spalania, uchwyty na próbki oraz zapalnik elektryczny. Zapłon odbywa się poprzez dostarczenie prądu do cienkiego drutu platynowego. Ciepło dostarczane do zapłonu musi być dokładnie zmierzone, aby można je było uwzględnić przy odszyfrowywaniu wyników eksperymentu. W bombie kalorymetrycznej wyznaczana jest najwyższa wartość opałowa H0. Podczas weryfikacji równoważnik termiczny kalorymetru Ck określa się przez spalenie substancji odniesienia (na przykład kwasu benzoesowego) lub za pomocą elektrycznego urządzenia grzewczego.

Kalorymetr spalania substancji gazowych

Aby określić ciepło spalania mediów gazowych, istnieją różne metody. Wszystkie z nich, w przeciwieństwie do bomby kalorymetrycznej na substancje stałe i płynne, opierają się na pomiarze ciągłym. Zastosowana zasada pomiaru jest dość prosta. Gaz testowy jest stale spalany w palniku pod stałym ciśnieniem. Całe ciepło uwalniane podczas spalania jest pochłaniane albo przez przepływ czynnika chłodzącego w wymienniku ciepła (kalorymetr mokry lub wymiennik ciepła), albo przez mieszanie produktów spalania z przepływem powietrza przy znanym natężeniu przepływu (kalorymetr suchy lub mieszany). Zwykle określają wartość opałową netto Hu. Do wyznaczenia ciepła spalania H0 konieczne jest skondensowanie pary wodnej (wskaźnik KO) zawartej w spalinach. Znając masowe natężenia przepływu i różnicę temperatur na wlocie (wskaźnik e) i wylocie (wskaźnik a) kalorymetru, można obliczyć odpowiednią wartość opałową za pomocą równania bilansu cieplnego.

Wymagane przygotowanie gazu jest zasadniczo takie samo we wszystkich kalorymetrach gazowych. Gaz przed spaleniem (wskaźnik G) jest najpierw oczyszczany ze stałych zanieczyszczeń mechanicznych (w filtrze) i nawilżany (do nasycenia wilgocią 100%), a następnie doprowadzany do określonych wartości ciśnienia wstępnego (za pomocą reduktora ciśnienia zaworu) i temperatury czynnika chłodniczego (indeks K) . Powietrze potrzebne do spalania (wskaźnik L) jest również nawilżane i doprowadzane do temperatury czynnika chłodniczego.

W zależności od wymaganej dokładności i dopuszczalnych kosztów oprzyrządowania, niektóre z tych warunków mogą nie być spełnione. Kalorymetry należy zweryfikować gazem odniesienia (np. wodór) w celu określenia odchylenia od równania stanu idealnego kalorymetru. Dla kalorymetru ciepłochronnego (mokrego) powyższe równanie ma postać

gdzie i są masowymi natężeniami przepływu czynnika chłodzącego i paliwa, kg/s; sk - ciepło właściwe medium chłodzącego, J / (kg * K); - wzrost temperatury czynnika chłodzącego, K.

Rysunek Urządzenie kalorymetrów mokrych (a) i suchych (b) dla paliwa gazowego.

Wzrost temperatury wynosi zazwyczaj 5-15 K. Ze względu na dużą masę termiczną kalorymetry wymiany ciepła mają bardzo długą stałą czasową, która może wynosić nawet kilka minut. Dlatego są mniej odpowiednie do zastosowania w zamkniętej pętli regulacji jako czujnik niż kalorymetry suche (mieszające), których stała czasowa wynosi tylko kilka sekund. Z drugiej strony osiągalna dokładność kalorymetrów wymiany ciepła jest stosunkowo wysoka. Ich błąd nie przekracza ±0,25-1%, dzięki czemu mogą być również wykorzystywane do prac laboratoryjnych oraz do weryfikacji. Suche kalorymetry (mieszanie) wykazują błąd od ±1 do ±2% górnej granicy zakresu pomiarowego.

Wersje konstrukcyjne kalorymetrów różnych producentów różnią się przede wszystkim urządzeniami pomocniczymi i zabezpieczającymi, elementami pomiarowymi oraz obwodami obliczeniowymi zapewniającymi kompensację błędów. Tak więc w kalorymetrach ciepłowniczych stosunek natężenia przepływu gazu i czynnika chłodzącego jest utrzymywany w różny sposób (patrz równanie kalorymetru powyżej), dzięki czemu wyższa wartość opałowa H0 zależy bezpośrednio tylko od wzrostu temperatury.

W kalorymetrach suchych wzrost temperatury mierzony jest albo bezpośrednio za pomocą elektrycznych termometrów kontaktowych, albo pośrednio za pomocą czujnika dylatometrycznego - rurki rozprężnej umieszczonej w strumieniu spalin. W kalorymetrze ADOS termiczne wydłużenie rurki dylatometru odpowiada bezpośrednio ciepłu spalania i może być przetworzone na dowolny sygnał za pomocą łącznika i miernika długości. W kalorymetrze Reinecke przedłużenie pręta jest wykorzystywane jako sygnał pomiarowy w obwodzie sterującym, który steruje przepływem powietrza chłodzącego w taki sposób, że wzrost jego temperatury pozostaje prawie stały. W takim przypadku pętla sterowania okazuje się być czysto proporcjonalna, ale pewne odchylenie szczątkowe jest w niej nieuniknione. W tym przypadku zużycie powietrza chłodzącego lub wydłużenie rurki dylatometrycznej (pręta) jest miarą wyznaczonej wartości opałowej. Warunkiem uzyskania wystarczającej dokładności we wszystkich suchych kalorymetrach jest dobre mieszanie powietrza chłodzącego i produktów spalania.

POMIARY PRZEPŁYWU CIEPŁA

Ciepło jako forma energii przekazywane jest na trzy sposoby: przez ciało stałe (przewodnictwo cieplne), media płynne lub gazowe (konwekcja) oraz bez udziału materii (promieniowanie). W technologii wszystkie trzy komponenty prawie zawsze biorą udział w przenoszeniu ciepła; jednak w wielu przypadkach możliwe jest uzyskanie wyników o akceptowalnej dokładności poprzez pomiar tylko jednego składnika.

Pomiar Przepływ ciepła z przewodnością cieplną

Przenikanie ciepła przez ściany przewodzące ciepło ma ogromne znaczenie w wielu dziedzinach techniki (wymienniki wszelkiego rodzaju, izolacje termiczne itp.). Jednocześnie interesująca jest nie tyle bieżąca kontrola wielkości produkcji, ile wyniki pojedynczych pomiarów służących do oceny obciążenia, weryfikacji spełnienia gwarantowanych wskaźników i wydajności.

Zgodnie z prawami stacjonarnego przewodzenia ciepła, strumień ciepła określają następujące wzory (J/s):

Ponieważ przewodność cieplna ściany [J/(m*s*K)] i jej wymiary geometryczne są znane, pomiar strumienia ciepła sprowadza się do pomiaru różnicy temperatur. Technika ta wymaga jednak bardzo dokładnego określenia temperatury powierzchni. Błędy związane ze zmianami warunków wymiany ciepła podczas instalowania elementów wrażliwych na temperaturę na powierzchniach mogą być dość duże. Dlatego dla dokładniejszych pomiarów zalecane są poniższe metody, w których jednocześnie wykorzystuje się zarówno przewodność cieplną, jak i wymianę ciepła.

Pomiar przepływów ciepła w wymianie ciepła (wymiana ciepła połączona z przewodnictwem ciepła)

Dla płaskiej ściany, o której mowa w poprzednim rozdziale, obowiązuje następujące prawo przenikania ciepła (J/s):

,

gdzie we współczynniku przenikania ciepła k 1J/(m2*s*K)], wraz ze współczynnikiem przenikania ciepła [J/Dm*s*K)], współczynniki przenikania ciepła i [J/(m2*s*K) ] z obu stron ściany są również brane pod uwagę.

Na płaskiej ścianie, przez którą przechodzi zmierzony strumień ciepła, umieszcza się małą cienką płytkę, której temperaturę powierzchni określają wbudowane termopary cienkowarstwowe. Zaletą pomiaru w ten sposób jest to, że nie jest wymagana znajomość właściwości termicznych ściany, a odpowiednie właściwości płyty można zredukować do jednej stałej wartości podczas kalibracji. Takie wrażliwe elementy mają wymiary około 30x30x0,5 mm; zakres pomiarowy obejmuje strumienie ciepła od 10 do 100 000 W/m2; błąd wynosi 2-5%.

Rysunek Zasada działania miernika strumienia ciepła.

Wraz z udoskonaleniem tej metody pomiaru, zamiast nałożonej płyty stosuje się maty gumowe. Przyklejając je do niepłaskich powierzchni lub owijając wokół zakrzywionej powierzchni, można określić przenoszenie ciepła z powierzchni o stosunkowo dużej powierzchni, np. z rury, naczynia itp. Termopary są wbudowane w obie powierzchnie matę tak, aby ich połączenia ciepłe i zimne były dokładnie względem siebie (rys. 6). I w tym przypadku gęstość strumienia ciepła zgodnie z kalibracją jest proporcjonalna do różnicy temperatur. Jednak zastosowane maty nieco zakłócają początkowy transfer ciepła, co staje się zauważalne przy dokładnych pomiarach. Dlatego ta metoda pomiaru służy głównie do wyznaczania stałych termodynamicznych substancji, gdy naruszenie przepływu ciepła nie wpływa na wynik pomiaru.

Pomiar przepływów ciepła w obecnych środowiskach.

Znaczna część energii cieplnej jest przekazywana przez media płynne lub gazowe (woda, para itp.) poruszające się w zamkniętej sieci rurociągów. Jednak w porównaniu z przesyłaniem energii elektrycznej przewodem, odległość, na jaką może być przesyłana energia cieplna, jest ograniczona. Do badań termotechnicznych wszystkich typów systemów grzewczych i chłodniczych niezbędny jest pomiar wydzielania i zużycia ciepła.

Strumień ciepła F (J/s), przenoszony przez przepływ czynnika - nośnika ciepła (kg/s) przez odcinek regulacyjny o powierzchni A (m2) w określonej strefie, dla której sporządzany jest bilans ciepła (w strefa procesu, rys. 7), jest równa

Ilość ciepła uwolnionego w przedziale czasu t2 - t1 jest określana jako całka (J):

gdzie jest różnicą w zawartości ciepła (entalpie, J/kg) chłodziwa na wlocie (wskaźnik e) i na wylocie (wskaźnik a) strefy bilansu cieplnego.

Ponieważ w ogólnym przypadku wartość entalpii jest interesująca tylko w porównaniu z pewnym poziomem, na przykład z entalpią w temperaturze otoczenia, wszystkie pomiary strumieni ciepła są zasadniczo pomiarami różnicowymi.

Poszczególne entalpie zawarte w ogólnym równaniu można wyrazić w postaci odpowiednich temperatur i właściwych pojemności cieplnych;

Tym samym pomiar przepływu ciepła sprowadza się bezpośrednio do pomiaru temperatury i masowego natężenia przepływu. W wielu przypadkach mierzy się nie masowy, ale objętościowy przepływ chłodziwa; w takim przypadku uzyskany wynik będzie się różnił tylko wartością gęstości chłodziwa р. Właściwe pojemności cieplne, ci, są same w sobie funkcjami temperatury. Jednak ze względu na wąski zakres pomiarowy wielu przyrządów można je zwykle uznać za wartości stałe bez znacznej utraty dokładności. Musi być znana właściwa pojemność cieplna. W przypadku cieczy równanie przepływu ciepła jest jeszcze bardziej uproszczone, ponieważ ich właściwe pojemności cieplne nie polegaj na nacisku:

, J/s.

We wszystkich tego typu równaniach konieczne jest uwzględnienie znaków wielkości w zależności od tego, czy ciepło jest dostarczane czy odprowadzane, czy proces jest endotermiczny czy egzotermiczny, czy występuje chłodzenie czy ogrzewanie.