O calor desempenha um papel importante na vida humana, inclusive no funcionamento de seu corpo. Parte da energia química contida nos alimentos é convertida em calor, devido ao qual a temperatura corporal é mantida próxima a 37

Até o final do século XVIII. o calor era considerado uma substância material, acreditando-se que a temperatura de um corpo é determinada pela quantidade de "líquido calórico" ou "calórico" contido nele. Mais tarde, B. Rumford, J. Joule e outros físicos da época, através de engenhosos experimentos e raciocínios, refutaram a teoria "calórica", provando que o calor não tem peso e pode ser obtido em qualquer quantidade simplesmente devido ao movimento mecânico. O calor em si não é uma substância - é apenas a energia do movimento de seus átomos ou moléculas. É a essa compreensão do calor que a física moderna adere. Veja também FÍSICA.

Neste artigo, veremos como o calor e a temperatura estão relacionados e como essas quantidades são medidas. O assunto de nossa discussão também serão as seguintes questões: a transferência de calor de uma parte do corpo para outra; transferência de calor no vácuo (espaço que não contém matéria); o papel do calor no mundo moderno.

Uma das formas mais comuns, mas também menos precisas, de estimar a temperatura é pelo toque. Ao tocar um objeto, julgamos se está quente ou frio, focando em nossos sentimentos. Claro que essas sensações dependem da temperatura do nosso corpo, o que nos leva ao conceito de equilíbrio térmico – um dos mais importantes na medição da temperatura.

Outro dispositivo cujo funcionamento é baseado na expansão térmica é o termômetro bimetálico mostrado na Fig.

A temperatura local é geralmente medida usando um termopar, que são dois fios de metais diferentes soldados em uma extremidade (Fig.

Outro efeito termoelétrico também é conhecido - a dependência da resistência de um material condutor da temperatura. Ele é a base da operação de termômetros de resistência elétrica, um dos quais é mostrado na Fig.

Pirômetros ópticos são usados ​​para medir a temperatura de corpos incandescentes que emitem luz visível. Em uma versão deste dispositivo, a luz emitida pelo corpo é comparada com a radiação de um filamento de lâmpada incandescente colocado no plano focal dos binóculos através do qual o corpo emissor é visto. A corrente elétrica que aquece o filamento da lâmpada é alterada até que uma comparação visual da luminescência do filamento e do corpo revele que o equilíbrio térmico foi estabelecido entre eles. A escala do dispositivo pode ser graduada diretamente em unidades de temperatura.

Os avanços técnicos nos últimos anos tornaram possível a criação de novos sensores de temperatura. Por exemplo, nos casos em que é necessária uma sensibilidade particularmente alta, um dispositivo semicondutor, o termistor, é usado em vez de um termopar ou termômetro de resistência convencional. Corantes e cristais líquidos que mudam seu estado de fase também são usados ​​como conversores térmicos, especialmente nos casos em que a temperatura da superfície do corpo varia em uma ampla faixa. Por fim, utiliza-se a termografia infravermelha, na qual é obtida uma imagem infravermelha de um objeto em cores condicionais, onde cada cor corresponde a uma determinada temperatura. Este método de medição de temperatura encontra a aplicação mais ampla - desde diagnósticos médicos até a verificação do isolamento térmico das salas. Veja também FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO; CRISTAL LÍQUIDO.

A quantidade de calor liberada durante uma reação química, como a combustão, pode ser medida colocando uma pequena "bomba" no calorímetro. A "bomba" contém uma amostra, à qual são conectados os fios elétricos para ignição e a quantidade correspondente de oxigênio. Depois que a amostra queima completamente e o equilíbrio térmico é estabelecido, determina-se o quanto a temperatura da água no calorímetro aumentou e, portanto, a quantidade de calor liberada. Veja também CALORIMETRIA.

Assim, fica claro que a energia pode mudar de uma forma para outra e que tais transformações ocorrem constantemente na natureza e na tecnologia. Há mais de cem anos, J. Joule provou isso para o caso da conversão de energia mecânica em energia térmica usando o dispositivo mostrado na fig. 6, uma. Neste dispositivo, pesos descendentes e ascendentes giravam um eixo com lâminas em um calorímetro cheio de água, como resultado do aquecimento da água. Medições precisas permitiram a Joule determinar que uma caloria de calor é equivalente a 4,186 J de trabalho mecânico. O dispositivo mostrado na fig.

A primeira lei da termodinâmica explica muitos fenômenos comuns. Por exemplo, fica claro por que é impossível resfriar a cozinha com uma geladeira aberta. Vamos supor que temos isolado termicamente a cozinha do ambiente. A energia é fornecida continuamente ao sistema através do fio de alimentação do refrigerador, mas o sistema não emite energia. Assim, sua energia total aumenta e a cozinha fica mais quente: basta tocar nos tubos do trocador de calor (condensador) na parte de trás da geladeira e você entenderá sua inutilidade como dispositivo de "resfriamento". Mas se esses tubos fossem retirados do sistema (por exemplo, pela janela), a cozinha forneceria mais energia do que recebeu, ou seja, seria resfriado, e a geladeira funcionava como ar condicionado de janela.

A primeira lei da termodinâmica é uma lei da natureza que impede a criação ou destruição de energia. No entanto, não diz nada sobre como os processos de transferência de energia ocorrem na natureza. Assim, sabemos que um corpo quente aquecerá um corpo frio se esses corpos forem postos em contato. Mas pode um corpo frio por si só transferir sua reserva de calor para um corpo quente? Última oportunidade categoricamente rejeitado pela segunda lei da termodinâmica.

A primeira lei também exclui a possibilidade de criar um motor com coeficiente ação útil(eficiência) mais de 100% (semelhante

A tendência de converter trabalho "útil" em energia menos útil - calor - pode ser comparada com outro processo que ocorre quando dois recipientes contendo gases diferentes são conectados. Depois de esperar bastante, encontramos em ambos os vasos uma mistura homogênea de gases - a natureza funciona para que a ordem do sistema diminua. A medida termodinâmica dessa desordem é chamada entropia, e a segunda lei da termodinâmica pode ser formulada de maneira diferente: os processos na natureza sempre ocorrem de tal maneira que a entropia do sistema e de seu ambiente aumenta. Assim, a energia do Universo permanece constante, enquanto sua entropia cresce continuamente.

Com o aumento da temperatura, a intensidade do movimento caótico das moléculas aumenta - a maioria das substâncias se expande quando aquecida. O grau de expansão de uma substância com um aumento de temperatura de 1 K é chamado de coeficiente de expansão térmica.

Para que uma substância passe de um estado de fase para outro, por exemplo, de sólido para líquido (e às vezes imediatamente para gasoso), ela deve receber uma certa quantidade de calor. Se um corpo sólido for aquecido, sua temperatura aumentará até que comece a derreter; até que a fusão seja concluída, a temperatura do corpo permanecerá constante, apesar do fornecimento de calor. A quantidade de calor necessária para derreter uma unidade de massa de uma substância é chamada de calor de fusão. Se você continuar fornecendo calor, a substância derretida aquecerá até ferver. A quantidade de calor necessária para vaporizar uma unidade de massa de um líquido a uma dada temperatura é chamada de calor de vaporização.

Com base nessas ideias e usando uma abordagem estatística, Maxwell deduziu a distribuição das velocidades das moléculas de gás em um volume limitado, que mais tarde recebeu seu nome. Esta distribuição é apresentada graficamente na fig. 7 para uma dada massa de hidrogênio a temperaturas de 100 e 1000

Um grande número dessas moléculas de gás em movimento rápido atua com uma força completamente mensurável nos corpos circundantes. As forças microscópicas com as quais numerosas moléculas de gás atingem as paredes do vaso somam uma quantidade macroscópica chamada pressão. Quando a energia é fornecida a um gás (a temperatura aumenta), a energia cinética média de suas moléculas aumenta, as partículas de gás atingem as paredes com mais frequência e com mais força, a pressão aumenta e, se as paredes não forem completamente rígidas, elas se esticam e o gás volume aumenta. Assim, a abordagem estatística microscópica subjacente à teoria cinética molecular torna possível explicar o fenômeno de expansão térmica que discutimos.

Outro resultado da teoria da cinética molecular é uma lei que descreve as propriedades de um gás que satisfaz os requisitos listados acima. Esta é a chamada equação de estado gás ideal conecta a pressão, volume e temperatura de um mol de gás e tem a forma de igualdade

Existem três tipos principais de transferência de calor: condução, convecção e transferência de calor radiante.

A intensidade da transferência de calor devido à condutividade térmica depende do gradiente de temperatura, ou seja, relações

Decorre da lei de Fourier que o fluxo de calor pode ser reduzido reduzindo uma das quantidades - o coeficiente de condutividade térmica, área ou gradiente de temperatura. Para um edifício em condições de inverno, os últimos valores são praticamente constantes e, portanto, para manter a temperatura desejada na sala, resta reduzir a condutividade térmica das paredes, ou seja, melhorar o seu isolamento térmico.

A tabela mostra os coeficientes de condutividade térmica de algumas substâncias e materiais. A tabela mostra que alguns metais conduzem o calor muito melhor do que outros, mas todos eles são condutores de calor muito melhores do que o ar e os materiais porosos.

A resistência térmica e elétrica de muitas substâncias diminui drasticamente à medida que a temperatura cai abaixo da temperatura do hélio líquido (1,8 K). Esse fenômeno, chamado supercondutividade, é usado para melhorar a eficiência de muitos dispositivos, desde microeletrônicos a linhas de energia e grandes eletroímãs. Veja também SUPERCONDUTIVIDADE.

O fluxo de calor convectivo do aquecedor para o meio aquecido depende da velocidade inicial das moléculas, densidade, viscosidade, condutividade térmica e capacidade de calor e do meio; o tamanho e a forma do aquecedor também são muito importantes. A razão entre as quantidades correspondentes obedece à lei de Newton

Valor

Se um corpo aquecido (ou, inversamente, frio) é colocado em um meio estacionário ou em um fluxo, correntes convectivas e uma camada limite são formadas ao seu redor. A temperatura, pressão e velocidade das moléculas nesta camada desempenham um papel importante na determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção.

A convecção deve ser considerada no projeto de trocadores de calor, sistemas de ar condicionado, aeronaves de alta velocidade e muitas outras aplicações. Em todos esses sistemas, a condução de calor ocorre simultaneamente com a convecção, tanto entre sólidos quanto em seu ambiente. No temperaturas elevadas A transferência de calor radiante também pode desempenhar um papel significativo.

Na fig. 8 mostra a dependência da energia da radiação térmica (infravermelha) no comprimento de onda. A radiação térmica pode ser acompanhada pela emissão de luz visível, mas sua energia é pequena em comparação com a energia de radiação da parte invisível do espectro.

A intensidade da transferência de calor por condução e convecção de calor é proporcional à temperatura, e o fluxo de calor radiante é proporcional à quarta potência da temperatura e obedece à lei de Stefan-Boltzmann

Os espaços residenciais e de escritórios são frequentemente aquecidos com pequenos emissores elétricos de calor; o brilho avermelhado de suas espirais é a radiação térmica visível, próxima à borda da parte infravermelha do espectro. A sala é aquecida pelo calor, que é transportado principalmente pela parte invisível e infravermelha da radiação. Em dispositivos de visão noturna

O Sol é um poderoso emissor de energia térmica; aquece a Terra mesmo a uma distância de 150 milhões de km. A intensidade da radiação solar, registrada ano após ano por estações localizadas em várias partes do globo, é de aproximadamente 1,37 W

A transferência de calor (devido à condutividade térmica) do núcleo fundido da Terra para sua superfície leva a erupções vulcânicas e ao aparecimento de gêiseres. Em algumas regiões, a energia geotérmica é usada para aquecimento de ambientes e geração de energia.

O calor é um participante indispensável em quase todos os processos de produção. Mencionaremos os mais importantes, como a fundição e processamento de metais, o funcionamento de motores, a produção de alimentos, a síntese química, o refino de petróleo, a fabricação de uma grande variedade de itens - de tijolos e louças a carros e aparelhos eletrônicos .

Muitas produções industriais e de transporte, assim como usinas termelétricas, não poderiam funcionar sem motores térmicos - dispositivos que convertem calor em trabalho útil. Exemplos de tais máquinas são compressores, turbinas, vapor, gasolina e motores a jato.

Uma das máquinas térmicas mais famosas é a turbina a vapor, que implementa parte do ciclo Rankine usado em usinas modernas. Um diagrama simplificado deste ciclo é mostrado na fig. 9. O fluido de trabalho - água - é convertido em vapor superaquecido em uma caldeira a vapor aquecida pela queima de combustíveis fósseis (carvão, petróleo ou gás natural). Vapor alta pressão gira o eixo de uma turbina a vapor, que aciona um gerador que gera eletricidade. O vapor de exaustão condensa quando resfriado por água corrente, que absorve parte do calor não utilizado no ciclo Rankine. Em seguida, a água é alimentada na torre de resfriamento (torre de resfriamento), de onde parte do calor é liberado para a atmosfera. O condensado é bombeado de volta para a caldeira de vapor e todo o ciclo é repetido.

Todos os processos do ciclo Rankine ilustram os princípios da termodinâmica descritos acima. Em particular, de acordo com a segunda lei, parte da energia consumida pela usina deve ser dissipada no ambiente na forma de calor. Acontece que cerca de 68% da energia originalmente contida nos combustíveis fósseis é perdida dessa maneira. Um aumento notável na eficiência da usina poderia ser alcançado apenas aumentando a temperatura da caldeira a vapor (que é limitada pela resistência ao calor dos materiais) ou diminuindo a temperatura do meio onde o calor vai, ou seja, atmosfera.

Outro ciclo termodinâmico com grande importância na nossa Vida cotidiana, é o ciclo de refrigeração de compressor de vapor Rankin, cujo esquema é mostrado na fig. 10. Em refrigeradores e aparelhos de ar condicionado domésticos, a energia é fornecida de fora para fornecê-la. O compressor aumenta a temperatura e a pressão da substância de trabalho do refrigerador - freon, amônia ou dióxido de carbono. O gás superaquecido é alimentado no condensador, onde é resfriado e condensado, liberando calor para o ambiente. O líquido que sai dos bicos do condensador passa pela válvula de estrangulamento para o evaporador e parte dele evapora, o que é acompanhado por uma queda acentuada da temperatura. O evaporador retira calor da câmara frigorífica, que aquece o fluido de trabalho nos bicos; este líquido é fornecido pelo compressor ao condensador, e o ciclo se repete novamente.

O ciclo de refrigeração mostrado na fig. 10 também pode ser usado em uma bomba de calor. Essas bombas de calor no verão emitem calor para o ar atmosférico quente e condicionam a sala, e no inverno, pelo contrário, retiram calor do ar frio e aquecem a sala.

As reações nucleares são uma importante fonte de calor para fins como geração de energia e transporte. Em 1905, A. Einstein mostrou que massa e energia estão relacionadas pela relação

Calorímetros líquidos

Este tipo de calorímetro, o mais utilizado em tecnologia, tem um design simples e fácil manutenção. A quantidade de calor produzida por uma reação induzida externamente é primeiro transferida para o recipiente de reação (no qual a reação ocorreu) e depois para o banho líquido. O líquido no banho é agitado continuamente por meio de um impulsor, um parafuso de elevação ou bombas, que aceleram a equalização das temperaturas. O banho é isolado termicamente (blindado) do ambiente tanto quanto possível. A mudança de temperatura do banho líquido é uma medida da quantidade de calor detectada. A capacidade calorífica das massas a serem aquecidas não deve ser muito alta para garantir uma mudança de temperatura suficiente e para que o processo de medição não dure muito (devido ao aumento das perdas de calor).

Figura Dispositivo de um calorímetro líquido.

Com altas demandas na constância das condições ambientais, é possível colocar todo o calorímetro em outro banho e estabilizar a temperatura nele com alta precisão usando uma malha de controle. Isso é necessário em primeiro lugar nos casos em que é necessário realizar um experimento em temperaturas que diferem significativamente da temperatura ambiente.

Para análise em baixas temperaturas (até cerca de -150°C), o nitrogênio líquido é usado como meio de resfriamento. Nesse caso, é necessário atentar para o fato de que, ao trocá-los, a geada do ar úmido ao redor não precipita nas amostras ou nos recipientes de amostra, pois sua camada pode afetar o processo de medição. Para evitar isso, quando o calorímetro está aberto, a amostra e o recipiente de amostra são purgados com gás nitrogênio frio.

Calorímetros de corpo metálico

Figura Esquema do dispositivo de um calorímetro de metal.

Se for necessário realizar estudos calorimétricos em uma faixa de temperatura mais ampla, os calorímetros líquidos não são mais adequados. Nos calorímetros de corpo metálico adequados para este fim, a quantidade de calor transferida é absorvida por um bloco de metal (prata, cobre, alumínio) que geralmente está à temperatura ambiente. Tal calorímetro destina-se principalmente a determinar a capacidade de calor específico c, J / (kg * K), substâncias líquidas e sólidas.

A amostra é primeiro resfriada fora do calorímetro em planta de refrigeração ou aquecido em uma fornalha e, depois de atingir um estado estável, abaixado (caído) em um buraco em um bloco de metal. De acordo com o método de operação, esse dispositivo é chamado de calorímetro de queda livre e, de acordo com a natureza dos processos termodinâmicos, às vezes é chamado de calorímetro de deslocamento.

A quantidade de calor transferida durante esta mistura da amostra (com parâmetros m1, c1, ) para o bloco de metal (m2, c2, ) causa uma mudança mensurável na temperatura do bloco. Isso torna possível determinar o valor geralmente desconhecido da capacidade calorífica específica da amostra para condições ideais(na ausência de troca de calor com o ambiente) da expressão:

O próprio bloco de metal está localizado em um recipiente Dewar evacuado e, às vezes, em um banho líquido. Neste último caso, para obter a capacidade calorífica do calorímetro Ck, a capacidade calorífica do banho Cw deve ser somada à capacidade calorífica do bloco metálico C2:

CK=C2+CW=c2m2+cWmW.

MÉTODOS CALORIMÉTRICOS DE MEDIÇÃO

Na maioria das vezes, os calorímetros são usados ​​​​no modo de condições ambientais constantes. Isso se aplica principalmente à maioria dos calorímetros de combustão, nos quais o tempo de reação é muito curto. Enquanto a temperatura das partes internas do calorímetro muda devido à reação, a temperatura do ar ambiente permanece constante. Em muitos casos, um banho com temperatura controlada é usado como ambiente para evitar influência no valor medido de interferência externa - flutuações de temperatura na sala, radiação, correntes de ar, etc.

A vantagem deste esquema de medição é o custo relativamente baixo do equipamento, que pode ser usado para realizar a parte predominante das medições calorimétricas. A principal desvantagem deve ser considerada a troca de calor do calorímetro com o ambiente, o que dificulta a interpretação dos resultados. Este método de medição é sempre chamado de isoperibol (diatérmico). Em qualquer caso, não pode ser chamado de isotérmico, cuja essência reside no fato de que a temperatura do calorímetro permanece constante durante o curso da reação, como, por exemplo, calorímetros projetados para medir transformações de fase.

método adiabático

Se for possível excluir a troca de calor com o ambiente, ou seja, para garantir o fluxo adiabático do processo, o experimento e a interpretação dos resultados são simplificados e o resultado da medição é mais preciso, pois não há necessidade de registro contínuo a mudança de temperatura e calcular as correções. Além disso, neste caso, um aumento de temperatura um pouco maior no recipiente do calorímetro pode ser tolerado; para dispositivos não adiabáticos, isso é inaceitável devido a um aumento nas perdas de calor.

Para evitar a troca de calor entre o recipiente do calorímetro e seu entorno imediato (geralmente o banho líquido), a temperatura do banho deve ser constantemente corrigida de acordo com as mudanças de temperatura dentro do recipiente. Com a ajuda de um controlador eletrônico (circuito de rastreamento) é possível manter constantemente a diferença dessas temperaturas praticamente igual a zero. Isso aumenta o custo do equipamento de medição, dependendo da precisão de medição necessária.

Os elementos de hardware devem ser rápidos e estáveis ​​por um longo tempo (ter desvio mínimo). A zona morta do circuito de controle de rastreamento deve estar na faixa de ±10-3 a ±10-5 K. Como dispositivos de medição, podem ser usados ​​quaisquer termômetros de contato elétrico de resposta rápida, que, quando incluídos no circuito de ponte, fornecem um impulso ao controlador para alterar a potência de aquecimento. O aquecimento é realizado por meio de uma bobina de resistência elétrica ou diretamente em um banho líquido, que atua como um resistor de aquecimento devido à dissociação fraca (o chamado aquecimento eletrolítico). Este segundo método é praticamente inercial. O resultado pode ser obtido usando meios já existentes para medição de temperatura elétrica ou usando um termômetro de líquido instalado adicionalmente (Beckmann).

O método de medição adiabático é adequado para estudar principalmente processos lentos e efeitos térmicos. Com mudanças rápidas na quantidade de calor (nos calorímetros de combustão), a inércia da equalização da temperatura tem um efeito tão desfavorável que nem mesmo a precisão dos métodos convencionais não adiabáticos é alcançada. No entanto, ao fornecer uma baixa capacidade calorífica dos elementos de aquecimento e sensores de temperatura e pela mistura intensiva do líquido do banho, é possível obter pequenos valores de várias constantes de tempo (reduzir a inércia).

Método de compensação

Usando calorímetros diferenciais ou duplos baseados no princípio de compensação, é possível eliminar amplamente as influências externas no processo de medição. Dois recipientes calorimétricos idênticos com acessórios idênticos são colocados em um ambiente sob as mesmas condições. Em um vaso ocorre o processo em estudo com efeito térmico, e o outro vaso é aquecido com auxílio de um sistema de servocontrole de forma que a perda de calor para o ambiente para ambos os vasos seja a mesma. Portanto, a potência de aquecimento de entrada pode ser colocada em proporção direta com a quantidade de calor liberada durante o processo em estudo. Neste caso, a tarefa experimental de medição vai para outra área e se reduz a uma determinação muito precisa da potência de aquecimento elétrica fornecida (W * s, J):

O calorímetro diferencial é usado, em particular, sob condições ambientais adiabáticas, especialmente quando mudanças muito pequenas ou muito lentas na quantidade de calor são esperadas. Nos processos endotérmicos, basta ter um vaso calorimétrico. A entrada de calor é controlada de tal forma que a temperatura no recipiente permanece a mesma o tempo todo (método isotérmico). A desvantagem dos calorímetros diferenciais é o alto custo dos equipamentos e instrumentos de medição.

CALORÍMETROS DE COMBUSTÃO

O combustível utilizado nas instalações de aquecimento e energia é examinado para determinar o seu poder calorífico H (J/kg). Este indicador é necessário para determinar os fatores de eficiência, estudar a eficiência e calcular a energia consumida em várias instalações, bem como para o controle ideal do processo de combustão. Flutuações significativas na composição de componentes combustíveis muitas vezes exigem a determinação contínua do poder calorífico.

Quando uma substância é completamente queimada, uma certa quantidade de calor Q (calor de combustão) é liberada. Se dividirmos pela massa m (ou pelo volume em condições normais Vn), obtemos o calor (específico) de combustão:

Dependendo do estado dos produtos de combustão, distinguem-se dois tipos de poder calorífico: H0 mais alto e H mais baixo, que também são chamados de calor de combustão e poder calorífico. Ao determinar o poder calorífico líquido do Ni, a água formada durante reações químicas deve estar em estado de vapor. A diferença entre os dois calores H0 - Ni corresponde ao calor de vaporização da água condensada (índice KO - condensado) r, que é igual a 2,441 MJ/kg.

Para combustíveis sólidos e líquidos, a quantidade de água resultante pode ser determinada com base na análise elementar e, ao queimar combustíveis gasosos, medindo a quantidade de condensado.

Em fornos industriais, a temperatura dos produtos de combustão sempre excede o ponto de ebulição da água. Portanto, apenas o poder calorífico líquido Ni costuma ser de interesse, uma vez que o calor de condensação da água não pode ser utilizado.

Calorímetros de Combustão para Sólidos e Líquidos

Para processos de combustão rápida, foi desenvolvida uma forma especial de calorímetro líquido - a chamada bomba calorimétrica de Berthelot (Fig. 3).

Figura O dispositivo de uma bomba calorimétrica.

A combustão de uma quantidade pequena e precisamente medida de uma substância ocorre a um volume constante em uma bomba selada em uma atmosfera do oxigênio mais puro possível a uma pressão de ~30 atm (3 MPa). A bomba cheia é colocada no banho líquido do calorímetro, que absorve o calor liberado da combustão.

Sólidos geralmente prensados ​​em pequenos briquetes (comprimidos) e pesados ​​com muita precisão. Aconselha-se misturar substâncias pouco ardidas com líquidos de boa combustão com um calor de combustão conhecido (por exemplo, ácido benzóico). As substâncias líquidas são colocadas em copos (barcos) de platina ou quartzo ou em pequenas cápsulas plásticas. Na tampa, aparafusada ao corpo da bomba, estão todos os dispositivos necessários à pesquisa: válvulas para fornecimento de oxigênio e remoção de produtos da combustão, porta-amostras e um acendedor elétrico. A ignição é realizada fornecendo eletricidade a um fio de platina fino. O calor fornecido para a ignição deve ser medido com precisão para que possa ser levado em consideração ao decifrar os resultados do experimento. Em uma bomba calorimétrica, o maior poder calorífico H0 é determinado. Durante a verificação, o equivalente térmico do calorímetro Ck é determinado queimando uma substância de referência (por exemplo, ácido benzóico) ou usando um dispositivo de aquecimento elétrico.

Calorímetro de combustão para substâncias gasosas

Para determinar o calor de combustão de meios gasosos, existem vários métodos. Todos eles, ao contrário da bomba calorimétrica para substâncias sólidas e líquidas, são baseados em medição contínua. O princípio de medição utilizado é bastante simples. O gás de teste é continuamente queimado em um queimador a uma pressão constante. Todo o calor liberado durante a combustão é absorvido pelo fluxo do meio de resfriamento no trocador de calor (calorímetro úmido ou de troca de calor) ou pela mistura dos produtos da combustão com o fluxo de ar a uma taxa de fluxo conhecida (calorímetro seco ou de mistura). Normalmente determinar o valor calorífico líquido Hu. Para determinar o poder calorífico bruto H0, é necessário condensar o vapor de água (índice KO) contido nos gases de combustão. Conhecendo as vazões mássicas e a diferença de temperatura na entrada (índice e) e na saída (índice a) do calorímetro, é possível calcular o poder calorífico correspondente usando a equação do balanço térmico.

A preparação de gás necessária é basicamente a mesma em todos os calorímetros de gás. Antes da combustão, o gás (índice G) é primeiro limpo de impurezas mecânicas sólidas (no filtro) e umedecido (até saturação com umidade, 100%), e depois levado aos valores especificados de pressão preliminar (usando um redutor de pressão válvula) e temperatura do meio de refrigeração (índice K) . O ar necessário para a combustão (índice L) também é umidificado e levado à temperatura do meio de resfriamento.

Dependendo da precisão necessária e dos custos de instrumentação permitidos, algumas dessas condições podem não ser atendidas. Os calorímetros devem ser verificados com um gás de referência (por exemplo, hidrogênio) para determinar o desvio da equação para o estado ideal do calorímetro. Para um calorímetro de troca de calor (úmido), a equação acima tem a forma

onde e são as vazões mássicas do meio de resfriamento e combustível, kg/s; sk - capacidade de calor específico do meio de resfriamento, J / (kg * K); - aumento da temperatura do meio de resfriamento, K.

Figura Dispositivo de calorímetros úmido (a) e seco (b) para combustível gasoso.

O aumento de temperatura é tipicamente de 5 a 15 K. Devido à grande massa térmica, os calorímetros de transferência de calor têm uma constante de tempo muito longa, que pode chegar a vários minutos. Portanto, eles são menos adequados para uso em um circuito fechado de controle como sensor do que calorímetros secos (de mistura), cuja constante de tempo é de apenas alguns segundos. Por outro lado, a precisão alcançável dos calorímetros de troca de calor é comparativamente alta. Seu erro não excede ±0,25-1%, então eles também podem ser usados ​​para trabalho de laboratório e para verificação. Os calorímetros secos (mistura) têm um erro de ±1 a ±2% do limite superior da faixa de medição.

Versões de projeto de calorímetros de vários fabricantes diferem principalmente em dispositivos auxiliares e de segurança, elementos sensores e circuitos computacionais que fornecem compensação de erros. Assim, nos calorímetros de troca de calor, a relação entre as vazões do gás e do meio de resfriamento é mantida de várias maneiras (veja a equação do calorímetro acima), devido à qual o maior poder calorífico H0 depende diretamente apenas do aumento da temperatura.

Nos calorímetros secos, o aumento da temperatura é medido diretamente usando termômetros de contato elétrico ou indiretamente usando um sensor dilatométrico - um tubo em expansão localizado no fluxo de gás de exaustão. No calorímetro ADOS, o alongamento térmico do tubo do dilatômetro corresponde diretamente ao calor de combustão e pode ser convertido em qualquer sinal usando uma ligação e um medidor de comprimento. No calorímetro Reinecke, a extensão da haste é utilizada como sinal de medição em um circuito de controle que controla o fluxo de ar de resfriamento de tal forma que o aumento de sua temperatura permanece quase constante. Nesse caso, a malha de controle acaba sendo puramente proporcional, mas algum desvio residual é inevitável nela. Neste caso, o consumo de ar de refrigeração ou o alongamento do tubo dilatométrico (haste) são uma medida do poder calorífico determinado. Um pré-requisito para obter precisão suficiente em todos os calorímetros secos é uma boa mistura de ar de resfriamento e produtos de combustão.

MEDIÇÕES DE FLUXO DE CALOR

O calor como tipo de energia é transferido de três maneiras: através de um corpo sólido (condução térmica), meio líquido ou gasoso (convecção) e sem a participação da matéria (radiação). Na tecnologia, todos os três componentes estão quase sempre envolvidos na transferência de calor; no entanto, em muitos casos é possível obter resultados de precisão aceitável medindo apenas um componente.

Medição fluxo de calor com condutividade térmica

A transferência de calor através de paredes condutoras de calor é de grande importância em muitas áreas da tecnologia (trocadores de calor de todos os tipos, isolamento térmico, etc.). Ao mesmo tempo, não é tanto o controle atual das quantidades de produção que interessa, mas os resultados de medições únicas utilizadas para avaliar a carga, verificar o cumprimento de indicadores garantidos e eficiência.

De acordo com as leis da condução de calor estacionária, o fluxo de calor é determinado pelas seguintes fórmulas (J/s):

Como a condutividade térmica da parede [J/(m*s*K)] e suas dimensões geométricas são conhecidas, a medição do fluxo de calor é reduzida à medição da diferença de temperatura. No entanto, esta técnica requer uma determinação muito precisa das temperaturas da superfície. Os erros associados a mudanças nas condições de transferência de calor ao instalar elementos sensíveis à temperatura em superfícies podem ser bastante grandes. Portanto, para medições mais precisas, os métodos abaixo são recomendados, nos quais tanto a condutividade térmica quanto a transferência de calor são usadas simultaneamente.

Medição de fluxos de calor na transferência de calor (transferência de calor combinada com condução de calor)

Para a parede plana mencionada na seção anterior, a seguinte lei de transferência de calor (J/s) é válida:

,

onde o coeficiente de transferência de calor k 1J/(m2*s*K)] juntamente com a condutividade térmica [J/Dm*s*K)] também leva em consideração os coeficientes de transferência de calor e [J/(m2*s*K) ] de ambos os lados da parede.

Em uma parede plana através da qual o fluxo de calor medido passa, uma pequena placa fina é colocada, cuja temperatura da superfície é determinada por termopares de filme fino embutidos. A vantagem de medir desta forma é que não requer conhecimento das propriedades térmicas da parede, e as propriedades correspondentes da placa podem ser reduzidas a um único valor constante durante a calibração. Tais elementos sensíveis têm um tamanho de aproximadamente 30x30x0,5 mm; a faixa de medição abrange fluxos de calor de 10 a 100.000 W/m2; o erro é de 2-5%.

Figura O princípio de funcionamento do medidor de fluxo de calor.

Com o aprimoramento desse método de medição, são utilizados tapetes de borracha em vez de uma placa sobreposta. Colando-os em superfícies não planas ou envolvendo-os em torno de uma superfície curva, é possível determinar a transferência de calor de uma superfície de uma área relativamente grande, por exemplo, de um tubo, vaso, etc. a esteira para que suas junções quente e fria fiquem exatamente uma contra a outra (Fig. 6). E neste caso, a densidade do fluxo de calor de acordo com a calibração é proporcional à diferença de temperatura. No entanto, as esteiras aplicadas atrapalham um pouco a transferência de calor inicial, que se torna perceptível com medições precisas. Portanto, este método de medição é usado principalmente para determinar as constantes termodinâmicas de uma substância, quando a violação do fluxo de calor não afeta o resultado da medição.

Medição de fluxos de calor em ambientes atuais.

Uma parte significativa da energia térmica é transferida por meios líquidos ou gasosos (água, vapor, etc.) que se deslocam em uma rede de dutos fechada. No entanto, em comparação com a transmissão de energia elétrica por fio, a distância sobre a qual a energia térmica pode ser transmitida é limitada. Para estudos termotécnicos de todos os tipos de sistemas de aquecimento e refrigeração, é necessário medir a liberação e o consumo de calor.

O fluxo de calor F (J/s), transmitido pelo fluxo do meio - transportador de calor (kg/s) através da seção de controle com área A (m2) em uma determinada zona, para a qual o balanço de calor é compilado (no zona de processo, Fig. 7), é igual a

A quantidade de calor liberada durante o intervalo de tempo t2 - t1 é determinada como uma integral (J):

onde é a diferença no conteúdo de calor (entalpias, J/kg) do refrigerante na entrada (índice e) e na saída (índice a) da zona de equilíbrio térmico.

Como, no caso geral, o valor da entalpia é de interesse apenas em comparação com um certo nível, por exemplo, com entalpia à temperatura ambiente, todas as medições de fluxos de calor são essencialmente medições de diferenças.

As entalpias individuais incluídas na equação geral podem ser expressas em termos das temperaturas correspondentes e capacidades caloríficas específicas;

Assim, a medição do fluxo de calor é reduzida diretamente à medição de temperaturas e taxas de fluxo de massa. Em muitos casos, não é medida a massa, mas o fluxo de volume do refrigerante; neste caso, o resultado obtido diferirá apenas pelo valor da densidade do líquido refrigerante p. As capacidades caloríficas específicas, ci, são elas próprias funções da temperatura. No entanto, devido à estreita faixa de medição de muitos instrumentos, geralmente podem ser considerados valores constantes sem muita perda de precisão. A capacidade calorífica específica deve ser conhecida. Para líquidos, a equação do fluxo de calor é ainda mais simplificada, pois sua capacidades caloríficas específicas não dependem da pressão:

, J/s.

Em todas as equações deste tipo, é necessário levar em conta os sinais das quantidades dependendo se o calor é fornecido ou removido, se o processo é endotérmico ou exotérmico, se ocorre resfriamento ou aquecimento.