Căldura joacă un rol important în viața umană, inclusiv în funcționarea corpului său. O parte din energia chimică conținută în alimente este transformată în căldură, datorită căreia temperatura corpului se menține aproape de 37

Până la sfârșitul secolului al XVIII-lea. căldura era considerată o substanță materială, crezând că temperatura unui corp este determinată de cantitatea de „lichid caloric” sau „caloric” conținută în acesta. Mai târziu, B. Rumford, J. Joule și alți fizicieni ai vremii, prin experimente și raționamente ingenioase, au infirmat teoria „calorică”, demonstrând că căldura este lipsită de greutate și poate fi obținută în orice cantitate pur și simplu datorită mișcării mecanice. Căldura în sine nu este o substanță, este doar energia mișcării atomilor sau moleculelor sale. Este această înțelegere a căldurii la care aderă fizica modernă. Vezi si FIZICĂ.

În acest articol, ne vom uita la modul în care căldura și temperatura sunt legate și cum sunt măsurate aceste cantități. Subiectul discuției noastre vor fi și următoarele întrebări: transferul de căldură dintr-o parte a corpului în alta; transfer de căldură în vid (un spațiu care nu conține materie); rolul căldurii în lumea modernă.

Una dintre cele mai familiare, dar și cele mai puțin precise moduri de a evalua temperatura prin atingere. Atingând un obiect, judecăm dacă este cald sau rece, concentrându-ne pe sentimentele noastre. Desigur, aceste senzații depind de temperatura corpului nostru, ceea ce ne duce la conceptul de echilibru termic, unul dintre cele mai importante în măsurarea temperaturii.

Un alt dispozitiv a cărui funcționare se bazează pe dilatare termică este termometrul bimetal prezentat în fig.

Temperatura locală este de obicei măsurată folosind un termocuplu, care este format din două fire de metale diferite lipite la un capăt (Fig.

Este cunoscut și un alt efect termoelectric - dependența rezistenței unui material conductiv de temperatură. El stă la baza funcționării termometrelor cu rezistență electrică, dintre care unul este prezentat în Fig.

Pirometrele optice sunt folosite pentru a măsura temperatura corpurilor incandescente care emit lumină vizibilă. Într-o versiune a acestui dispozitiv, lumina emisă de corp este comparată cu radiația unui filament de lampă incandescentă plasat în planul focal al binoclului prin care este privit corpul emițător. Curentul electric care încălzește filamentul lămpii este schimbat până când o comparație vizuală a luminiscenței filamentului și a corpului arată că s-a stabilit un echilibru termic între ele. Scara dispozitivului poate fi gradată direct în unități de temperatură.

Progresele tehnice din ultimii ani au făcut posibilă crearea de noi senzori de temperatură. De exemplu, în cazurile în care este necesară o sensibilitate deosebit de mare, se folosește un dispozitiv semiconductor, termistorul, în locul unui termocuplu sau termometru de rezistență convențional. Coloranții și cristalele lichide care își schimbă starea de fază sunt, de asemenea, utilizați ca convertoare termice, mai ales în cazurile în care temperatura suprafeței corpului variază într-un interval larg. În cele din urmă, se folosește termografia în infraroșu, în care se obține o imagine în infraroșu a unui obiect în culori condiționate, unde fiecare culoare corespunde unei anumite temperaturi. Această metodă de măsurare a temperaturii găsește cea mai largă aplicație de la diagnosticarea medicală până la verificarea izolației termice a încăperilor. Vezi si FIZICA STĂRII SOLIDE; CRISTAL LICHID.

Cantitatea de căldură eliberată în timpul unei reacții chimice, cum ar fi arderea, poate fi măsurată prin plasarea unei mici „bombe” în calorimetru. „Bomba” conține o probă, la care sunt conectate firele electrice pentru aprindere și cantitatea corespunzătoare de oxigen. După ce proba se arde complet și se stabilește echilibrul termic, se determină cât de mult a crescut temperatura apei din calorimetru și, prin urmare, cantitatea de căldură eliberată. Vezi si CALOROMETRIE.

Deci, este clar că energia se poate schimba de la o formă la alta și că astfel de transformări au loc în mod constant în natură și tehnologie. În urmă cu mai bine de o sută de ani, J. Joule a demonstrat acest lucru pentru cazul conversiei energiei mecanice în energie termică folosind dispozitivul prezentat în fig. 6, A. În acest dispozitiv, greutățile în coborâre și în creștere au rotit un arbore cu lame într-un calorimetru umplut cu apă, în urma căruia apa a fost încălzită. Măsurătorile precise i-au permis lui Joule să determine că o calorie de căldură este echivalentă cu 4,186 J de lucru mecanic. Dispozitivul prezentat în fig.

Prima lege a termodinamicii explică multe fenomene comune. De exemplu, devine clar de ce este imposibil să răciți bucătăria cu un frigider deschis. Sa presupunem ca am izolat termic bucataria de mediu. Energia este furnizată în mod continuu sistemului prin cablul de alimentare al frigiderului, dar sistemul nu emite energie. Astfel, energia sa totală crește, iar bucătăria se încălzește: doar atingeți tuburile schimbătorului de căldură (condensator) de pe spatele frigiderului și veți înțelege inutilitatea acestuia ca dispozitiv de „răcire”. Dar dacă aceste țevi ar fi scoase din sistem (de exemplu, pe fereastră), atunci bucătăria ar da mai multă energie decât a primit, adică. ar fi răcit, iar frigiderul a funcționat ca un aparat de aer condiționat pentru fereastră.

Prima lege a termodinamicii este o lege a naturii care exclude crearea sau distrugerea energiei. Cu toate acestea, nu spune nimic despre modul în care procesele de transfer de energie decurg în natură. Astfel, știm că un corp fierbinte îl va încălzi pe unul rece dacă aceste corpuri sunt aduse în contact. Dar poate un corp rece să-și transfere singur rezerva de căldură către unul fierbinte? Ultima Ocazie respins categoric de a doua lege a termodinamicii.

Prima lege exclude și posibilitatea creării unui motor cu coeficient acțiune utilă(eficiență) mai mult de 100% (similar

Tendința de a transforma munca „utilă” în energie termică mai puțin utilă poate fi comparată cu un alt proces care apare atunci când două vase care conțin gaze diferite sunt conectate. După o așteptare suficientă, găsim în ambele vase un amestec omogen de gaze natura acționează în așa fel încât ordinea sistemului scade. Măsura termodinamică a acestei tulburări se numește entropie, iar cea de-a doua lege a termodinamicii poate fi formulată diferit: procesele din natură decurg întotdeauna în așa fel încât entropia sistemului și a mediului său să crească. Astfel, energia Universului rămâne constantă, în timp ce entropia sa este în continuă creștere.

Odată cu creșterea temperaturii, intensitatea mișcării haotice a moleculelor crește, majoritatea substanțelor se extind atunci când sunt încălzite. Gradul de dilatare al unei substanțe cu creșterea temperaturii cu 1 K se numește coeficient de dilatare termică.

Pentru ca o substanță să treacă dintr-o stare de fază în alta, de exemplu, de la solid la lichid (și uneori imediat la gazos), trebuie să primească o anumită cantitate de căldură. Dacă un corp solid este încălzit, temperatura acestuia va crește până când începe să se topească; până când topirea este completă, temperatura corpului va rămâne constantă, în ciuda furnizării de căldură. Cantitatea de căldură necesară pentru a topi o unitate de masă a unei substanțe se numește căldură de fuziune. Dacă continuați să furnizați căldură, atunci substanța topită se va încălzi până la fierbere. Cantitatea de căldură necesară pentru a vaporiza o unitate de masă a unui lichid la o anumită temperatură se numește căldură de vaporizare.

Pe baza acestor idei și folosind o abordare statistică, Maxwell a derivat distribuția vitezelor moleculelor de gaz într-un volum limitat, care ulterior a fost numit după el. Această distribuție este prezentată grafic în fig. 7 pentru o masă dată de hidrogen la temperaturi de 100 și 1000

Un număr mare de astfel de molecule de gaz care se mișcă rapid acționează cu o forță complet măsurabilă asupra corpurilor din jur. Forțele microscopice cu care numeroase molecule de gaz lovesc pereții vasului se adună la o cantitate macroscopică numită presiune. Când se furnizează energie unui gaz (crește temperatura), energia cinetică medie a moleculelor sale crește, particulele de gaz lovesc pereții mai des și mai puternic, presiunea crește, iar dacă pereții nu sunt complet rigizi, atunci se întind și volumul. a gazului crește. Astfel, abordarea statistică microscopică care stă la baza teoriei cinetice moleculare face posibilă explicarea fenomenului de dilatare termică despre care am discutat.

Un alt rezultat al teoriei cinetice moleculare este o lege care descrie proprietățile unui gaz care îndeplinește cerințele enumerate mai sus. Aceasta este așa-numita ecuație de stare gaz ideal leagă presiunea, volumul și temperatura unui mol de gaz și are forma de egalitate

Există trei tipuri principale de transfer de căldură: conducție, convecție și transfer de căldură radiantă.

Intensitatea transferului de căldură datorită conductivității termice depinde de gradientul de temperatură, adică. relaţii

Din legea Fourier rezultă că fluxul de căldură poate fi redus prin reducerea uneia dintre mărimile coeficientului de conductivitate termică, aria sau gradientul de temperatură. Pentru o clădire în condiții de iarnă, aceste din urmă valori sunt practic constante și, prin urmare, pentru a menține temperatura dorită în cameră, rămâne să reducem conductivitatea termică a pereților, adică. îmbunătățesc izolarea termică a acestora.

Tabelul prezintă coeficienții de conductivitate termică ai unor substanțe și materiale. Tabelul arată că unele metale conduc căldura mult mai bine decât altele, dar toate sunt conductoare de căldură mult mai bune decât aerul și materialele poroase.

Rezistența termică și electrică a multor substanțe scade brusc pe măsură ce temperatura scade sub temperatura heliului lichid (1,8 K). Acest fenomen, numit supraconductivitate, este folosit pentru a îmbunătăți eficiența multor dispozitive, de la dispozitive microelectronice până la linii de alimentare și electromagneți mari. Vezi si SUPERCONDUCTIVITATE.

Fluxul de căldură convectiv de la încălzitor către mediul încălzit depinde de viteza inițială a moleculelor, densitate, vâscozitate, conductivitate termică și capacitatea de căldură și de mediu; dimensiunea și forma încălzitorului sunt, de asemenea, foarte importante. Raportul dintre mărimile corespunzătoare respectă legea lui Newton

Valoare

Dacă un corp încălzit (sau, dimpotrivă, rece) este plasat într-un mediu staționar sau într-un flux, atunci se formează curenți convectivi și un strat limită în jurul lui. Temperatura, presiunea și viteza moleculelor din acest strat joacă un rol important în determinarea coeficientului de transfer de căldură convectiv.

Convecția trebuie luată în considerare la proiectarea schimbătoarelor de căldură, a sistemelor de aer condiționat, a aeronavelor de mare viteză și a multor alte aplicații. În toate astfel de sisteme, conducția căldurii are loc simultan cu convecția, atât între solide, cât și în mediul lor. La temperaturi ridicate Transferul de căldură radiantă poate juca, de asemenea, un rol semnificativ.

Pe fig. 8 arată dependența energiei radiației termice (infraroșii) de lungimea de undă. Radiația termică poate fi însoțită de emisia de lumină vizibilă, dar energia acesteia este mică în comparație cu energia de radiație a părții invizibile a spectrului.

Intensitatea transferului de căldură prin conducție și convecție a căldurii este proporțională cu temperatura, iar fluxul de căldură radiantă este proporțional cu puterea a patra a temperaturii și respectă legea lui Stefan Boltzmann.

Spațiile rezidențiale și de birouri sunt adesea încălzite cu emițătoare de căldură electrice mici; strălucirea roșiatică a spiralelor lor este radiația termică vizibilă aproape de marginea părții infraroșii a spectrului. Camera este încălzită de căldură, care este transportată în principal de partea invizibilă, în infraroșu, a radiației. În dispozitivele de vedere pe timp de noapte

Soarele este un emițător puternic de energie termică; încălzește Pământul chiar și la o distanță de 150 milioane km. Intensitatea radiației solare, înregistrată an de an de stații situate în multe părți ale globului, este de aproximativ 1,37 W.

Transferul de căldură (datorită conductivității termice) de la miezul topit al Pământului la suprafața acestuia duce la erupții vulcanice și la apariția gheizerelor. În unele regiuni, energia geotermală este utilizată pentru încălzirea spațiului și generarea de energie.

Căldura este un participant indispensabil în aproape toate procesele de producție. Vom aminti pe cele mai importante dintre ele, cum ar fi topirea și prelucrarea metalelor, funcționarea motoarelor, producția de produse alimentare, sinteza chimică, rafinarea petrolului, fabricarea unei varietăți de articole de la cărămizi și vase la mașini și electronice. dispozitive.

Multe producții industriale și transport, precum și centrale termice, nu ar putea funcționa fără motoare termice - dispozitive care transformă căldura în muncă utilă. Exemple de astfel de mașini sunt compresoarele, turbinele, motoarele cu abur, pe benzină și cu reacție.

Unul dintre cele mai cunoscute motoare termice este turbina cu abur, care implementează o parte din ciclul Rankine folosit în centralele moderne. O diagramă simplificată a acestui ciclu este prezentată în fig. 9. Apa fluidă de lucru este transformată în abur supraîncălzit într-un cazan cu abur încălzit prin arderea combustibililor fosili (cărbune, petrol sau gaz natural). Aburi presiune ridicata rotește axul unei turbine cu abur, care antrenează un generator care generează electricitate. Aburul de evacuare se condensează atunci când este răcit cu apă curentă, care absoarbe o parte din căldura neutilizată în ciclul Rankine. Apoi, apa este introdusă în turnul de răcire (turnul de răcire), de unde o parte din căldură este eliberată în atmosferă. Condensul este returnat în cazanul de abur cu ajutorul unei pompe, iar întregul ciclu se repetă.

Toate procesele din ciclul Rankine ilustrează principiile termodinamicii descrise mai sus. În special, conform celei de-a doua legi, o parte din energia consumată de centrală trebuie să fie disipată în mediu sub formă de căldură. Se dovedește că aproximativ 68% din energia conținută inițial de combustibilii fosili se pierde în acest fel. O creștere vizibilă a eficienței centralei ar putea fi realizată doar prin creșterea temperaturii cazanului de abur (care este limitată de rezistența la căldură a materialelor) sau prin scăderea temperaturii mediului în care se duce căldura, adică. atmosfera.

Un alt ciclu termodinamic având mare importanțăîn a noastră Viata de zi cu zi, este ciclul frigorific Rankin vapori-compresor, a cărui schemă este prezentată în fig. 10. În frigidere și aparate de aer condiționat de uz casnic, energia este furnizată din exterior pentru a o asigura. Compresorul crește temperatura și presiunea substanței de lucru din freonul frigiderului, amoniacul sau dioxidul de carbon. Gazul supraîncălzit este introdus în condensator, unde se răcește și se condensează, degajând căldură mediului. Lichidul care părăsește duzele condensatorului trece prin supapa de reglare în evaporator și o parte din acesta se evaporă, ceea ce este însoțit de o scădere bruscă a temperaturii. Evaporatorul preia căldură din camera frigiderului, care încălzește fluidul de lucru din duze; acest lichid este furnizat de compresor la condensator, iar ciclul se repetă din nou.

Ciclul de refrigerare prezentat în fig. 10 poate fi folosit și într-o pompă de căldură. Astfel de pompe de căldură vara degajă căldură aerului atmosferic cald și condiționează camera, iar iarna, dimpotrivă, preiau căldură din aerul rece și încălzesc camera.

Reacțiile nucleare sunt o sursă importantă de căldură pentru scopuri precum producerea și transportul de energie. În 1905, A. Einstein a arătat că masa și energia sunt legate prin relație

Calorimetre lichide

Acest tip de calorimetru, cel mai utilizat în tehnologie, este simplu ca design și ușor de întreținut. Cantitatea de căldură produsă de o reacție indusă extern este mai întâi transferată în vasul de reacție (în care a avut loc reacția) și apoi în baia de lichid. Lichidul din baie este agitat continuu cu ajutorul unui rotor, a unui surub de ridicare sau a unor pompe, care accelereaza egalizarea temperaturilor. Baia este pe cat posibil izolata termic (ecranata) fata de mediu. Modificarea temperaturii băii de lichid este o măsură a cantității de căldură detectată. Capacitatea termică a maselor de încălzit nu trebuie să fie prea mare pentru a asigura o modificare suficientă a temperaturii și pentru ca procesul de măsurare să nu dureze prea mult (datorită faptului că pierderile de căldură cresc).

Figura Dispozitivul unui calorimetru lichid.

Cu cerințe ridicate privind constanța condițiilor ambientale, este posibil să plasați întregul calorimetru într-o altă baie și să stabilizați temperatura în acesta cu o precizie ridicată folosind o buclă de control. Acest lucru este necesar în primul rând în cazurile în care este necesar să se efectueze un experiment la temperaturi care diferă semnificativ de temperatura ambiantă.

Pentru analize la temperaturi scăzute (până la aproximativ -150°C), azotul lichid este utilizat ca mediu de răcire. În acest caz, este necesar să se acorde atenție faptului că, atunci când le schimbați, înghețul din aerul umed din jur nu precipită pe probe sau pe vasele de probă, deoarece stratul său poate afecta procesul de măsurare. Pentru a evita acest lucru, atunci când calorimetrul este deschis, proba și recipientul de probă sunt purjate cu azot gazos rece.

Calorimetre cu corp metalic

Figura Schema dispozitivului unui calorimetru metalic.

Dacă este necesar să se efectueze studii calorimetrice într-un interval mai larg de temperatură, atunci calorimetrele lichide nu mai sunt potrivite. În calorimetrele cu corp metalic adecvate acestui scop, cantitatea de căldură transferată este preluată de un bloc metalic (argint, cupru, aluminiu) care se află de obicei la temperatura ambiantă. Un astfel de calorimetru este destinat în principal pentru determinarea capacității termice specifice c, J / (kg * K), substanțe lichide și solide.

Proba este mai întâi răcită în afara calorimetrului instalatie frigorifica sau încălzit într-un cuptor și, după ce a ajuns la starea de echilibru, coborât (scăpat) într-o gaură dintr-un bloc de metal. Conform metodei de funcționare, un astfel de dispozitiv este numit calorimetru cu cădere liberă și, în funcție de natura proceselor termodinamice din acesta, este uneori numit calorimetru cu deplasare.

Cantitatea de căldură transferată în timpul acestei amestecări de la probă (cu parametrii m1, c1, ) către blocul metalic (m2, c2, ) determină o modificare măsurabilă a temperaturii blocului. Acest lucru face posibilă determinarea valorii de obicei necunoscute a capacității termice specifice a probei pt conditii ideale(în absența schimbului de căldură cu mediul) din expresia:

Blocul metalic în sine este situat într-un vas Dewar evacuat și, uneori, într-o baie de lichid. În acest din urmă caz, pentru a obține capacitatea termică a calorimetrului Ck, la capacitatea termică a blocului metalic C2 trebuie adăugată capacitatea termică a băii Cw:

CK=C2+CW=c2m2+cWmW.

METODE CALOROMETRICE DE MĂSURARE

Cel mai adesea, calorimetrele sunt folosite în condiții de mediu constante. Acest lucru se aplică în primul rând la majoritatea calorimetrelor cu ardere, în care timpul de reacție este foarte scurt. În timp ce temperatura părților interne ale calorimetrului se modifică din cauza reacției, temperatura aerului ambiant rămâne constantă. În multe cazuri, o baie cu temperatură controlată este utilizat ca mediu pentru a evita influența asupra valorii măsurate a interferențelor externe - fluctuații de temperatură în încăpere, radiații, curenți etc.

Avantajul acestei scheme de măsurare este costul relativ scăzut al echipamentului, care poate fi utilizat pentru a efectua partea predominantă a măsurătorilor calorimetrice. Principalul dezavantaj ar trebui considerat schimbul de căldură al calorimetrului cu mediul înconjurător, ceea ce complică interpretarea rezultatelor. Această metodă de măsurare este întotdeauna numită izoperibol (diatermic). În orice caz, nu poate fi numit izotermă, a cărei esență constă în faptul că temperatura calorimetrului rămâne constantă în timpul reacției, cum ar fi, de exemplu, calorimetrele concepute pentru a măsura transformările de fază.

metoda adiabatică

Dacă este posibil să se excludă schimbul de căldură cu mediul, adică să se asigure cursul adiabatic al procesului, atunci experimentul și interpretarea rezultatelor sunt simplificate, iar rezultatul măsurării este mai precis, deoarece nu este nevoie să se înregistreze continuu. schimbările de temperatură și calculați corecțiile. În plus, în acest caz, poate fi tolerată o creștere ceva mai mare a temperaturii în vasul calorimetrului; pentru dispozitivele non-adiabatice, acest lucru este inacceptabil din cauza creșterii pierderilor de căldură.

Pentru a evita schimbul de căldură între vasul calorimetru și împrejurimile sale imediate (de obicei baia de lichid), temperatura băii trebuie corectată constant în funcție de schimbările de temperatură din interiorul vasului. Cu ajutorul unui controler electronic (circuit de urmărire) se poate menține constant diferența acestor temperaturi practic egală cu zero. Acest lucru crește costul echipamentului de măsurare în funcție de precizia de măsurare necesară.

Elementele hardware trebuie să fie rapide și stabile pentru o perioadă lungă de timp (au o derivă minimă). Zona moartă a buclei de control de urmărire ar trebui să fie în intervalul de la ±10-3 la ±10-5 K. Ca dispozitive de măsurare, puteți utiliza orice termometre cu contact electric cu răspuns rapid, care, atunci când sunt incluse în circuitul podului, oferă un impuls către controler pentru a schimba puterea de încălzire. Încălzirea se realizează fie prin intermediul unei bobine de rezistență electrică, fie direct într-o baie de lichid, care acționează ca o rezistență de încălzire datorită disocierii slabe (așa-numita încălzire electrolitică). Această a doua metodă este practic fără inerție. Rezultatul poate fi obținut folosind mijloace deja existente pentru măsurarea temperaturii electrice sau folosind un termometru pentru lichid instalat suplimentar (Beckmann).

Metoda de măsurare adiabatică este potrivită pentru studierea în principal a proceselor lente și a efectelor termice. Cu modificări rapide ale cantității de căldură (în calorimetrele cu ardere), inerția de egalizare a temperaturii are un efect atât de nefavorabil încât nici măcar acuratețea metodelor convenționale non-adiabatice nu este atinsă. Cu toate acestea, prin asigurarea unei capacități termice scăzute a elementelor de încălzire și a senzorilor de temperatură și prin amestecarea intensivă a lichidului de baie, este posibilă obținerea unor valori mici ale diferitelor constante de timp (reducerea inerției).

Metoda de compensare

Folosind calorimetre diferențiale sau duale bazate pe principiul compensării, este posibil să se elimine în mare măsură influențele externe asupra procesului de măsurare. Două vase calorimetrice identice cu accesorii identice sunt plasate într-un mediu în aceleași condiții. Într-un vas are loc procesul investigat cu efect termic, iar celălalt vas este încălzit cu ajutorul unui sistem de servocontrol în așa fel încât pierderea de căldură către mediu pentru ambele vase să fie aceeași. Prin urmare, puterea de încălzire de intrare poate fi pusă direct proporțional cu cantitatea de căldură eliberată în timpul procesului studiat. În acest caz, sarcina experimentală de măsurare merge într-o altă zonă și se reduce la o determinare foarte precisă a puterii electrice de încălzire furnizate (W * s, J):

Calorimetrul diferenţial este utilizat, în special, în condiţii ambientale adiabatice, în special atunci când sunt de aşteptat modificări foarte mici sau foarte lente ale cantităţii de căldură. În procesele endoterme, este suficient să existe un vas calorimetric. Aportul de căldură este controlat astfel încât temperatura din vas să rămână tot timpul aceeași (metoda izotermă). Dezavantajul calorimetrelor diferențiale este costul ridicat al echipamentelor și instrumentelor de măsură.

CALOROMETRE DE COMBUSTIE

Combustibilul utilizat în instalațiile de căldură și energie electrică este examinat pentru a se determina puterea calorică H (J/kg). Acest indicator este necesar pentru determinarea factorilor de eficiență, studiul eficienței și calculele pentru energia consumată în diverse instalații, precum și pentru controlul optim al procesului de ardere. Fluctuațiile semnificative ale compoziției componentelor combustibile necesită adesea determinarea continuă a puterii calorifice.

Când o substanță este complet arsă, se eliberează o anumită cantitate de căldură Q (căldura de ardere). Dacă o împărțim la masa m (sau la volumul în condiții normale Vn), obținem căldura (specifică) de ardere:

In functie de starea produselor de ardere se disting doua tipuri de putere calorica: H0 mai mare si H mai mica, care mai sunt numite si caldura de ardere si putere calorica. La determinarea puterii calorifice nete a Ni, apa s-a format în timpul reacții chimice trebuie să fie în stare de vapori. Diferența dintre ambele călduri H0 - Ni corespunde căldurii de vaporizare a apei condensate (indice KO - condensat) r, care este egală cu 2,441 MJ/kg.

Pentru combustibilii solizi și lichizi, cantitatea de apă rezultată poate fi determinată pe baza analizei elementare, iar la arderea combustibililor gazoși, prin măsurarea cantității de condens.

În cuptoarele industriale, temperatura produselor de ardere depășește întotdeauna punctul de fierbere al apei. Prin urmare, doar puterea calorică netă Ni prezintă de obicei interes, deoarece căldura de condensare a apei nu poate fi utilizată.

Calorimetre de ardere pentru solide și lichide

Pentru procesele de ardere rapidă, a fost dezvoltată o formă specială de calorimetru lichid - așa-numita bombă calorimetrică Berthelot (Fig. 3).

Figura Dispozitivul unei bombe calorimetrice.

Arderea unei cantități mici, măsurată cu precizie, de substanță are loc la un volum constant într-o bombă etanșă într-o atmosferă de oxigen cel mai pur posibil la o presiune de ~30 atm (3 MPa). Bomba umplută este plasată în baia de lichid a calorimetrului, care absoarbe căldura degajată de ardere.

Solide de obicei presate în brichete mici (tablete) și cântărite foarte precis. Este recomandabil să amestecați substanțe care arde slab cu lichide care arde bine cu o căldură de ardere cunoscută (de exemplu, acid benzoic). Substantele lichide se pun in pahare (barci) din platina sau cuart sau in capsule mici de plastic. Pe capac, fixat cu șuruburi pe corpul bombei, se află toate dispozitivele necesare cercetării: supape pentru alimentarea cu oxigen și îndepărtarea produselor de ardere, suporturi pentru mostre și un aprinzător electric. Aprinderea se realizează prin alimentarea cu energie electrică a unui fir subțire de platină. Căldura furnizată pentru aprindere trebuie măsurată cu precizie, astfel încât să poată fi luată în considerare la descifrarea rezultatelor experimentului. Într-o bombă calorimetrică, se determină cea mai mare putere calorică a lui H0. În timpul verificării, echivalentul termic al calorimetrului Ck se determină prin arderea unei substanțe de referință (de exemplu, acid benzoic) sau folosind un dispozitiv electric de încălzire.

Calorimetru de ardere pentru substanțe gazoase

Pentru a determina căldura de ardere a mediilor gazoase, există diferite metode. Toate acestea, spre deosebire de bomba calorimetrică pentru substanțe solide și lichide, se bazează pe măsurarea continuă. Principiul de măsurare folosit este destul de simplu. Gazul de testare este ars continuu într-un arzător la o presiune constantă. Toată căldura degajată în timpul arderii este absorbită fie de debitul mediului de răcire în schimbătorul de căldură (calorimetru umed sau schimbător de căldură), fie prin amestecarea produselor de ardere cu debitul de aer la un debit cunoscut (calorimetru uscat sau de amestec). De obicei se determină puterea calorică netă Hu. Pentru determinarea puterii calorifice brute H0 este necesara condensarea vaporilor de apa (indice KO) continuti in gazele de ardere. Cunoscând debitele masice și diferența de temperatură la intrarea (indicele e) și la ieșirea (indicele a) calorimetrului, este posibil să se calculeze puterea calorică corespunzătoare utilizând ecuația bilanţului termic.

Tratamentul necesar de gaz este practic același în toate calorimetrele cu gaz. Înainte de ardere, gazul (indicele G) este mai întâi curățat de impuritățile mecanice solide (în filtru) și umezit (până la saturație cu umiditate, 100%), apoi adus la valorile specificate ale presiunii preliminare (folosind o reducere a presiunii). supapă) și temperatura mediului de răcire (indice K) . Aerul necesar arderii (indice L) este de asemenea umidificat si adus la temperatura mediului de racire.

În funcție de acuratețea necesară și de costurile de instrumentare admise, unele dintre aceste condiții pot să nu fie îndeplinite. Calorimetrele trebuie verificate cu un gaz de referință (de exemplu, hidrogen) pentru a determina abaterea de la ecuația pentru starea ideală a calorimetrului. Pentru un calorimetru cu schimb de căldură (umed), ecuația de mai sus are forma

unde și sunt debitele masice ale mediului de răcire și ale combustibilului, kg/s; sk - capacitatea termică specifică a mediului de răcire, J / (kg * K); - creșterea temperaturii mediului de răcire, K.

Figura Dispozitiv de calorimetre umede (a) și uscate (b) pentru combustibil gazos.

Creșterea temperaturii este de obicei de 5-15 K. Datorită masei termice mari, calorimetrele cu transfer de căldură au o constantă de timp foarte lungă, care poate fi de până la câteva minute. Prin urmare, sunt mai puțin potrivite pentru utilizarea într-o buclă de control închisă ca senzor decât calorimetrele uscate (de amestecare), a căror constantă de timp este de doar câteva secunde. Pe de altă parte, precizia realizabilă a calorimetrelor cu schimb de căldură este relativ mare. Eroarea lor nu depășește ±0,25-1%, deci pot fi folosite și pentru lucrări de laborator și pentru verificare. Calorimetrele uscate (amestecare) au o eroare de ±1 până la ±2% din limita superioară a domeniului de măsurare.

Versiunile de proiectare ale calorimetrelor de la diverși producători diferă în primul rând prin dispozitive auxiliare și de siguranță, elemente de detectare și circuite de calcul care asigură compensarea erorilor. Astfel, în calorimetrele cu schimb de căldură, raportul dintre debitele de gaz și mediu de răcire este menținut în diverse moduri (vezi ecuația calorimetrului de mai sus), datorită căruia puterea calorică mai mare H0 depinde direct doar de creșterea temperaturii.

În calorimetrele uscate, creșterea temperaturii este măsurată fie direct cu ajutorul termometrelor electrice de contact, fie indirect folosind un senzor dilatometric, un tub de expansiune situat în fluxul de gaze de eșapament. În calorimetrul ADOS, alungirea termică a tubului dilatometru corespunde direct căldurii de ardere și poate fi convertită în orice semnal folosind o legătură și un indicator de lungime. În calorimetrul Reinecke, prelungirea tijei este utilizată ca semnal de măsurare într-un circuit de control care controlează fluxul de aer de răcire, astfel încât creșterea temperaturii acestuia să rămână aproape constantă. În acest caz, bucla de control se dovedește a fi pur proporțională, dar o abatere reziduală este inevitabilă în ea. În acest caz, consumul de aer de răcire sau alungirea tubului dilatometric (tijă) sunt o măsură a puterii calorice determinate. O condiție prealabilă pentru obținerea unei precizii suficiente în toate calorimetrele uscate este o bună amestecare a aerului de răcire și a produselor de ardere.

MĂSURĂTORI DE DEBIT DE CĂLDURĂ

Căldura ca tip de energie este transferată în trei moduri: printr-un corp solid (conducție termică), medii lichide sau gazoase (convecție) și fără participarea materiei (radiații). În tehnologie, toate cele trei componente sunt aproape întotdeauna implicate în transferul de căldură; cu toate acestea, în multe cazuri este posibil să se obțină rezultate cu o acuratețe acceptabilă prin măsurarea unei singure componente.

Măsurare flux de caldura cu conductivitate termică

Transferul de căldură prin pereții conductori de căldură are o importanță deosebită în multe domenii ale tehnologiei (schimbătoare de căldură de toate felurile, izolații termice etc.). În același timp, interesează nu atât controlul actual al cantităților de producție, cât rezultatele măsurătorilor unice utilizate pentru evaluarea încărcăturii, verificarea îndeplinirii indicatorilor garantați și a eficienței.

Conform legilor conducției staționare a căldurii, fluxul de căldură este determinat de următoarele formule (J/s):

Deoarece conductivitatea termică a peretelui [J/(m*s*K)] și dimensiunile sale geometrice sunt cunoscute, măsurarea fluxului de căldură se reduce la măsurarea diferenței de temperatură. Cu toate acestea, această tehnică necesită o determinare foarte precisă a temperaturilor de suprafață. Erorile asociate cu modificările condițiilor de transfer de căldură la instalarea elementelor sensibile la temperatură pe suprafețe pot fi destul de mari. Prin urmare, pentru măsurători mai precise, sunt recomandate metodele de mai jos, în care atât conductivitatea termică, cât și transferul de căldură sunt utilizate simultan.

Măsurarea fluxurilor de căldură în transferul de căldură (transferul de căldură combinat cu conducerea căldurii)

Pentru peretele plat menționat în secțiunea anterioară este valabilă următoarea lege a transferului de căldură (J/s):

,

unde în coeficientul de transfer de căldură k 1J/(m2*s*K)], împreună cu coeficientul de transfer de căldură [J/Dm*s*K)], coeficienții de transfer de căldură și [J/(m2*s*K) ] de ambele părți ale peretelui sunt de asemenea luate în considerare.

Pe un perete plat prin care trece fluxul de căldură măsurat, este plasată o placă mică subțire, a cărei temperatură de suprafață este determinată de termocupluri încorporate cu film subțire. Avantajul măsurării în acest mod este că nu necesită cunoașterea proprietăților termice ale peretelui, iar proprietățile corespunzătoare ale plăcii pot fi reduse la o singură valoare constantă în timpul calibrării. Astfel de elemente sensibile au o dimensiune de aproximativ 30x30x0,5 mm; domeniul de măsurare acoperă fluxuri de căldură de la 10 la 100.000 W/m2; eroarea este de 2-5%.

Figura Principiul de funcționare al contorului de flux termic.

Odată cu îmbunătățirea acestei metode de măsurare, se folosesc covorașe de cauciuc în locul unei plăci suprapuse. Lipindu-le pe suprafețe neplane sau înfășurându-le în jurul unei suprafețe curbe, este posibil să se determine transferul de căldură de la o suprafață de o suprafață relativ mare, de exemplu, dintr-o țeavă, vas etc. Termocuplurile sunt construite în ambele suprafețe ale covorașul astfel încât joncțiunile lor calde și reci să fie amplasate exact unul împotriva celuilalt (Fig. 6). Și în acest caz, densitatea fluxului de căldură în conformitate cu calibrarea este proporțională cu diferența de temperatură. Cu toate acestea, covorașele aplicate perturbă oarecum transferul inițial de căldură, care devine vizibil cu măsurători precise. Prin urmare, această metodă de măsurare este utilizată în principal pentru a determina constantele termodinamice ale unei substanțe, atunci când încălcarea fluxului de căldură nu afectează rezultatul măsurării.

Măsurarea fluxurilor de căldură în mediile actuale.

O parte semnificativă a energiei termice este transferată prin medii lichide sau gazoase (apă, abur etc.) care se deplasează într-o rețea de conducte închisă. Totuși, în comparație cu transmiterea energiei electrice prin fir, distanța pe care se poate transmite energia termică este limitată. Pentru studiile termotehnice ale tuturor tipurilor de sisteme de încălzire și refrigerare, este necesar să se măsoare degajarea și consumul de căldură.

Fluxul de căldură F (J/s), transmis de debitul agentului termic - purtător de căldură (kg/s) prin secțiunea de control cu ​​suprafața A (m2) într-o anumită zonă, pentru care se întocmește bilanțul termic (în zona de proces, Fig. 7), este egal cu

Cantitatea de căldură eliberată în intervalul de timp t2 - t1 este determinată ca o integrală (J):

unde este diferența de conținut de căldură (entalpii, J/kg) al lichidului de răcire la intrarea (indicele e) și la ieșirea (indicele a) din zona de echilibru termic.

Deoarece, în cazul general, valoarea entalpiei prezintă interes numai în comparație cu un anumit nivel, de exemplu, cu entalpia la temperatura ambiantă, toate măsurătorile fluxurilor de căldură sunt în esență măsurători ale diferențelor.

Entalpiile individuale incluse în ecuația generală pot fi exprimate în termeni de temperaturi corespunzătoare și capacități termice specifice;

Astfel, măsurarea fluxului de căldură se reduce direct la măsurarea temperaturilor și a debitelor masice. În multe cazuri, nu se măsoară masa, ci debitul volumic al lichidului de răcire; în acest caz, rezultatul obținut va diferi doar prin valoarea densității lichidului de răcire р. Capacitățile termice specifice, ci, sunt ele însele funcții ale temperaturii. Cu toate acestea, datorită gamei înguste de măsurare a multor instrumente, acestea pot fi considerate, de obicei, valori constante, fără pierderi mari de precizie. Capacitatea termică specifică trebuie cunoscută. Pentru lichide, ecuația fluxului de căldură este și mai simplificată, deoarece acestea capacitati termice specifice nu depinde de presiune:

, J/s.

În toate ecuațiile de acest fel, este necesar să se țină seama de semnele cantităților în funcție de faptul că căldura este furnizată sau îndepărtată, dacă procesul este endotermic sau exotermic, dacă are loc răcirea sau încălzirea.