Теплота обозначение: Удельная теплота сгорания топлива — урок. Физика, 8 класс.

Вещество

Удельная теплота сгорания,

МДж/кг

\(9,3\)

\(29,7\)

\(8,3\)

\(15,0\)

Каменный уголь

марки А-I

\(20,5\)

Каменный уголь

марки А-II

\(30,3\)

\(30,3\)

\(3,0\)

\(15,0\)

Вещество

Удельная теплота сгорания,

МДж/кг

\(46,0\)

\(42,0\)

\(43,0\)

\(40,0\)

\(27,0\)

Вещество

Удельная теплота сгорания,

МДж/м³

\(120,8\)

\(5,5\)

\(16,4\)

\(35,5\)

\(21,0\)

Термин

Буквенное обозначение

Определение

1. Тепловая труба

ТТ

D. Wärmerohre

E.Heat
pipe

Испарительно-конденсационное
герметично устройство с использованием капиллярных сил служащее для передачи
тепла и работающее по замкнутому циклу

2. Криогенная тепловая труба

ктт

D. Tieftemperatur-Wärmerohre

E.
Cryogenic heat pipe

Тепловая
труба, в которой температура пара при работе устройства ниже 200 К

3. Низкотемпературная
тепловая труба

нтт

D. Nidertemperatur-Wärmerohre

E.
Low-temperature heat pipe

Тепловая
труба, в которой температура пара при работе устройства изменяется от 200 до
550 К включительно

4. Тепловая труба среднетемпературного диапазона

стт

D. Mitteltemperatur-Wärmerohre

Тепловая
труба, в которой температура пара при работе устройства изменяется от 550 до
750 К включительно

5. Высокотемпературная
тепловая труба

втт

D. Hochtemperatur-Wärmerohre

Тепловая
труба, в которой температура пара при работе устройства выше 750 К

6. Регулируемая
тепловая труба

РТТ

Тепловая
труба, конструкция которой предусматривает возможность изменения ее
термического сопротивления

7.
Газорегулируемая тепловая труба ГРТТ

D. Gas
kontrolierte-Wärmerohre

E.
Non-condensable gas-controlled heat pipe

Регулируемая
тепловая труба, у которой стабилизация температуры части корпуса
обеспечивается наличием в ней неконденсирующегося газа

8. Диодная
тепловая труба

дтт

Е. Thermal
diode

Регулируемая
тепловая труба, передающая тепло только в одном направлении и прекращающая
работу при изменении направления теплового по тока

9. Корпус тепловой трубы

Герметичная
оболочка тепловой трубы, внутри которой находятся капиллярная структура и теп
доноситель

10. Испарительная зона тепловой трубы

D. Heizzone

E.
Evaporator

Часть
тепловой трубы, к которой подводится тепло и в которой происходят процессы испарения
и кипения теплоносителя

11. Конденсационная
зона тепловой трубы

D. Kühlzone

E.
Condenser

Часть
тепловой трубы, от которой отводится тепло и в которой происходит конденсация
паров теплоносителя

12. Транспортная
зона тепловой трубы

D. Transportzone

E.
Adiabatic section

Часть
тепловой трубы, служащая для транспортирования пара и жидкости между
испарительной и конденсационной зонами

13. Теплоноситель
тепловой трубы

D. Wärmeträger

E. Working
fluid

Движущаяся
среда внутри тепловой трубы, используемая для переноса тепла

14. Капиллярная
структура тепловой трубы

КС

D. Kapillarstruktur

E.Wick

Элемент
тепловой трубы, расположенный внутри корпуса и обеспечивающий циркуляцию тепло
носителя под действием капиллярных сил

15. Паровой канал тепловой трубы

Внутренняя
полость тепловой трубы, в которой пар перемещается от испарительной зоны к
конденсационной

16. Артерия тепловой трубы

D. Arterien

E. Artery

Элемент
капиллярной структуры в виде канала, предназначенный для перемещения
теплоносителя

17. Ориентация тепловой трубы

Е. Orientation
of heat pipe

j

Положение
тепловой трубы относительно поля массовых сил.

Примечание. Под
полем массовых сил подразумевается гравитационное поле, магнитное поле,
центробежные силы и т. д.

18. Положительная ориентация
тепловой трубы

+j

Ориентация
тепловой трубы, при которой перемещение теплоносителя от конденсационной зоны
к испарительной происходит с уменьшением его потенциальной энергии

19. Отрицательная ориентация
тепловой трубы

-j

Ориентация
тепловой трубы, при которой перемещение теплоносителя от конденсационной зоны
к испарительной происходит с увеличением его потенциальной энергии

20. Передаваемая мощность тепловой трубы

D. Leistung

E.
Heat load

Q

Значение
теплового потока, передаваемого тепловой трубой в заданных условиях без
нарушения циркуляции теплоносителя

21. Граница по кипению тепловой трубы

qк max

Значение
плотности теплового потока, при котором происходит нарушение работы тепловой трубы
в результате образования устойчивой паровой пленки в испарительной зоне при
кипении теплоносителя

22. Гидродинамическая граница
тепловой трубы

Qг max

Значение
теплового потока, при котором происходит нарушение работы тепловой трубы,
связанное с превышением суммарных потерь давления на трение максимального
движущего потенциала

23. Звуковая граница тепловой
трубы

Qз max

Значение
теплового потока, при котором происходит нарушение работы тепловой трубы, связанное
с достижением паром на выходе из испарительной зоны скорости, равной местной
скорости звука

24. Граница по взаимодействию
тепловой трубы

Qв max

Значение
теплового потока, при котором происходит нарушение работы тепловой трубы,
связанное с торможением и уносом жидкости из открытых пор капиллярной
структуры потоком пара

25. Термическое сопротивление тепловой трубы

Е. Thermal
resistance

Rг. г

Величина,
численно равная отношению разности между среднеповерхностными температурами
стенок испарительной и конденсационной зон к значению передаваемой мощности

Для использования в других целях, см Тепло (значения)

В физике тепло , обозначаемое Q , — это энергия, передаваемая от одного тела или системы к другому из-за разницы температур. ^{[1] [2]} В термодинамике величина TdS используется как репрезентативная мера тепла, которая представляет собой абсолютную температуру объекта, умноженную на дифференциальную величину энтропии системы, измеренную на границе объект. Тепло может самопроизвольно течь от объекта с высокой температурой к объекту с более низкой температурой. Однако передача тепла от объекта к другому объекту с такой же или более высокой температурой может происходить только с помощью теплового насоса. Высокотемпературные тела, которые часто приводят к высокой скорости теплопередачи, могут быть созданы химическими реакциями (такими как горение), ядерными реакциями (такими как синтез, происходящий внутри Солнца), электромагнитным рассеянием (как в электрических печах) или механическими. рассеивание (например, трение).Тепло может передаваться между объектами посредством излучения, теплопроводности и конвекции. Температура используется как мера внутренней энергии или энтальпии, то есть уровня элементарного движения, приводящего к передаче тепла. Тепло может передаваться только между объектами или областями внутри объекта с разной температурой (согласно нулевому закону термодинамики), а затем, при отсутствии работы, только в направлении более холодного тела (согласно второму закону термодинамики). закон термодинамики). Температура и фаза вещества, подлежащего теплопередаче, определяются скрытой теплотой и теплоемкостью.Связанный с этим термин — тепловая энергия, которая в общих чертах определяется как энергия тела, которая увеличивается с его температурой.

Дополнительные рекомендуемые знания

Обзор

Первый закон термодинамики гласит, что энергия замкнутой системы сохраняется. Следовательно, чтобы изменить энергию системы, энергия должна передаваться в систему или из нее.Тепло и работа — единственные два механизма, с помощью которых энергия может передаваться к контрольной массе или от нее. Тепло — это передача энергии, вызванная разницей температур. Единицей количества энергии, передаваемой теплом в Международной системе единиц СИ, является джоуль (Дж), хотя британская тепловая единица и калория все еще иногда используются в Соединенных Штатах. Единицей измерения скорости теплопередачи является ватт (Вт = Дж / с).

Теплопередача — это функция пути (величина процесса), в отличие от функции точки (количество состояния).Тепловые потоки между системами, которые не находятся в тепловом равновесии друг с другом; он самопроизвольно перетекает из областей с высокой температурой в области с низкой температурой. Когда два тела с разной температурой вступают в тепловой контакт, они будут обмениваться внутренней энергией, пока их температуры не сравняются; то есть до тех пор, пока они не достигнут теплового равновесия. Прилагательное hot используется как относительный термин для сравнения температуры объекта и окружающей среды (или человека, использующего этот термин).Термин «тепло» используется для описания потока энергии. В отсутствие рабочих взаимодействий тепло, которое передается объекту, в конечном итоге сохраняется в объекте в виде внутренней энергии.

Удельная теплоемкость определяется как количество энергии, которое должно быть передано одной единице массы или моля вещества или от них, чтобы изменить его температуру на один градус. Удельная теплоемкость — это свойство, что означает, что она зависит от рассматриваемого вещества и его состояния, определяемого его свойствами.Горючее при сжигании высвобождает большую часть энергии в химических связях своих молекул. При переходе от одной фазы к другой чистое вещество выделяет или поглощает тепло без изменения его температуры. Количество теплопередачи во время фазового перехода называется скрытой теплотой и зависит в первую очередь от вещества и его состояния.

Тепловая энергия

См. Основную статью: Тепловая энергия

Тепловая энергия — это термин, который часто путают с термином «тепло».Грубо говоря, когда к термодинамической системе добавляется тепло, ее тепловая энергия увеличивается, а когда тепло отводится, ее тепловая энергия уменьшается. С этой точки зрения считается, что горячие объекты обладают большим количеством тепловой энергии, тогда как холодные объекты обладают небольшой тепловой энергией. Таким образом, тепловая энергия часто ошибочно определяется как синоним слова тепло. Однако это не так: объект не может обладать теплом, а только энергией. Термин тепловая энергия, когда он используется в разговоре, часто не используется в строго правильном смысле, но, скорее всего, используется только как описательное слово.В физике и термодинамике слова «теплота», «внутренняя энергия», «работа», «энтальпия» (теплосодержание), «энтропия», «внешние силы» и т. Д., Которые могут быть определены точно, т.е. без обращения к внутренние атомные движения и колебания, как правило, предпочтительнее и используются чаще, чем термин тепловая энергия, который трудно определить.

История

Основная статья: история тепла .

В истории науки история тепла прослеживает свое происхождение от первых гоминидов, которые зажгли огонь и размышляли о его действии и значении, до современных физиков элементарных частиц, изучающих субатомную природу тепла.Короче говоря, феномен тепла и его определение эволюционировали от мифологических теорий огня к теплу, к terra pinguis, флогистону, к огненному воздуху, к теплоте, к теории тепла, к механическому эквиваленту тепла, к термодинамике. (иногда называемый энергетикой) термодинамикой. Таким образом, история тепла является предвестником развития и теорий в истории термодинамики.

Обозначение

Общее количество энергии, передаваемой посредством теплопередачи, условно обозначается сокращенно Q . Традиционное соглашение о знаках гласит, что когда тело выделяет тепло в окружающую среду, Q Q> 0 (+). Скорость теплопередачи , или тепловой поток в единицу времени, обозначается:

.

Измеряется в ваттах. Тепловой поток определяется как скорость теплопередачи на единицу площади поперечного сечения и обозначается q , что дает единицы ватт на квадратный метр, хотя могут использоваться несколько иные условные обозначения.

Энтропия

В 1854 году немецкий физик Рудольф Клаузиус определил вторую фундаментальную теорему (второй закон термодинамики) в механической теории тепла (термодинамике): «если два преобразования, которые, не требуя каких-либо других постоянных изменений, могут взаимно заменять друг друга , назовем эквивалентным, то генерация количества тепла Q от работы при температуре T , имеет значение эквивалентности : « ^{[3] [4]}

В 1865 году он пришел к определению этого отношения как энтропии, обозначенной S , так что для закрытой стационарной системы:

и, таким образом, путем сокращения количества тепла δQ (неточная разница) определяется как количество TdS (точная разница):

Другими словами, энтропийная функция S облегчает количественную оценку и измерение теплового потока через термодинамическую границу.

Определения

В современных терминах тепло определяется как энергия в пути. Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл в своей классической книге 1871 года Теория тепла был одним из первых, кто сформулировал современное определение «тепла». Короче говоря, Максвелл сформулировал четыре условия определения тепла. Во-первых, это «то, что может передаваться от одного тела к другому» согласно второму закону термодинамики. Во-вторых, об этом можно говорить как об «измеряемой величине», и математически это трактуется как другие измеримые величины.В-третьих, «, а не можно рассматривать как вещество»; поскольку он может быть преобразован во что-то, что не является веществом, например механическая работа. Наконец, это «одна из форм энергии». Подобные современные, лаконичные определения тепла следующие:

• В термодинамическом смысле тепло, никогда не рассматривается как накопленное в теле. Как и работа, она существует только как энергии, передаваемой от одного тела к другому; в термодинамической терминологии — между системой и ее окружением. Когда к системе добавляется энергия в виде тепла, она сохраняется не в виде тепла, а в виде кинетической и потенциальной энергии атомов и молекул, составляющих систему. ^[2]

• Существительное тепло определяется только в процессе передачи энергии посредством проводимости или излучения. ^[5]

• Тепло определяется как любой спонтанный поток энергии от одного объекта к другому, вызванный разницей в температуре между двумя объектами. ^[6]

• Тепло может быть определено как энергии при передаче от высокотемпературного объекта к низкотемпературному объекту. ^[7]

• Тепло — это взаимодействие между двумя закрытыми системами без обмена работой, это чисто тепловое взаимодействие, когда две системы, изначально изолированные и находящиеся в устойчивом равновесии, контактируют. Энергия, обмениваемая между двумя системами, называется теплом. ^[8]

• Тепло — это форма энергии, которой обладает вещество за счет колебательного движения, т.е.е. кинетическая энергия его молекул или атомов. ^[9]

• Тепло — это передача энергии между веществами разной температуры.

Термодинамика

Внутренняя энергия

Тепло связано с внутренней энергией U системы и работой W выполнено на системы по первому закону термодинамики:

, что означает, что энергия системы может изменяться либо через работу, либо через тепловые потоки через границу термодинамической системы.Более подробно, Внутренняя энергия — это сумма всех микроскопических форм энергии системы. Он связан с молекулярной структурой и степенью молекулярной активности и может рассматриваться как сумма кинетической и потенциальной энергий молекул; он включает в себя следующие виды энергий: ^[10]

Тип	Состав Внутренняя энергия (U)
Явная энергия	часть внутренней энергии системы, связанная с кинетическими энергиями (молекулярная трансляция, вращение и колебание; трансляция и спин электрона; и ядерный спин) молекул.
Скрытая энергия	внутренняя энергия, связанная с фазой системы.
Химическая энергия	внутренняя энергия, связанная с атомными связями в молекуле.
Атомная энергия	огромное количество энергии, связанное с сильными связями внутри ядра самого атома.
Энергетические взаимодействия	те типы энергии, которые не хранятся в системе (например,грамм. теплопередача, массоперенос и работа), но которые распознаются на границе системы, когда они пересекают ее, что представляет собой прибыль или убытки системы во время процесса.
Тепловая энергия	сумма явных и скрытых форм внутренней энергии.

Передача тепла идеальному газу при постоянном давлении увеличивает внутреннюю энергию и выполняет граничную работу (т. Е. Позволяет увеличивать или уменьшать контрольный объем газа), при условии, что объем не ограничен.Возвращаясь к уравнению первого закона и разделив рабочий термин на два типа, «граничная работа» и «прочее» (например, работа вала, выполняемая вентилятором компрессора), получаем следующее:

Это комбинированное количество Δ U + W _{b o u n d a r y энтальпия} термодинамических потенциалов. И энтальпия, H , и внутренняя энергия, U являются функциями состояния.Функции состояния возвращаются к своим исходным значениям после завершения каждого цикла в циклических процессах, например, в тепловой машине. Напротив, ни Q , ни W не являются свойствами системы и не должны суммировать до нуля по шагам цикла. Бесконечно малое выражение для тепла, δ Q , образует неточный дифференциал для процессов, связанных с работой. Однако для процессов, не связанных с изменением объема, приложенного магнитного поля или других внешних параметров, δ Q образует точный дифференциал. Аналогично, для адиабатических процессов (без теплопередачи) выражение для работы образует точный дифференциал, но для процессов, включающих передачу тепла, оно образует неточный дифференциал.

Теплоемкость

Для простой сжимаемой системы, такой как идеальный газ внутри поршня, изменения энтальпии и внутренней энергии могут быть связаны с теплоемкостью при постоянном давлении и объеме соответственно. При условии постоянного объема, тепло, Q , необходимое для изменения его температуры от начальной, T ₀ , до конечной температуры, T _f , определяется как:

Снятие ограничения объема и разрешение системе расширяться или сжиматься при постоянном давлении:

Для несжимаемых веществ, таких как твердые тела и жидкости, различие между двумя типами теплоемкости исчезает, поскольку работа не выполняется.Теплоемкость — это большая величина, и как таковая зависит от количества молекул в системе. Его можно представить как произведение массы м и удельной теплоемкости, согласно:

или зависит от числа молей и молярной теплоемкости в соответствии с:

Молярная и удельная теплоемкости зависят от внутренних степеней свободы системы, а не от каких-либо внешних свойств, таких как объем и количество молекул.

Плотность одноатомных газов (например, гелия) почти постоянна с температурой. Двухатомные газы, такие как водород, демонстрируют некоторую температурную зависимость, а трехатомные газы (например, двуокись углерода) еще больше.

В жидкостях при достаточно низких температурах становятся существенными квантовые эффекты. Примером может служить поведение бозонов, таких как гелий-4. Для таких веществ поведение теплоемкости с температурой в точке конденсации Бозе-Эйнштейна является разрывным.

Квантовое поведение твердых тел адекватно описывается моделью Дебая. При температурах значительно ниже характерной температуры Дебая твердой решетки ее удельная теплоемкость будет пропорциональна кубу абсолютной температуры. Для низкотемпературных металлов требуется второй член для объяснения поведения электронов проводимости, что является примером статистики Ферми-Дирака.

Изменения фаз

Температура кипения воды на уровне моря при нормальном атмосферном давлении и температуре всегда будет около 100 ° C, независимо от количества добавляемого тепла.Дополнительное тепло превращает воду из жидкой фазы в водяной пар. Тепло, добавляемое для изменения фазы вещества таким образом, называется «скрытым», и поэтому оно называется скрытым теплом (от латинского latere , означающего «лежать скрытым»). Скрытая теплота — это количество тепла на единицу массы, необходимое для изменения состояния данного вещества, или:

и

Обратите внимание, что при увеличении давления L немного поднимается.Здесь M _o — это количество массы, первоначально находящейся в новой фазе, а M — это количество массы, которое попадает в новую фазу. Кроме того, L обычно не зависит от количества массы, изменяющей фазу, поэтому уравнение обычно можно записать:

Q = L Δ м .

Иногда L может зависеть от времени, если давление и объем меняются со временем, поэтому интеграл можно записать как:

Механизмы теплопередачи

Основная статья: Теплопередача

Как упоминалось ранее, тепло имеет тенденцию перемещаться из области высоких температур в область низких температур.Эта передача тепла может происходить за счет механизмов теплопроводности и излучения. В технике термин конвективная теплопередача используется для описания комбинированных эффектов теплопроводности и потока жидкости и рассматривается как третий механизм теплопередачи.

Проводимость

Проводимость — наиболее важное средство передачи тепла в твердом теле. В микроскопическом масштабе проводимость возникает, когда горячие, быстро движущиеся или колеблющиеся атомы и молекулы взаимодействуют с соседними атомами и молекулами, передавая часть своей энергии (тепла) этим соседним атомам. В изоляторах тепловой поток почти полностью переносится фононными колебаниями.

«Электронная жидкость» проводящего металлического твердого тела проводит почти весь тепловой поток через твердое тело. Фононный поток все еще присутствует, но несет менее 1% энергии. Электроны также проводят электрический ток через проводящие твердые тела, а теплопроводность и электрическая проводимость большинства металлов примерно одинаковы. Хороший электрический проводник, например медь, обычно также хорошо проводит тепло. Эффект Пельтье-Зеебека демонстрирует склонность электронов проводить тепло через электропроводящее твердое тело.Термоэлектричество возникает из-за связи между электронами, тепловыми потоками и электрическими токами.

Конвекция

Конвекция обычно является доминирующей формой теплопередачи в жидкостях и газах. Этот термин используется для характеристики комбинированных эффектов проводимости и потока жидкости. При конвекции передача энтальпии происходит за счет движения горячих или холодных частей жидкости вместе с теплопередачей за счет теплопроводности. Например, когда вода нагревается на плите, горячая вода со дна кастрюли поднимается вверх, нагревая воду наверху кастрюли.Обычно различают два типа конвекции: свободная конвекция , при которой сила тяжести и выталкивающая сила движет движением жидкости, и принудительная конвекция , при которой для перемещения жидкости используются вентилятор, мешалка или другие средства. Плавучая конвекция возникает из-за действия силы тяжести и, следовательно, не возникает в условиях микрогравитации.

Радиация

Излучение — единственная форма передачи тепла, которая может происходить в отсутствие какой-либо среды; таким образом, это единственное средство передачи тепла через вакуум.Тепловое излучение — это прямой результат движения атомов и молекул в материале. Поскольку эти атомы и молекулы состоят из заряженных частиц (протонов и электронов), их движения приводят к испусканию электромагнитного излучения, которое уносит энергию от поверхности. В то же время поверхность постоянно бомбардируется излучением из окружающей среды, что приводит к передаче энергии поверхности. Поскольку количество испускаемого излучения увеличивается с повышением температуры, в результате получается чистая передача энергии от более высоких температур к более низким температурам.

Сила, которую излучает черное тело на различных частотах, описывается законом Планка.Существует частота f _max , на которой излучаемая мощность максимальна. Закон смещения Вина и тот факт, что частота света обратно пропорциональна его длине волны в вакууме, означают, что пиковая частота f _max пропорциональна абсолютной температуре T черного тела. Фотосфера Солнца при температуре около 6000 К излучает излучение в основном в видимой части спектра. Атмосфера Земли частично прозрачна для видимого света, и свет, достигающий поверхности Земли, поглощается или отражается.Земная поверхность излучает поглощенное излучение, приближающееся к поведению черного тела при 300 K со спектральным пиком при f _max . На этих более низких частотах атмосфера в значительной степени непрозрачна, и излучение земной поверхности поглощается или рассеивается атмосферой. Хотя некоторая часть радиации уходит в космос, она поглощается атмосферными газами, а затем повторно испускается. Именно эта спектральная избирательность атмосферы ответственна за планетарный парниковый эффект.

Обычная бытовая лампочка имеет спектр, перекрывающий спектр черного тела Солнца и Земли.Часть фотонов, излучаемых нитью накала вольфрамовой лампы при 3000K, находится в видимом спектре. Однако большая часть энергии связана с фотонами с большей длиной волны; они не помогут человеку видеть, но все равно будут передавать тепло в окружающую среду, как можно вывести эмпирически, наблюдая за лампочкой накаливания в доме. Когда электромагнитное излучение испускается, а затем поглощается, происходит передача тепла. Этот принцип используется в микроволновых печах, лазерной резке и радиочастотной эпиляции.

Прочие механизмы теплопередачи

• Скрытое тепло: Передача тепла посредством физического изменения среды, такой как вода-лед или вода-пар, требует значительного количества энергии и используется многими способами: паровой двигатель, холодильник и т. Д.(см. скрытую теплоту плавления)
• Тепловые трубы: Используя скрытое тепло и капиллярное действие для отвода тепла, тепловые трубы могут переносить во много раз больше тепла, чем медный стержень аналогичного размера. Первоначально изобретенные для использования в спутниках, они начинают применяться в персональных компьютерах.

Теплоотдача

В холодном климате дома с системами отопления образуют рассеивающие системы. Несмотря на усилия по утеплению таких домов, чтобы уменьшить потери тепла наружу, они теряют или рассеивают значительное количество тепла, что может сделать их внутренние помещения неприятно прохладными или холодными.Для удобства обитателей внутреннее пространство дома должно находиться вне теплового равновесия с его внешним окружением. Фактически, домашние дома — это оазисы тепла в море холода, а температурный градиент между внутренней и внешней частью часто довольно крутой. Это может привести к возникновению таких проблем, как конденсация и неприятные сквозняки (сквозняки), которые, если их не устранить, могут привести к структурному повреждению имущества. Вот почему необходимы современные методы изоляции, чтобы уменьшить теплопотери. Cengel, Yungus, A .; Болес, Майкл (2002). Термодинамика — инженерный подход, 4-е изд. . Макгроу-Хилл, 17-18. ISBN 0-07-238332-1 .

См. Также