Тепловая энергия и теплопередача.

Тепловая энергия и теплопередача.

Теплопередача – физический процесс передачи тепловой энергии от

более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при

контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из

какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной

температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача

от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Тепловая энергия - форма энергии, связанная с движением атомов,

молекул или других частиц, из которых состоит тело.Тепловая энергия – это энергия механических колебаний структурных элементов вещества (будь то атомы, молекулы или заряженные частицы). Тепловая энергия тела также называется внутренней

энергией. Тепловая энергия может выделяться благодаря химическим реакциям

(горение), ядерным реакциям (деление ядра, ядерный синтез),

механическим взаимодействиям (трение).

Работа в тепловых системах.

Механическая работа есть произведение силы на расстояние.

W= F*L, 1 Джоуль = 1 Ньютон х 1 метр. Работа есть любое взаимодействие, которое не является тепловым.Работа представляет собой такое взаимодействие между системой и средой, единственным результатом которого является или могло бы

являться поднятие груза либо в системе, либо в окружающей среде

(определение работы, сделанное профессором Джозайей Уиллардом

Гиббсом в 1873 г.).

4.Термодинамика.Определение и содержание.

Термин «термодинамика» впервые появился в статье В. Томсона в

1854 г. Томсон писал «термо-динамика», в переводе означает «теплота-

работа». Исторически термодинамика возникла как наука, изучающая переход

теплоты в механическую работу, что диктовалось, прежде всего,

необходимостью дать теоретические основы работы тепловых машин. Особенностью термодинамики является рассмотрение процессов, происходящих в природе, с точки зрения превращений энергии в этих процессах.

Термодинамические параметры.

Любое тело или группа тел, состоящих из множества частиц, называется

макроскопической системой. Состояние системы зависит от внутренних и

внешних факторов. Величины, однозначно определяемые заданием этих

параметров, называются функциями состояния. Под термодинамическими параметрами подразумевают физические величины, характеризующие макроскопическое состояние тел. Термодинамические параметры можно разделить на величины, которые имеют и термодинамический и механический смысл (объем, давление, энергия), и величины, которые имеют только статический смысл

(температура). Температура – одно из основных понятий, играющих важную роль не

только в термодинамике, но и в физике в целом. Температура тела есть

мера его нагретости. Давление определяется как сила, действующая на единицу площади. Существует связь между давлением и кинетической энергией теплового

движения молекул вещества. Удельный объем, как температура и давление, является

термодинамическим параметром, характеризующим макроскопические свойства тел.Молярный объем: V=M*v. M- молекулярный вес.

Термодинамическая система.

Тело или совокупность тел любой физико-химической природы,

полностью характеризующееся некоторым числом независимых макроскопических параметров, называется термодинамической системой. Самой простой термодинамической системой является газ, характеризуемый давлением p, объемом V и температурой Т. Примером более сложной термодинамической системы является газ, находящийся в равновесии с жидкостью в закрытом сосуде. Еще более сложной термодинамической системой будет, например, система, состоящая из жидкости, пара и твердого тела, находящихся в равновесии.Термодинамические системы могут быть полностью или частично изолированными.

Термодинамический процесс и термодинамическое равновесие.

Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее термодинамических параметров, называется термодинамическим процессом. Макроскопическая система находится в термодинамическом равновесии, если состояние ее не меняется с течением времени. Предполагается при этом, что внешние условия рассматриваемой системы остаются неизменными. При термодинамическом равновесии температура и давление во всех частях систем имеют одно и то же значение.Термодинамическое равновесие является одной из форм теплового движения материи.

Идеальные и реальные газы.

Превращение теплоты в механическую работу в тепловых установках происходит при участии рабочего тела, которым является газ или пар. Газы, которые встречаются на практике, называют реальными. Молекулы этих газов имеют конечный объем, между ними существуют силы притяжения, существенно влияющие на их параметры. Молекулы газа, заключенного в сосуд, находятся в непрерывном хаотическом движении.Для простоты изучения свойств газообразного рабочего тела введено понятие – идеальный газ. Идеальным называют воображаемый газ, в котором молекулы рассматриваются как материальные точки (обладающие массой, но не

имеющие объема), между которыми отсутствуют силы взаимодействия. При больших объемах и малых давлениях, когда расстояние между молекулами во много раз больше собственных размеров молекул, а также при высоких температурах, когда интенсивность хаотического движения молекул велика и поэтому молекулы слабо взаимодействуют между собой, складываются условия, при которых реальный газ можно с некоторым приближением считать идеальным.

Основные параметры рабочего тела.

Наиболее важными параметрами, характеризующими газообразное

вещество, являются давление, температура и удельный объем. Эти

параметры взаимосвязаны, и знание двух из них позволяет определить

третий. Давление. В результате хаотического движения молекулы газа

систематически ударяются о стенки заключающего их сосуда. Суммарное

давление всех ударяющих молекул определяет давление газа на стенки

сосуда. Давление газа измеряют такими же приборами и в тех же единицах

(Па), что и давление жидкости. Температура. Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул характеризует температуру газа. Чем интенсивней движутся его молекулы, т. е. чем больше кинетическая энергия хаотического движения, тем выше температура. В международной системе (СИ) в качестве единицы температуры принят кельвин (К). Тройной точкой воды называется температура, при которой все три фазы вещества (твердая, жидкая и газообразная) находятся в равновесии.

Закон Авагадро.

Закон Авогадро для идеальных газов заключается в следующем: все

газы при одинаковом давлении и температуре содержат в равных объемах

одинаковое число молекул. Из этого закона следует, что массы двух равных объемов различных газов с молекулярными массами µ1и µ2 равны соответственно М1= m1 N иМ2= m2 N, где m1 и m2 – соответственно, масса одной молекулы рассматриваемых газов; N – число молекул в рассматриваемом объеме. Массы молекул пропорциональны молекулярным массам: m1=zµ1; m2= zµ2, где z – коэффициент пропорциональности, тогда М1= zNµ1 и М2= zNµ2.

Уравнение состояния идеального газа.

pV/ T= R= const, где R – газовая постоянная. Для 1 кмоля газа уравнение имеет вид, pV∞ =R0 T. R 0=8, 31 10 /3( Дж кмоль ⋅ К ). Для произвольной массы газа М с молекулярной массой µ выражение: pV∞ = R0T; pV=M/∞ *R0T, где V – объем, занимаемый М кг газа; М/µ – число кмолей газа. Полученное уравнение можно записать также в виде: pV=MRT.

Первый закон термодинамики.

Первый закон термодинамики представляет собой закон сохранения и

превращения энергии для термодинамических систем. Он устанавливает

количественную связь между изменением внутренней энергии системы и

внешними воздействиями на нее. Существует множество различных видов энергии (электрическая, кинетическая, внутренняя и др.), качественно различающихся между

собой. Энергия данного вида в результате взаимодействия тел может превращаться или переходить любой другой вид энергии, причем в изолированной системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной. Энергия изолированной системы при любых происходящих в системе процессах не меняется; энергия не уничтожается и не создается (закон сохранения и превращения энергии). На основе закона сохранения и превращения энергии могут быть установлены точные количественные соотношения между отдельными видами энергии.

Термодинамический процесс.

Последовательность изменения термодинамического состояния

системы называют термодинамическим процессом. Он сопровождает в

общем случае изменением всех или части параметров системы газа. При переходе газа из одного состояния в другое с конечной скоростью не соблюдается равенство параметров газа в различных частях системы и процесс этот не является равновесным. Равновесный процесс можно представить в прямоугольной системе координат в виде линии, т. е. совокупности точек, каждая из которых

представляет собой определенное равновесное состояние газа. Все

реальные процессы протекающие с конечной скоростью, неравновесные, и

их графическое изображение носит условный характер. Термодинамические процессы могут быть обратимыми инеобратимыми. Обратимым называют равновесный процесс, который протекает в прямом и обратном направлениях через один и тот же ряд равновесных состояний, не вызывая изменений в самом газе и в телах, окружающих

систему.Неравновесные процессы необратимы. Все действительные процессы, встречающиеся в теплотехнике, практически необратимы.

Работа газа.

Газ, находящийся в сосуде, при повышенном давлении стремится расшириться, т. е. увеличить занимаемый им объем. Если несмотря на препятствующие внешние силы, газ увеличился в объеме, то при этом газу пришлось совершить работу по преодолению этих сил. Аналогично при сжатии газа, находящегося в сосуде, приходится совершать работу по преодолению давления газа. Чтобы определить работу сжатия или расширения газа, предположим,

что некоторое количество газа находится в цилиндре под поршнем,

скользящим без трения, к которому приложена внешняя сила Р.Если давление газа р, а площадь поперечного сечения поршня S, то сила давления равна рS, а совершаемая газом работа ∆ L=р*S*∆ h. Но произведение S∆ h есть элементарное изменение объема ∆ V, занимаемого газом. Таким образом: ∆ L =р∆ V. Работа по преодолению внешних сил зависит не только от начального и конечного состояний, но и от пути, по которому совершается процесс.Площадь, ограниченная кривой p = f1(V) и абсциссами V1и V2, не равна площади, ограниченной кривой p = f2(V) и теми же абсциссами. Не равны также и работы, совершаемые газом в этих процессах. В СИ единицей работы и энергии является джоуль (Дж).

Внутренняя энергия газа.

Молекулы газа обладают кинетической энергией хаотического движения и потенциальной энергией взаимодействия. Сумма внутренней кинетической и потенциальной энергий называется внутренней энергией газа U. В общем случае внутренняя энергия газа является функцией его состояния. При переходе газа из состояния 1 с параметрами (p1, V1, Т1) в состояние2 с параметрами (p2, V2, Т2) внутренняя энергия изменяется на ∆ U =U1– U2, где U1и U2– соответственно внутренняя энергия газа в начальном и конечном состояниях. Изменение энергии ∆ U не зависит от характера процесса, а зависит только значений энергии в начальном и конечном состояниях.

Энтропия.

Энтропия является еще одним (кроме P, V, T) параметром, характеризующим термодинамическую систему.Понятие энтропии не имеет физического смысла, введено формально на основании математических соображений применительно к идеальному

газу. Энтропия S – величина, изменение которой ds в элементарном

процессе равно отношению элементарного количества теплоты dq,

участвующей в этом процессе, к постоянной температуре Т. dq/ Т= ds. Изменение энтропии рабочего тела, а не ее абсолютное значение в каких-либо состояниях характеризует количество теплоты, участвующей в термодинамическом процессе.

Цикл Карно.

Из всех циклов, встречающихся в термодинамике, особое значение имеет так называемый цикл Карно. Этот идеальный цикл теплового двигателя был предложен французским инженером Сади Карно в связи с исследованием работы паровых машин. Чтобы построить цикл Карно, что 1 кг идеального газа, взятого в качестве рабочего тела, находится в теплоизолированном цилиндре с подвижным поршнем, причем рабочее тело может периодически сообщаться то с горячим бесконечным источником теплоты, имеющим температуру T1, то с холодным бесконечным телом, имеющим температуру T2 и выполняющим роль холодильника.

Cвойства водяного пара.

Водяной пар чрезвычайно широко применяется в пищевой отрасли, главным образом, в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах и как рабочее тело в паросиловых установках. Имея высокое давление и относительно низкую температуру, пар, используемый в названных тепловых агрегатах, близок к состоянию жидкости, поэтому пренебрегать силами сцепления между его молекулами и их объемом, как в идеальных газах, нельзя. Следовательно, не представляется возможным использовать для определения параметров состояния водяного пара уравнения состояния идеальных газов, т. е. для пара pv ≠ RT. Для практических расчетов составлены зависимости параметров

водяного пара от температуры и давления в широком интервале температур (до 1273 К) и давления (до 108Па), а также построены диаграммы водяного пара, которые позволяют быстро определять его параметры и решать многие теплотехнические задачи. Энтальпия – функция Н состояния термодинамической системы, равная сумме внутренней энергии системы U и произведения давления р на объем V системы. H = U + pV. В изобарическом процессе (р = const) приращение энтальпии равно количеству теплоты, сообщенной системе.

28. Процесс парообразования.

Жидкость может превращаться в пар при испарении и кипении.Испарением называется парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре. Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и ее температуры. Испарение жидкости может быть полным, если над жидкостью находится

неограниченное пространство. Процесс, обратный парообразованию, называется конденсацией. Этот процесс превращения пара в жидкость также происходит при постоянной температуре, если давление остается постоянным. Вода в жидком агрегатном состоянии малопригодна в качестве рабочего тела для превращения теплоты в механическую работу. Обычно воду сначала превращают в пар в паровых котлах при постоянном давлении. С повышением давления вода закипает при более высокой температуре, объем, занимаемый ею в момент кипения и энтропия также увеличиваются. Пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью, из которой он образовался, называется насыщающим или насыщенным. Насыщенный пар, не содержащий влаги при температуре насыщения, называют сухим насыщенным или сухим паром. Пар, температура и удельный объем которого больше, чем у сухого, называют перегретым. Он не насыщает пространство, в котором находится, поэтому называется ненасыщенным.

Сухой пар.

Состояние сухого насыщенного пара крайне неустойчиво, так как незначительный отвод теплоты от него при постоянном давлении связан с превращением сухого пара во влажный, а незначительный приток теплоты превращает его в перегретый пар. Удельный объем v''сухого пара является функцией давления v'' = f(p).

Влажный пар.

Удельный объем влажного пара v x со степенью сухости Х определяют, учитывая следующие условия. Если объем сухого пара v'' и в 1 кг влажного пара со степенью сухости Х содержится Х частей сухого пара, то объем, занимаемый им, составляет v''Х. Остальную часть (1 – Х) занимает вода, объем которой равен v'(1 - Х), где v' – удельный объем воды. Таким образом, удельный объем влажного пара vx= v'' Х + v'(1 - Х). Перегретый пар.Количество теплоты, потребное для получения 1 кг перегретого пара: qn=q'+r+cpm*(Тn-Тн) q' – количество (кДж) теплоты; cpm– средняя удельная теплоемкость перегретого пара при постоянном давлении в интервале температуры Тн…Тп; Тп– температура перегрева. Тн– температура насыщения.

Теплопроводность

Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры посредством теплового движения микрочастиц.В твердых телах распространение теплоты от более нагретых участков к менее нагретым возможно только теплопроводностью, так как в них при распространении теплоты отсутствует перемещение конечных масс. Q=λ S* Т1– Т2/δ. λ – коэффициент теплопроводности (Вт/(м·К). Коэффициент теплопроводности λ зависит от материала стенки и ее

температуры. Опыт показывает, что при стационарном потоке количества теплоты Q, проходящее через плоскую стенку в единицу времени, прямо пропорционально площади поверхности стенки S, разности температур поверхностей Т1– Т2 и обратно пропорционально толщине стенки δ (формула Фурье).

Теплообмен излучением

Теплообмен излучением – теплообмен, включающий переход внутренней энергии тела (вещества) в энергию излучения, перенос излучения, преобразование энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела (вещества).Любое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля, излучает электромагнитные волны. Из всех электромагнитных лучей наибольшим тепловым действием обладают инфракрасные и видимые лучи с длиной волны 0, 4…40 мкм. Если на тело в единицу времени падает Q0

энергии, Qr отражается, Qd проходит через него, Qa поглощается им, тo

Теплообмен между телами зависит от их формы и размеров, а также от времени процесса, так как происходит в конкретных пространственно-временных условиях. Другими важными факторами являются физические свойства тел и их агрегатное состояние.

Закон Фурье.

Основной закон теплопроводности, установленный Фурье, подтверждает, что количество теплоты dQ (кДж), переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры dt/dl, времени dτ и площади сечения dF, перпендикулярного направлению

теплового потока, dQ=-λ (dt/dl) dF*dτ, где λ – коэффициент теплопроводности среды (кВт/(м·К).

Теплопередача между двумя

Тепловая изоляция

Для уменьшения потерь теплоты многие сооружения, агрегаты и коммуникации приходится теплоизолировать, покрывая их стенки слоем материала с малой теплопроводностью (λ < 0, 2 Вт/(м·К). Такие материалы называются теплоизоляторами. Термическое сопротивление теплоизолятора создает воздух, а основа лишь препятствует возникновению естественной конвекции воздуха и переносу теплотыизлучением. С увеличением температуры, увлажнении пористых теплоизоляторов и плотности теплоизолирующегоматериала теплопроводность возрастает .

Виды охлаждения продуктов

Попринципупереноса теплотыспособыохлаждения подразделяются на три группы: - путем конвекции (охлаждение продуктов в воздухе, упакованных в непроницаемые искусственные или естественные оболочки, а также в жидких средах); - в результате фазовых превращений (интенсивное испарение части содержащейся в продукте водыпри его вакуумировании); - смешанным теплообменом (передача теплоты осуществляется конвекцией, радиацией и за счет теплообмена при испарении влаги с поверхностипродукта).

Замораживание продуктов

Замораживание – процесс понижения температуры ниже криоскопической на 10…30 оС, сопровождаемый переходом почти всего количества содержащейся в немводыв лед. Способы замораживания (контактные ибесконтактные) подразделяются на три группы: - Замораживание в кипящемхладагенте.- Замораживание вжидкостях какпромежуточных хладоносителях.- Замораживание в воздухе какпромежуточномтеплоносителе.

Морозильные аппараты

Морозильные аппараты бывают воздушными, плиточными и контактными. Воздушные морозильные аппараты представляют собой теплоизолированные туннели, внутри которых размещены охлаждающие батареи, вентиляторыи транспортирующие средства. Плиточные морозильные аппараты предназначены для замораживания упакованных продуктов (рыбного филе, мяса в блоках, плодоовощных наборов идр.) иимеют системунепосредственного охлаждения. Замораживание в контактных аппаратах проводят методом орошения илипогружения. В современной холодильной технике применяют следующие типы морозильных аппаратов: с интенсивным движением воздуха; многоплиточные морозильные аппараты; контактные морозильные аппаратыидр.

Термометры и их виды

Термометры стеклянные жидкостные применяются для измерения температур в областиот -200 до750 оС. Стеклянные термометры получили большое распространение как в лабораторной, так и в промышленной практике вследствие простоты обращения, достаточно высокой точностиизмерения инизкой стоимости. Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре. При этом, очевидно, показания жидкостного термометра зависят не только от изменения объема термометрической жидкости. Но и от изменения объема стеклянного резервуара, в котором находится эта жидкость. Из жидкостных термометров наибольшее распространение получили ртутные. Они обладают рядом преимуществ благодаря существенным достоинствам ртути, которая не смачивает стекла, сравнительно легко получается в химически чистом виде и при нормальном атмосферном давлении остается жидкой в широком интервале температур (от -38, 87 до +356, 58 оС). Термометры ртутные электроконтактные применяются для целей сигнализации и регулирования температурыв лабораторных и промышленных условиях. Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости между температурой и давлением рабочего (термометрического) вещества в замкнутой герметичной термосистеме. Манометрические термометры являются техническими приборами и в зависимости от рабочего вещества термосистемы они подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные). Дилатометрические и биметаллические термометры основаны на использовании свойства твердого тела изменять свои линейные размеры при изменении температуры. Если температурный интервал невелик, то зависимость длины твердого тела от температуры может быть выражена линейным уравнением

Термометры сопративления

Термометры сопротивления широко применяют для измерения температуры в интервале от -260 до 750 оС. В отдельных случаях они могут быть использованы для измерения температурдо1000 оС. Действие термометров сопротивления основано на свойстве вещества изменять свое электрическое сопротивление и изменением температуры. При измерении температуры термометр сопротивления погружают в среду, температуру которой необходимо определить.Зная зависимость сопротивления термометра от температуры, можно по изменению сопротивления термометра судить о температуре среды, в которой он находится. Наиболее подходящими материалами для изготовления термометров сопротивления являются чистые металлы и полупроводники.

Тепловая диагностика

Характерные особенности тепловой диагностики: Дистанционность.Высокая скорость обработки информации, обусловленная малым временемпреобразования носителя информации в электрический сигнал. Высокая производительность испытаний, ограниченная скоростью нагревав активном режиме и скоростью сканирования в пассивном режиме. Высокое разрешение (до 10 мкм).