Количество теплоты. удельная теплоемкость вещества

Принципы действия тепловых машин

Тепловым двигателем называют устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.


Основные части теплового двигателя:

  • Нагреватель – тело с постоянной температурой, преобразующее внутреннюю энергию топлива в энергию газа. В каждом цикле работы двигателя нагреватель передает рабочему телу некоторое количество теплоты.
  • Рабочее тело – это газ, совершающий работу при расширении.
  • Холодильник – тело с постоянной температурой, которому рабочее тело передает часть тепла.

Любая тепловая машина получает от нагревателя некоторое количество теплоты ​\( Q_1 \)​ и передает холодильнику количество теплоты ​\( Q_2 \)​. Так как ​\( Q_1 > Q_2 \)​, то совершается работа ​\( A’ = Q_1 – Q_2 \)​.

Тепловой двигатель должен работать циклически, поэтому расширение рабочего тела должно сменяться его сжатием. Работа расширения газа должна быть больше работы сжатия, совершаемой внешними силами (условие совершения полезной работы). Температура газа при расширении должна быть выше, чем температура при сжатии. Тогда давление газа во всех промежуточных состояниях при сжатии будет меньше, чем при расширении.

В реальных тепловых машинах нагревателем является камера сгорания. В них рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива, вычисляется по формуле:

где ​\( q \)​ – удельная теплота сгорания топлива, ​\( m \)​ – масса топлива.

Холодильником чаще всего у реальных двигателей служит атмосфера.

Виды тепловых двигателей:

  • паровой двигатель;
  • турбина (паровая, газовая);
  • двигатель внутреннего сгорания (карбюраторный, дизельный);
  • реактивный двигатель.

Тепловые двигатели широко используются на всех видах транспорта: на автомобилях – двигатели внутреннего сгорания; на железнодорожном транспорте – дизельные двигатели (на тепловозах); на водном транспорте – турбины; в авиации – турбореактивные и реактивные двигатели. На тепловых и атомных электростанциях тепловые двигатели приводят в движение роторы генераторов переменного тока.

Теория теплоёмкости

Сравнение моделей Дебая и Эйнштейна для теплоёмкости твёрдого тела

Существует несколько теорий теплоёмкости твердого тела:

  • Закон Дюлонга — Пти и закон Джоуля — Коппа. Оба закона выведены из классических представлений и с определенной точностью справедливы лишь для нормальных температур (примерно от 15 °C до 100 °C).
  • Квантовая теория теплоёмкостей Эйнштейна. Первое применение квантовых законов к описанию теплоёмкости.
  • Квантовая теория теплоёмкостей Дебая. Содержит наиболее полное описание и хорошо согласуется с экспериментом.

Существующие теории теплоёмкости не охватывают всех особенностей поведения теплоёмкости различных твёрдых тел. В первую очередь это относится к аномальным пикам на кривых теплоёмкости, а также росту в высокотемпературной области удельной теплоёмкости над уровнем 3R нормальной (колебательной) составляющей. Возникновение некоторых из перечисленных аномалий детально исследовано и имеет своё физическое объяснение. Это в первую очередь относится к лямбда-пикам, связанным с ферромагнитными и ориентационными переходами, а также с переходами от упорядоченных к неупорядоченным структурам. Аномальные отклонения над уровнем 3R кривой теплоёмкости графита и алмаза в высокотемпературной области (Т > 3000 K) обусловлены процессами термодеструкции с переходом в плавление. Аномальные пики на кривых теплоёмкости германия и гафния объясняются процессами в кристаллической решетке, контролируемыми больцмановским фактором exp(-E/RT).

Соотношение единиц измерения

1 дюйм

= 2,54 см

1 миллиметр

= 0,03937 дюйма

1 фут

= 0,3048 м

1 сантиметр

= 0,3937 дюйма

1 ярд

= 0,9144 м

1 дециметр

= 0,3281 фута

1 род

= 5,0292 м

1 метр

= 3,281 фута

1 чейн

= 20,117 м

1 метр

= 1,094 ярда

1 фурлонг

= 201,17 м

1 декаметр

= 10,94 ярда

1 миля

= 1,6093 м

1 километр

= 0,6214 мили

1 морская миля

= 1,8532 м

1 километр

= 0,539 морской мили

1 кв. дюйм

= 6,4516 кв. см

1 кв. сантиметр

= 0,1550 кв. дюйма


1 кв. фут

= 929,03 кв. см

1 кв. метр

= 1,550 кв. дюйма

1 кв. ярд

= 0,8361 кв. м

1 ар

= 119,60 кв. ярда

1 акр

= 4046,9 кв. м

1 гектар

= 2,4711 акра

1 кв. миля

= 259,0 га

1 кв. километр

= 0,3861 кв. мили

1 куб. дюйм

= 16,387 куб. см

1 куб. сантиметр

= 0,061 куб. дюйма

1 куб. фут

= 0,0283 куб. м

1 куб. дециметр

= 0,035 куб. фута

1 куб. ярд

= 0,7646 куб. м

1 куб. метр

= 1,308 куб. ярда

Роль теплоты и ее использование

Схема работы паротурбинной электростанции

Схема холодильного цикла

Глобальные процессы теплообмена не сводятся к нагреванию Земли солнечным излучением. Массивными конвекционными потоками в атмосфере определяются суточные изменения погодных условий на всем земном шаре. Перепады температуры в атмосфере между экваториальными и полярными областями совместно с кориолисовыми силами, обусловленными вращением Земли, приводят к появлению непрерывно изменяющихся конвекционных потоков, таких, как пассаты, струйные течения, а также теплые и холодные фронты.

Перенос тепла (за счет теплопроводности) от расплавленного ядра Земли к ее поверхности приводит к извержению вулканов и появлению гейзеров. В некоторых регионах геотермальная энергия используется для обогрева помещений и выработки электроэнергии.

Теплота — непременный участник почти всех производственных процессов. Упомянем такие наиболее важные из них, как выплавка и обработка металлов, работа двигателей, производство пищевых продуктов, химический синтез, переработка нефти, изготовление самых разных предметов — от кирпичей и посуды до автомобилей и электронных устройств.

Многие промышленные производства и транспорт, а также теплоэлектростанции не могли бы работать без тепловых машин — устройств, преобразующих теплоту в полезную работу. Примерами таких машин могут служить компрессоры, турбины, паровые, бензиновые и реактивные двигатели.

Одной из наиболее известных тепловых машин является паровая турбина, в которой реализуется часть цикла Ранкина, используемого на современных электростанциях. Упрощенная схема этого цикла представлена на рисунке. Рабочую жидкость — воду — превращают в перегретый пар в паровом котле, нагреваемом за счет сжигания ископаемого топлива (угля, нефти или природного газа). Пар высокого давления вращает вал паровой турбины, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электроэнергию. Отработанный пар конденсируется при охлаждении проточной водой, которая поглощает часть теплоты, не использованной в цикле Ранкина. Далее вода подается в охлаждающую башню (градирню), откуда часть тепла уходит в атмосферу. Конденсат с помощью насоса возвращают в паровой котел, и весь цикл повторяется.

Все процессы в цикле Ранкина иллюстрируют описанные выше начала термодинамики. В частности, согласно второму началу, часть энергии, потребляемой электростанцией, должно рассеиваться в окружающей среде в виде теплоты. Оказывается, что таким образом теряется примерно 68% энергии, первоначально содержавшейся в ископаемом топливе. Заметного повышения КПД электростанции можно было бы достигнуть, лишь повысив температуру парового котла (которая лимитируется жаропрочностью материалов) или понизив температуру среды, куда уходит тепло, т.е. атмосферы.

Другой термодинамический цикл, имеющий большое значение в нашей повседневной жизни, — это парокомпрессорный холодильный цикл Ранкина, схема которого представлена на рисунке. В холодильниках и бытовых кондиционерах энергия для его обеспечения подводится извне. Компрессор повышает температуру и давление рабочего вещества холодильника — фреона, аммиака или углекислого газа. Перегретый газ подается в конденсатор, где охлаждается и конденсируется, отдавая тепло окружающей среде. Жидкость, выходящая из патрубков конденсатора, проходит через дросселирующий клапан в испаритель, и часть ее испаряется, что сопровождается резким понижением температуры. Испаритель отбирает у камеры холодильника тепло, которое нагревает рабочую жидкость в патрубках; эта жидкость подается компрессором в конденсатор, и цикл снова повторяется.

Холодильный цикл, представленный на рисунке, можно использовать и в тепловом насосе. Такие тепловые насосы летом отдают тепло горячему атмосферному воздуху и кондиционируют помещение, а зимой, наоборот, отбирают тепло у холодного воздуха и обогревают помещение.

Важным источником теплоты для таких целей, как производство электроэнергии и транспортные перевозки, служат ядерные реакции. В 1905 А.Эйнштейн показал, что масса и энергия связаны соотношением E = mc2, т.е. могут переходить друг в друга. Скорость света c очень велика: 300 тыс. км/с. Это означает, что даже малое количество вещества может дать огромное количество энергии. Так, из 1 кг делящегося вещества (например, урана) теоретически можно получить энергию, которую за 1000 суток непрерывной работы дает электростанция мощностью 1 МВт.

Таблицы пересчета физических величин.

Энергия, тепло, работа

Пересчет

В

Дж

кВт ч

кгс м

ккал

Из

1 Дж

1

0,278 10-6

0,102

2,39 10-4

1 кВт ч

3,6 106

1


0,366 106

860

1 кгс м

9,807

2,728 10-6

1

23,4 10-4

1 ккал

4,187 103

1,163 10-3

426,8

1

Давление

Пересчет

В

Па(Паскаль)

Бар(Бар)

мм рт. ст.(миллиметр ртутного столба)

мм вод. ст.(миллиметр водяного столба)

кгс/см2(техническая атмосфера)

атм(физическая атмосфера)

Из

1 Па

1

10-5

7,5 10-3

0,102

1,02 10-5

0,99 10-5

1 бар

105

1

750,1

10 200

1,02

0,987

1 мм рт. ст.

133

13,33 10-4

1

13,6

0,00136

0,001316

1 мм вод. ст.

9,81

0,9806 10-4

0,07355


1

0,0001

9,68 10-5

1 кгс/см2

98 100

0,9807

735,6

10 000

1

0,968

1 атм

101 300

1,013

760

10 330

1,033

1

Давление — это физическая величина, равная отношению модуля силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади это поверхности. Единица давления — паскаль (Па), равный давлению, производимому силой в 1 ньютон на площадь в 1 квадратный метр. Все жидкости и газы передают производимое на них давление по всем направлениям (закон Паскаля). Все тела, находящиеся на земной поверхности, испытывают со всех сторон одинаковое давление земной атмосферы — атмосферное давление. В каждой точке атмосферы это давление равно весу вышележащего столба воздуха; с высотой убывает. Среднее атмосферное давление на уровне моря эквивалентно давлению 760 мм рт. ст. (1013,25 гПа). Кроме атмосферного, различают абсолютное и избыточное давления. Абсолютным называют полное давление с учетом давления атмосферы, отсчитываемое от абсолютного нуля. Избыточным называют давление сверх атмосферного, равное разности между абсолютным и атмосферным давлением. Избыточное давление отсчитывается от условного нуля, за который принимается атмосферное давление. Абсолютное давление, меньшее, чем атмосферное, называют разрежением или вакуумом. Другими словами, вакуум равен разности между атмосферным и абсолютным давлениями. Для измерения избыточного давления газа, пара и жидкости применяются манометры; небольших давлений и вакуума — напоромеры и тягомеры; вакуума — вакуумметры; давления и вакуума — тягонапоромеры и мановакуумметры.

Температура

Пересчет

В

°C(градус Цельсия)

K(Кельвин)

F(градус Фаренгейта)

R(градус Реомюра)

Из

n °C

n

273,15 + n

9 n / 5 + 32

0,8 n

n K

n — 273,15

n

n F

(5 / 9) (n — 32)

n

n R

1,25 n

n

Температура — это физическая величина, характеризующая степень нагретости тел. Она представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Чем больше средняя скорость движения молекул, тем выше температура тела. Понятие температуры связано также со способностью тел с более высокой температурой передавать свою теплоту телам с более низкой температурой до тех пор, пока эти температуры не сравняются. Одновременно с изменением температуры тел могут меняться их физические свойства. Приборы для измерения температуры подразделяют в зависимости от того, какой метод положен в основу их конструкции: контактный (когда измерительный прибор соприкасается с измеряемой средой), или неконтактный. К приборам, основанным на контактном методе измерений, относят жидкостные стеклянные термометры, манометрические термометры, термоэлектрические термометры (термопары) и термопреобразователи сопротивления. К приборам, основанным на неконтактном методе, относят пирометры излучения.


С этим читают