Теплоемкость, внутренняя энергия, механическая работа. Способы распространения тепла и виды теплообмена. Теплообменные аппараты

Под удельной теплоемкостью рабочего тела - газа (а в общем случае и всякого другого вещества) понимают то количество тепла, которое нужно сообщить единице количества газа в данном процессе изменения его состояния, чтобы повысить его температуру на 1 град. Так как о количестве вещества судят по его массе, по его объему при нормальных условиях или по количеству киломолей, то в технической термодинамике различают три вида теплоемкостей - массовую, объемную и мольную. В первом случае речь идет о количестве тепла, необходимом для повышения температуры 1 кг газа на 1 град; во втором случае - для повышения температуры 1 м³ газа на 1 град и в третьем случае - для повышения температуры 1 кмоль газа на 1 град. Единицей измерения массовой теплоем-

кости служит дж/(кгград), объемной теплоемкости - дж/(м³град) и мольной теплоемкости - джДкмольград).

Учитывая изложенное выше, количество тепла, подведенного к телу при изменении его температуры на А/ * t₂- t_h может быть определено следующим образом:

Часто вместо термина «удельная теплоемкость» говорят просто «теплоемкость».

Энергия движения молекул и внутримолекулярных колебаний идеального газа, т. е. внутренняя энергия этого газа, поскольку он характеризуется отсутствием межмолекулярного взаимодействия, определяется только степенью нагретости этого газа, т. е. его температурой. Следовательно, можно написать

Внутренняя энергия реального газа определяется не только интенсивностью движения молекул и внутримолекулярных колебаний, но и силовым взаимодействием между молекулами, зависящим от расстояния между ними, а значит, от удельного объема газа. Поэтому его внутренняя энергия определяется не одним, а двумя параметрами, а именно

Внутренняя энергия идеального газа зависит лишь от его температуры, а внутренняя энергия реального газа - от температуры и удельного объема (или давления), т. е. от основных параметров состояния, значения которых не зависят от того, каким путем газ пришел в данное состояние. Поэтому и внутренняя энергия газа не зависит от этого пути, т. е. что

внутренняя энергия газа также является параметром его состояния. Внутреннюю энергию рабочего тела измеряют в тепловых единицах - джоулях.

Приведенные выше уравнения справедливы для газа, работающего в неподвижной системе и в том случае, если он сам по себе не перемещается, т. е. не представляет собой газовый поток или же не выталкивается из сосуда через отверстие под действием давящего на газ неизменного по величине груза.

Полная энергия е \ кг газа, движущегося в потоке через канал, в данном сечении F при скорости движения w будет складываться из внутренней энергии и газа, его внешней кинетической е_к и внешней потенциальной е„ энергии и, наконец, из энергии перемещения е„_ер, затрачиваемой извне на работу проталкивания газа через данное сечение. Следовательно:

Полная энергия 1 кг газа, выталкиваемого из цилиндрического сосуда грузом Р, будет складываться из его внутренней энергии и потенциальной энергии груза, равной РН или pFH = pv. Поэтому в данном случае полная энергия выражается так:

Величину i называют энтальпией рабочего тела. Работа, совершаемая 1 кг газа при его расширении, может быть

найдена как сумма элементарных работ <М при перемещении поршня на

Полезная работа цикла в pv- диаграмме изображается площадью, заключенной внутри кругового процесса. При этом цикл называют обратимым, если он состоит лишь из обратимых процессов, в противном случае цикл называют необратимым. Цикл называют прямым, если линии процессов расширения в pv-диаграмме расположены выше линий процессов сжатия, т. е. в этих циклах получают работу, отдаваемую внешнему потребителю.

Теплота самопроизвольно распространяется от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. При наличии разности температур в одном теле или во многих телах (твердых, жидких и газообразных) возникает процесс теплообмена или теплопередачи, который протекает тем интенсивнее, чем больше разность температур. Теплообмен является сложным процессом. Для простоты изучения различают три элементарных вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела, т. е. движением микроструктурных частиц вещества (молекул, атомов, ионов, электронов). Обмен энергией между движущимися частицами происходит в результате непосредственных столкновений их; при этом молекулы более нагретой части тела, обладающие большей энергией, сообщают долю ее соседним частицам, энергия которых меньше. В газах перенос энергии происходит путем диффузии молекул и атомов, в жидкостях и твердых диэлектриках - путем упругих волн. В металлах перенос энергии осуществляется колеблющимися ионами решетки и диффузией свободных электронов («электронным газом»): значение упругих колебаний кристаллической решетки в этом случае не имеет большого значения. Однако в теории теплопроводности не рассматривается движение микроструктурных частиц, так как она базируется на анализе макропроцессов.

Основной закон теплопроводности (закон Фурье) является феноменологическим описанием процесса и имеет вид:

где q - удельный тепловой поток; Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м град); grad t - градиент температуры, град/м. Знак минус в уравнении (28) потому, что тепло распространяется в сторону падения температуры.

Под конвекцией тепла понимают процесс передачи его из одной части пространства в другую перемещающимися макроскопическими объемами жидкости или газа. В зависимости от причины, вызывающей движение, конвекция может быть свободной (естественной) или вынужденной, происходящей за счет действия внешних сил. Естественное или свободное движение жидкости или газа, а следовательно, и конвекция тепла вызываются разностью удельных весов неравномерно нагретой среды; принудительное движение осуществляется нагнетателями (насосами, вентиляторами, компрессорами и другими).

Из определения конвекции следует, что количество передаваемого конвекцией в единицу времени тепла прямо связано со скоростью движения среды. Тепло передается главным образом в результате происходящих потоков жидкости или газа (макрообъемов), но отчасти тепло распространяется и в результате обмена энергией между частицами, т. е. теплопроводностью. Таким образом, конвекция всегда сопровождается теплопроводностью (кондукцией) и теплопроводность является неотъем-

лемой частью конвекции. Совместный процесс конвекции тепла и теплопроводности называют конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между потоком теплоносителя и поверхностью называют конвективной теплоотдачей или теплоотдачей соприкосновением и описывают формулой Ньютона-Рихмана

где q_K _ удельный поток тепла; а_к коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м²град); At - средняя разность температур между греющей средой и нагреваемой поверхностью (температурный напор), град.

Величину, обратную коэффициенту теплоотдачи 1/а, называют термическим сопротивлением. Коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от многих факторов и на практике значение его составляет от 2 (от свободно движущегося воздуха к плоскости) до 5000 Вт/(м²град) и более (от вынужденно движущейся воды в трубах к их поверхности). Его величина зависит от скорости потока и характера движения, от формы и размера обтекаемого тела, от свойств и состояния среды.

Тепловое излучение представляет собой процесс превращения тепла в лучистую энергию и передачи ее в окружающее пространство.

При нагревании тел часть тепла в результате атомных возмущений неизбежно преобразуется в лучистую энергию. Носителями лучистой энергии являются электромагнитные волны или в другом представлении фотоны (кванты энергии). Скорость перемещения этих носителей в вакууме составляет около 300-Ю⁶ м/сек. Результирующий тепловой поток от излучающей среды с абсолютной температурой Т_икр к поверхности, средняя абсолютная температура которой равна Т_с определяется по формуле, построенной на законе Стефана-Больцмана:

где сто ~ коэффициент излучения, Впг/(м²К⁴); е._пр приведенная степень черноты, зависящая от свойств излучающей среды и поверхности и выраженная в долях от степени черноты абсолютно черного тела, принимаемой за единицу.

Природа тепловых и световых (видимых) лучей одна и та же. Тепловое излучение различных тел определяется их тепловым состоянием, а также природными свойствами. Температура резко влияет на лучеиспускательную способность тел, т. е. на количество энергии, излучаемой единицей поверхности тела за единицу времени. Тело, обладающее при данной температуре наибольшей излучательной способностью, называется абсолютно черным телом. Таких тел в природе не существует и все ре-

альные тела излучают при одной и той же температуре только часть энергии абсолютно черного тела.

Лучистая энергия, излучаемая нагретым телом в пространство, падает на другие тела и в общем случае частично поглощается ими, частично отражается и частью проходит сквозь тело. Отраженная телом и прошедшая сквозь него часть лучистой энергии рассеивается в окружающем пространстве. Таким образом, лучистый теплообмен, или передача тепла лучеиспусканием от одних тел к другим, связан с двойным преобразованием энергии: теплоты - в лучистую энергию и обратно - лучистой энергии в теплоту.

Теплообменные аппараты очень распространены в промышленности. В широком смысле слова к теплообменным относят все аппараты, в которых осуществляется обмен теплом между греющей и нагреваемой средами. В поверхностных теплообменниках греющая среда отделена от нагреваемой поверхностью и тепло в них передается через стенку. К ним относятся теплообменники, в которых тепло горячих дымовых газов передается через поверхность нагрева воде или пару; воздухоподогреватели, в которых теплота от газов передается воздуху; водоводяные и пароводяные подогреватели (рис. 16); поверхностные конденсаторы для конденсации пара; отопительные радиаторы и многие другие. Применяют и теплообменники без разделительной стенки. К ним, в частности, относятся смесительные и регенеративные устройства.

лообменник: а - струйный смеситель; б - скруббер (оросительный теплообменник).

Смесительные теплообменники, называемые также контактными, получили широкое распространение для использования тепла чистых продуктов сгорания, выходящих из котельных агрегатов. В смесительных теплообменниках (рис. 17) тепло передается от пара или газа к воде при их смешивании. В регенеративных теплообменниках тепло горячих газов сначала аккумулируется в теплоемкой насадке, например, в керамической сыпучей массе, а затем передается нагреваемой среде (например, воздуху) путем ее продувания через горячую насадку.

Рис. 17. Регенеративный теплообменник для нагрева воздуха топочными газами: 1 - газовая камера; 2 воздушная камера; а - подвод горячих газов из топки, б - отвод отработанных газов; в подвод холодного воздуха; г - отвод горячего воздуха; с - подача сыпучей насадки; д отвод сыпучей насадки и возврат остывшей насадки

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: