Какие свойства относятся к теплофизическим
Теплофизические свойства материалов и изделий характеризуют отношение к действию на них тепловой энергии. Они включают в себя способность проводить (теплопроводность, температуропроводность), поглощать тепло (теплоемкость), сохранять или изменять свойства при изменении температур (тепло-, термо-, и морозостойкость, огнестойкость).
Показатели этих свойств используются для характеристики различных материалов и изделий, а также для определения их назначения.
Теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо для повышения температуры материала на 1 °С в определенном интервале температур от до С2. Вычисляют теплоемкость (С, Дж/°С) по формуле
где Q — количество теплоты, Дж;
t2 и tx — соответственно начальная и конечная температура материала, °С.
Если теплоемкость отнести к определенному количеству вещества (г, кг), то получим удельную теплоемкость в Дж /(г · °С). Отношение удельной теплоемкости к единице массы вещества С/ га — это массовая теплоемкость, а к объему вещества — объемная теплоемкость. Удельная теплоемкость характеризует тепловую инерцию материала.
Теплопроводность характеризует способность материала проводить тепло при разности температур между отдельными участками материала. Она зависит от химического состава, плотности, пористости, температуры и влажности материала.
Наибольшую теплопроводность имеют материалы высокой плотности. С увеличением пористости теплопроводность падает, т. е. материалы с большим количеством пор обладают низкой теплопроводностью. В обычных условиях поры заполнены воздухом, теплопроводность которого очень мала. Но при увеличении размеров пор и если они сообщаются и тем более если становятся сквозными, теплопроводность резко повышается за счет увеличения конвекции.
С повышением влажности теплопроводность пористых материалов возрастает, так как поры заполняются водой, а теплопроводность воды в 24 раза выше, чем воздуха. При увеличении скорости воздушного и теплового потоков и давления теплопроводность повышается.
Теплопроводность оценивается коэффициентом теплопроводности А, Вт · м/(м2 · °С), который характеризует интенсивность теплопередачи и показывает, какое количество тепла проходит за 1 ч через 1 м2 материала толщиной 1 м при разности температур верхней и нижней поверхностей материала в 1 °С:
где Ф — тепловой поток, Вт;
? — толщина образца, м;
S — площадь пробы материала, м2;
tl~t2 — разность температур между поверхностями, °С.
Для некоторых материалов, используемых для изготовления одежды и обуви, наиболее важны обратные показатели теплопроводности: тепловое сопротивление, теплозащита. К таким показателям относятся тепловое сопротивление R, м2 · °С/ Вт, или удельное тепловое сопротивление р, м2 · °С/(Вт-м).
Материалы с малым коэффициентом теплопроводности (вата, мех, пенополиуретан) используют в качестве утеплителей при изготовлении зимней одежды, утепленной обуви.
Термическое расширение характеризует способность материала изменять размеры при изменении температуры. Учитывается при оценке качества материалов и изделий, которые эксплуатируются при резких изменениях температуры (режущий инструмент, стеклянная и керамическая посуда). Если материал имеет большое термическое расширение, то при резких колебаниях температуры изделие может разрушиться. Термическое расширение должно учитываться при производстве двухслойных материалов и изделий (глазурованных и эмалированных изделий, стеклоизделий с нацветом). Термическое расширение основного материала и эмали или основной и цветной стекломассы должно быть по возможности одинаковым.
Показателем термического расширения материалов является относительный температурный коэффициент, который зависит от химического состава, степени однородности вещества и наличия примесей. Различают линейный и объемный температурный коэффициенты в определенном интервале температур.
Коэффициент линейного расширения (а · 10’6) вычисляют по формуле
где А1 — изменение длины тела при изменении температуры на 1 °С, мм;
l2 — длина образца при конечной температуре t2, мм;
— длина образца при начальной температуре tv мм.
Коэффициент объемного расширения (?) рассчитывают по формуле
где V2 — объем тела при конечной температуре t2 °С, см3;
V1 — объем тела при начальной температуре ^ °С, см3;
V — изменение объема тела при изменении температуры на 1 °С, см3.
Коэффициент определяют на специальных приборах — дилатометрах. Увеличение коэффициента линейного расширения отрицательно влияет на термическую стойкость материалов. Материалы с высоким коэффициентом термического расширения (стекло и стеклоизделия) при незначительных колебаниях температуры разрушаются.
Теплостойкость характеризует способность материалов и изделий сохранять свойства при повышенных температурах. Теплостойкость (термостойкость) определяет стойкость к термической деструкции. Она оценивается по изменению свойств после нагрева и выдержки в нормальных условиях. Термостойкость имеет значение при оценке качества товаров, которые при эксплуатации подвергаются резкому нагреванию и охлаждению (стеклянная и керамическая посуда, режущий инструмент и др.). Она влияет на режим технологической обработки, условия эксплуатации, долговечность изделий.
Термическая стойкость изделий зависит от химического и минералогического состава, степени однородности, разрушающего напряжения, коэффициента температурного расширения, коэффициента теплопроводности, коэффициента теплоемкости, от модуля упругости, пористости, толщины, формы изделий, а также от состояния поверхности изделия, наличия тех или иных внутренних и наружных дефектов, острых граней и плавных переходов и от других факторов, т. е. имеет сложную зависимость.
Она тем больше, чем выше теплопроводность, механическая прочность и ниже модуль упругости и температурный коэффициент расширения. В последнем случае при резких колебаниях температуры в материале возникают внутренние напряжения, приводящие к его разрушению. С повышением пористости материала, если при этом не снижается прочность, термическая стойкость возрастает.
По термостойкости материалы и изделия подразделяются на термостойкие и жаростойкие. К термостойким относят материалы, предназначенные для эксплуатации при температуре 250—400 °С. Например, термостойкое текстильное волокно кевлар применяется для изготовления специальной одежды для пожарников, литейщиков. Жаростойкие материалы сохраняют свои эксплуатационные показатели при температуре 2000-2500 °С.
Огнестойкость определяет стойкость материалов и изделий к воздействию пламени огня. Она зависит от природы материала. По степени огнестойкости выделяют негорючие, трудно сгораемые и легкосгораемые материалы.
К негорючим относятся материалы, которые не горят открытым пламенем, не тлеют и не обугливаются. Это металлические и силикатные материалы и изделия из них, а также некоторые виды пластических масс.
Материалы, которые при действии огня воспламеняются с трудом, тлеют и обугливаются, относятся к трудно сгораемым (шерсть, кожа и др.).
Материалы и изделия, которые быстро воспламеняются и продолжают гореть и тлеть при удалении из пламени, относятся к легкосгораемым (хлопок, древесина, бумага и др.).
Источник
К ним относят те свойства материалов, что связаны с изменением температуры. В контексте снижения затрат на энергоносители в холодный период года важнейшими для любого владельца дома являются способность строительных материалов передавать (терять), а так же аккумулировать и держать тепло.
Теплопроводность строительных материалов
Это способность строительного материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур внутри и снаружи здания. Это свойство имеет важное значение для строительных материалов, применяемых при устройстве ограждающих конструкций (стен, перекрытий, покрытий) и материалов, предназначенных для теплоизоляции.
Теплопроводность стройматериала зависит от его химического состава, структуры, влажности, пористости и характера пор, разности температур на противоположных его поверхностях и средней температуры при которой происходит передача тепла
Показателем теплопроводности служит коэффициент теплопроводности. Этот коэффициент равен количеству тепла, проходящего через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 часа при разности температур образца в 1°С. Чем он больше, тем хуже теплоизоляционная способность материала. Плотные стройматериалы, материалы с крупными порами и с закрытыми порами лучше передают тепло, поэтому для целей теплоизоляции стараются применять мелкопористые материалы и материалы с открытыми порами. Наличие влаги в порах увеличивает теплопроводность в десятки раз.
Коэффициент теплопроводности λ (Вт/мС): воздуха 0,023, древесины вдоль волокон 0,35 и поперек волокон 0,175, воды 0,59, керамического кирпича 0,82, льда 2,3. То есть воздушные поры в материале резко снижаются его теплопроводность, а увлажнение сильно увеличивает, так как коэффициент теплопроводности воды в 25 раз выше, чем у воздуха. При замерзании воды в порах теплопроводность материала увеличивается еще больше, так как лед примерно в 4 раза теплопроводнее воды и в сто раз теплопроводнее воздуха. Результат лучше всего заметен на примере неграмотно утеплённой мансарды. Можно увидеть, что сырая теплоизоляция в морозную погоду практически перестаёт работать.
Теплозащитные свойства конкретной конструкции определяются коэффициентом сопротивления теплопередаче, который связывает коэффициент теплопроводности с толщиной (B) стены, перекрытия или слоя теплоизоляции: R = B / λ. Из формулы видно, что чем больше теплопроводность, тем меньше коэффициент сопротивления теплопередаче и, следовательно, хуже теплозащитные свойства ограждающей конструкции.
Удельная теплоёмкость материалов
Равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг материала на 1С. У органических материалов она обычно выше, чем у неорганических (кДж/(кг°С). Для древесины 2,38-2,72, для стали 0,46, для воды 4,187. Видно, что наибольшую теплоёмкость имеет вода, поэтому их теплоёмкость и возрастает с повышением влажности материалов. Кстати, высокая теплоёмкость воды делает её идеальным теплоносителем для системы отопления.
Тепловое расширение
Свойство материалов расширятся при нагревании и сжиматься при охлаждении, что приводит к изменениям линейных размеров и объема. Характеризуется коэффициентом линейного расширения, показывающим, насколько расширяется материал при повышении температуры на 1С.
В конструкциях, объединяющих несколько материалов, коэффициент теплового линейного расширения необходимо всегда учитывать. У стали (11-11,9) и бетона (10-14) он почти одинаков, поэтому эти материалы так хорошо сочетаются в железобетонных конструкциях. Если же коэффициенты линейного расширения отдельных компонентов значительно различаются, в таких конструкциях возникают напряжения, которые могут привести не только к появлению микротрещин и короблению, но и к полному их разрушению.
Аккумулирование тепла
Свойство материала при нагревании поглощать, а при охлаждении отдавать определённое количество теплоты называют теплоаккумулирующей способностью. Зависит она от удельной теплоемкости строительного материала, его средней плотности и толщины стеновой конструкции. Физический смысл теплоаккумулирующей способности (Qs) материала в возможности накопить и удержать в квадратном метре стены заданной толщины некоторое количество тепловой энергии, которая в дальнейшем может определенное время (время остывания ta) расходоваться на поддержание комфортного микроклимата в помещении.
Для более понятного восприятия можно провести аналогию с радиаторами отопления. Чугунные радиаторы благодаря тепловой инерции, то есть большей способности чугуна аккумулировать тепло, при отключении подачи теплоносителя остаются горячими более длительное время, расходуя накопленную энергию на прогрев помещения, чем стальные или алюминиевые.
Время остывания стен зависит от теплоаккумулирующей способности материала и сопротивления теплопередаче ta = Qs R, и чем Qs и R больше, тем более длительный промежуток времени в помещениях дома будет сохраняться приемлемые для жизнедеятельности условия. Полная формула расчёта времени остывания будет выглядеть так: ta = С γ В2 / λ. Где С – удельная теплоёмкость, γ – средняя плотность, λ – коэффициент теплопроводности, B – толщина стены
Теплофизические параметры некоторых строительных материалов
Материал | С (кДж/кг°С) | γ (кг/м³) | λ (Вт/м °С) |
Ячеисто-бетонные блоки D500 | 1.0 | 500 | 0.12 |
Хвойные породы дерева | 2.3 | 650 | 0.18 |
Керамический кирпич пустотелый | 0.88 | 1000 | 0.44 |
Силикатный кирпич | 0.88 | 1800 | 0.87 |
Железобетон | 0.84 | 2500 | 2.04 |
Подставляя приведенные в таблице данные в формулу и учитывая, что Вт=Дж/сек, получаем следующее соотношение времени остывания. Быстрее всего остывают железобетонные конструкции. Стена из ячеистых блоков будет остывать в 2,1 раза дольше, чем стена из пустотелого керамического и в 2,6 раза медленнее, чем из силикатного кирпича. На практике теплоаккумулирующая способность материалов видна на примере прогрева и остывания периодически отапливаемого здания, например, дачи.
Огнестойкость строительных материалов
Это способность строительного материала сохранять основные характеристики (несущая способность, прочность, твердость и пр.) под воздействием высоких температур, например, при пожаре. По степени огнестойкости строительные материалы делят на несгораемые, трудно сгораемые и сгораемые.
Несгораемые материалы (кирпич, бетон, сталь) под действием открытого пламени или высоких температур не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Однако необходимо учитывать, под воздействием открытого пламени они теряют несущую способность. Некоторые несгораемые материалы (мрамор, стекло, асбестоцемент) при нагревании разрушаются полностью, а стальные конструкции сильно деформируются. Трудно сгораемые материалы (фибролит, асфальтобетон) тлеют и обугливаются, но после удаления источника пламени или высокой температуры тление прекращается.
Сгораемые материалы (дерево, пластики, битумы, бумага) воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть и после удаления источника пламени или температуры. Для повышения огнестойкости эти материалы обрабатывают огнезащитными составами – антипиренами, которые при нагревании выделяют газы, не поддерживающие горения, или образуют на материале пористой защитой слой, замедляющий его нагрев. Но необходимо учитывать, что состав способен проникнуть вглубь древесины лишь на несколько миллиметров и не является панацеей от пожара. Он лишь задерживает распространение пламени.
В применении к зданиям и сооружениям говорят не об огнестойкости материалов, а об огнестойкости конструкций. Так как, например, конструкции, выполненные из сгораемых материалов, но обработанные антипиренами или защищенные от огня штукатуркой или облицовкой из несгораемых материалов, по своей огнестойкости относятся к трудно сгораемым.
Огнеупорность строительных материалов
Огнеупорностью называется способность материала выдерживать, не расплавляясь и не деформируясь, длительное воздействие высоких температур выше 1580°С. Огнеупорными являются шамотный кирпич, жароупорный бетон и др. Материалы, размягчающиеся при температуре ниже 1350°С, называются легкоплавкими. Материалы, выдерживающие температуру от 1350°С до 1580°С без заметных деформаций, называются тугоплавкими.
Источник
Основные понятия и определения
К тепловым процессам относят процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты – нагревание, охлаждение, конденсация и испарение.
Тепловые процессы часто сопутствуют другим технологическим процессам: химическим превращениям, разделению гомогенных смесей, сушке и т.д., которые сопровождаются подводом или отводом тепла.
Для тепловых процессов в химической промышленности характерны широкий диапазон изменения температуры (от нескольких тысяч градусов до близких к абсолютному нулю) и количеств передаваемой теплоты. Такой широкий диапазон требует применения различных способов передачи теплоты и материалов, которые наилучшим способом обеспечивают этот процесс.
Производства химической технологии, требующие больших затрат тепловой энергии, обычно комплексно связаны с тепловыми энергетическими установками. Рациональное расходование теплоты – важный экономический показатель эффективности работы аппаратуры и организации технологического процесса.
Перенос теплоты, происходящий между телами с различной температурой, носит название теплообмена. В соответствии со вторым законом термодинамики перенос тепла самопроизвольно происходит от тела с более высокой температурой к телу с меньшей температурой. Таким образом, причиной направленного теплопереноса является разность температур – температурный напор, который есть движущей силой переноса тепла. При выравнивании температур наступает равновесие.
Тела, участвующие в переносе тепла, называют теплоносителями.
Перенос теплоты может осуществляется различными способами. В зависимости от механизма различают три способа теплопереноса: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность – это перенос тепла при непосредственном соприкосновении тел с различной температурой, когда перенос энергии осуществляется микрочастицами за счет их «теплового» движения. В чистом виде теплопроводность наблюдается в твердых телах, а в жидкостях и газах – лишь в неподвижных средах. При этом в жидкостях и твердых телах (диэлектриках) перенос энергии осуществляется путем упругих волн, в газах – путем диффузии атомов или молекул, а в металлах, путем диффузии свободных электронов.
Конвективный перенос теплоты обусловлен массовым движением макрочастиц среды – теплота переносится движущейся средой. Такой способ теплопереноса возможен лишь в жидкостях и газах, при этом всегда сопровождается теплообменом между частицами посредством теплопроводности. В свою очередь, конвекция бывает свободной и вынужденной. Свободная конвекция происходит в результате разности плотностей жидкости или газа в различных точках занимаемого ими объема вследствие разных температур, вынужденная – когда перемещение частиц жидкости или газа происходит под действием внешних сил (с помощью насосов, компрессоров).
Тепловое излучение – это перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, сопровождаемый переходом лучистой энергии в тепловую и наоборот. Этот вид переноса тепла имеет место между телами любого агрегатного состояния независимо от того, удалены ли они друг от друга или соприкасаются между собой.
В реальных условиях теплота чаще всего передается одновременно двумя или даже тремя способами. Однако обычно преимущественное значение имеет какой-нибудь один способ.
Наиболее распространенным случаем в практике является перенос тепла от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называют теплопередачей. Процесс теплопередачи включает три стадии: 1) перенос теплоты средой, имеющей более высокую температуру, стенке; 2) перенос теплоты в стенке; 3) перенос теплоты от нагретой стенки к среде с более низкой температурой. Перенос теплоты в стенке происходит путем теплопроводности. Передача теплоты от теплоносителя к стенке и от нагретой стенки к более холодной среде называют теплоотдачей.
Особое место среди тепловых процессов занимают процессы, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния теплоносителей (кипение, конденсация пара и т.д.).
В процессе переноса теплоты температура в общем случае изменяется в пространстве и во времени:
где t – температура; x, у, z – координаты; t – время. Пространство с различными температурами в отдельных его точках является температурным полем. Изменение температуры в данной точке пространства со временем характеризуют мгновенными температурами.
Процессы, в которых поля температур постоянны во времени, являются установившимися или стационарными. Они соответствуют непрерывно действующим аппаратам. Если же распределение температур в телах, участвующих в теплообмене, изменяется во времени, то процесс считается неустановившимся или нестационарным. Такие процессы протекают в аппаратах периодического действия.
Рисунок 7.1 – К определению температурного градиента
Геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру, образует изотермическую поверхность. Так как в одной и той же точке пространства одновременно не может быть двух различных температур, то изотермические поверхности разных температур друг с другом не пересекаются. Все они либо замыкаются на себя, либо кончаются на границах тела. Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности. При этом наиболее резкое изменение происходит в направлении нормали n к изотермическим поверхностям (рис. 7.1).
Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормали называют температурным градиентом :
Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности. Его положительным направлением считается направление в сторону возрастания температуры. Значение температурного градиента, взятое с обратным знаком, называют падением температуры.
Количество тепла, проходящее через данную поверхность за время t, называют тепловым потоком Q [Дж]. Тепловой поток, проходящий в единицу времени через 1 м2 поверхности, носит название удельного теплового потока q .
Величина теплового потока зависит от теплофизических свойств теплоносителя. Непосредственное влияние на процесс переноса тепла оказывают температура, теплоемкость, температуропроводность, энтальпия, теплота фазового превращения.
Теплофизические свойства веществ
Температура t, как известно, являясь параметром состояния тела, характеризует степень его нагретости и выражается в градусах. Отсчет (как от нуля) температуры ведут либо от температуры таяния льда (градусы Цельсия, °С), либо от абсолютного нуля (градусы Кельвина, К). Шкалы Цельсия и Кельвина лишь смещены одна относительно другой на 273,16 градуса, при этом цена деления, т.е. размер одного градуса, у них одинакова. Поэтому разности температур и численные значения величин, приходящихся на один градус, в этих шкалах совпадают.
Физические, в том числе и теплофизические свойства тел, в той или иной степени зависят от температуры, которая на практике изменяется в широких пределах. Для упрощения инженерных расчетов вводится так называемая определяющая температура tопр, по которой находят все физические константы. Величина определяющей температуры не имеет универсального значения, а выбирается при построении расчетных зависимостей по-разному, исходя из лучшего их согласования с опытом. Чаще всего в качестве определяющей принимается либо среднеарифметическая температура потока жидкости или газа, либо средняя температура омываемой потоком поверхности стенки, либо среднеарифметическая температура из значений температуры жидкости или газа и стенки.
Теплоемкость c – это количество теплоты, необходимое для нагревания вещества на один градус. Обычно оперируют удельной теплоемкостью, отнесенной к единице массы тела и измеряемой в .
Теплоемкость, соответствующая бесконечно малому повышению температуры, называют истинной cист:
.
Среднюю теплоемкость определяют при условии повышения температуры на конечную величину:
.
Если теплоемкость отнесена к одному молю вещества, то она носит название молярной и измеряется в .
Различают теплоемкость при постоянном объеме и теплоемкость при постоянном давлении ; в первом случае в процессе нагревания вещества поддерживается постоянным объем, во втором случае – давление. Удельная теплоемкость при постоянном давлении всегда больше, чем удельная теплоемкость при постоянном объеме, т.е.
,
так как в случае нагревания при постоянном давлении часть теплоты идет на работу расширения вещества, а часть – на увеличение его внутренней энергии, в то время как в случае нагревания при постоянном объеме вся теплота расходуется только на увеличение внутренней энергии. Для твердых и жидких веществ разность между и мала. Для идеальных газов
,
где R – универсальная газовая постоянная.
Теплопроводность характеризует способность тела проводить теплоту, зависит от природы вещества, являясь его индивидуальным свойством. Коэффициент теплопроводности l выражает количество тепла, передаваемое за 1 с через 1 м2 поверхности при градиенте температуры 1 °С на 1 м длины нормали к изотермической поверхности. Численные значения коэффициентов теплопроводности определяются опытным путем и приводятся в справочной литературе. Измеряется коэффициент теплопроводности в .
Из сопоставления опытных данных следует, что значения коэффициента теплопроводности для разных веществ сильно разнится, а для одного и того же вещества зависит от температуры, плотности, структуры, влажности и других факторов.
Наибольшая теплопроводность наблюдается у металлов, для которых значения l при 20 °С находятся в пределах 2,3–418 Вт/(м×К), причем наибольшее значение соответствует серебру. Высокий коэффициент теплопроводности имеют также медь (l » 395), золото (l » 300), алюминий (l » 210), цинк (l » 113). На коэффициенты теплопроводности металлов оказывают большое влияние примеси и их концентрация, а также структурные изменения, вызванные термической обработкой, ковкой, вытяжкой и т.д.
Коэффициенты теплопроводности неметаллических материалов лежат в пределах 0,02–3 Вт/(м×К) и зависят от природы этих материалов, их плотности, пористости, влажности, структурных особенностей. С повышением температуры значения l для неметаллических материалов, как правило, возрастают, а с увеличением пористости уменьшаются. Увлажнение пористых материалов вызывает рост значения коэффициента теплопроводности вследствие вытеснения воздуха водой, отличающейся более высокой теплопроводностью. При этом l влажного материалов часто превышает значения этого коэффициента для сухого материала и воды в отдельности.
Коэффициенты теплопроводности жидкостей составляют 0,09–0,7 Вт/(м×К), причем в области низких давлений для всех жидкостей, кроме воды и глицерина, они снижаются с повышением температуры. В области же высоких давлений наблюдается рост l с увеличением как температуры, так и давления. Влияние давления на знаяения l оказывается большим для жидкостей с более высокой сжимаемостью и более низкой температурой кипения.
Коэффициенты теплопроводности газов находятся в пределах 0,006–0,6 Вт/(м×К), они растут, как правило, с температурой, но не зависят от давления в средней его области. При высоких давлениях l увеличивается, а при давлениях ниже 0,13 Па уменьшается. С ростом молекулярной массы газа значения коэффициента теплопроводности, как правило, снижается. Коэффициенты теплопроводности газовых смесей, как и жидких, не подчиняются правилу аддитивности.
Температуропроводность характеризует скорость изменения температуры вещества. Чем выше коэффициент температуропроводности тела а, тем больше в нем скорость распространения температуры. т.е. тем быстрее оно нагревается или охлаждается при прочих равных условиях. В качестве коэффициента температуропроводности принят комплекс физических величин, в который входят коэффициент теплопроводности l, удельная теплоемкость ср и плотность ρ вещества, м2/с:
.
Энтальпия , I – тепло, которое содержит в себе тело (теплосодержание), измеряется в Дж/кг.
Энтальпию принято отсчитывать от некой температуры t°, при которой энтальпия принята равной нулю (i = 0). В качестве такой температуры чаще всего принимают 0 °С. При рабочей температуре, если отсутствует изменение агрегатного состояния вещества, энтальпию определяют интегралом
.
Если изменением теплоемкости с изменением температуры можно пренебречь (с = const), то
,
а при
.
В практических расчетах в подавляющем большинстве случаев оперируют разностями энтальпий, поэтому точка отсчета энтальпий и их абсолютные значения роли не играют.
Если вещество при имеет иное агрегатное состояние по отношению к рабочей температуре , то энтальпия определяется с учетом теплоты фазовых превращений:
,
где – удельная теплота фазового превращения (парообразования, конденсации, плавления и т.д.), Дж/кг.
Удельная теплота парообразования – это количество теплоты, необходимое для превращения в пар 1 кг жидкости при температуре ее кипения, размерность – Дж/кг.
Теплоту парообразования жидкости при давлении р можно определить по уравнению Клапейрона–Клаузиса, Дж/кг:
.
В этом уравнении и – теплоты парообразования данной и стандартной жидкости (например, воды); М, Т и М0, Т0 – молекулярные массы и температуры кипения данной и стандартной жидкости; – отношение разности температур кипения стандартной жидкости к разности температур кипения данной жидкости при пределах одних и тех же давлений р и р1.
Удельная теплота конденсации представляет собой количество тепла, выделяющееся при конденсации 1 кг пара. Эта характеристика присуща процессу обратному парообразованию, численно равна удельной теплоте парообразования и обозначается той же буквой .
Конденсация, как и кипение, индивидуальных веществ происходит при неизменной температуре . Она, согласно правилу Ле-Шателье, возрастает с повышением давления (поскольку плотность пара всегда ниже плотности жидкости).
Удельной теплотой плавления (затвердевания) называют количество теплоты, необходимой для плавления (выделяющейся при затвердевании) 1 кг вещества. В большинстве случаев слабо зависит от температуры. Характер зависимости от давления в соответствие с правилом Ле-Шателье определяется соотношением плотностей вещества в жидком и твердом состоянии. Измеряется удельная теплота плавления также в Дж/кг.
Аналогичным образом вводится понятие о теплоте сублимации (десублимации).
Тепловые балансы
При теплообмене между теплоносителями происходит уменьшение энтальпии горячего теплоносителя и увеличение энтальпии холодного теплоносителя. Если расход горячего теплоносителя, его начальная и конечная энтальпии равны соответственно , кг/с, и , а расход холодного теплоносителя, его начальная и конечная энтальпии – , кг/с, и , то уравнение теплового баланса в этом случае:
, (7.1)
где – тепло, теряемое в окружающую среду.
Таким образом тепло, отдаваемое горячим теплоносителем, частично передается холодному теплоносителю и частично расходуется на компенсацию потерь в окружающую среду.
В теплообменных аппаратах потери тепла в окружающую среду обычно невелики (не более 2–3 %) и ими можно пренебречь. Тогда уравнение теплового баланса примет вид:
, (7.2)
где – количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному (тепловая нагрузка аппарата, Вт).
Если теплообмен происходит без изменения агрегатного состояния теплоносителей, то их энтальпии равны произведению теплоемкости с на температуру t:
В последних выражениях – средние удельные теплоемкости горячего теплоносителя в интервале от 0 °C до температур ; – средние удельные теплоемкости холодного теплоносителя в интервале температур от 0 °C до . Значения средних удельных теплоемкостей определяют из соотношений:
Приближенно средняя удельная теплоемкость в пределах от 0 °C до температуры t равна истинной удельной теплоемкости при температуре t/2, а средняя удельная теплоемкость в промежутке температур от t1 до t2 равна истинной удельной теплоемкости при температуре (t1 + t2)/2.
Если принять, что удельные теплоемкости не зависят от температуры, то
(7.3)
либо
Произведение расхода G теплоносителя на его среднюю удельную теплоемкость c условно называют водяным эквивалентом W, который соответствует количеству воды, которое по своей тепловой емкости эквивалентно количеству тепла, необходимому для нагревания данного теплоносителя на 1 °С, при заданном его расходе. При использовании водяных эквивалентов горячего и холодного теплоносителей, соответственно W1 и W2, уравнение теплового баланса таково:
(7.4)
Если теплообмен сопровождается изменением агрегатного состояния теплоносителя (конденсация пара, испарение жидкости и др.) либо в процессе теплообмена протекают химические реакции, сопровождающиеся выделением или поглощением тепла, то в тепловых балансах необходимо учесть тепло, выделяющееся или поглощающееся в результате химических превращений.
Так, при использовании в качестве горячего теплоносителя пара процесс теплообмена сопровождается его конденсацией. Если пар насыщенный, то количество выделяющегося тепла при этом равно:
,
а тепловой баланс имеет вид:
. (7.5)
Здесь – энтальпия греющего пара, а – температура образовавшегося конденсата.
При температуре, конденсата равной температуре насыщения пара ( )
(r – удельная теплота конденсации).
Следовательно,
. (7.6)
В более общем случае греющий пар может быть перегрет до температуры , а образовавшийся конденсат переохлажден до температуры .
Тогда общее количество выделившегося тепла будет включать три составляющих:
1) количество тепла, выделившееся при охлаждении пара до температуры насыщения :
,
где – энтальпия перегретого пара;
2) количество тепла, выделившееся при конденсации насыщенного пара:
;
3) количество тепла, выделившееся при переохлаждении конденсата:
.
В итоге тепловой баланс в этом общем случае:
либо . (7.7)
При испарении холодного теплоносителя тепло расходуется на его подогрев до температуры насыщения в количестве и на парообразование ( – удельная теплота парообразования холодного теплоносителя). Тепловой баланс:
(7.8)
Если в качестве горячего теплоносителя при испарении холодного используется пар, то тепловой баланс выражается в виде равенства
, (7.9)
а при