Андрей Смирнов
Время чтения: ~21 мин.
Просмотров: 0

Перевод тепловой мощности из гкал/час в мегаватты

Пошаговая инструкция по расчету

Для того, чтобы самостоятельно произвести подсчет потребляемой энергии за ГВС, необходимо воспользоваться специальной формулой.

Формула и алгоритм

Чтобы вычислить размер оплаты ЖКУ, следует применять следующую формулу:

Pi = Viодн x Тхв + QПi х Тт/э.

Алгоритм расчета:

  1. Необходимо взять общий объем потребляемой горячей воды за месяц (Viодн) и умножить его на тариф ХВС (Тхв).
  2. Затем взять количество энергии, которое необходимо для нагрева (QПi), и умножить его на компонент (Тт/э).
  3. В заключение полученные величины необходимо сложить.

Примеры

Пример расчета по показаниям счетчика, который находится в жилом помещении собственника. Для оплаты используется двухкомпонентный норматив.

Показатели:

  • За апрель 2020 года объем ГВС по показаниям счетчика составил 7 м3 (Viодн).
  • ХВС, согласно региональному нормативу, составляет 28,38 рублей за 1 м3 (Тхв).
  • Количество энергии, затраченной на нагрев ХВС за апрель 2020 года, составило 0,090 Гкал за 1 м3 (QПi).
  • Региональный тариф 2042,00 рублей за 1 Гкал (Тт/э).

Пример:

  1. 7 м3 x 0,090 Гкал м3 = 0,63 Гкал.
  2. 7 м3 x 28,38 + 0,63 x 2042 = (198,66 + 1286,46) = 1485, 12.

Пример расчета, если в квартире нет прибора для учета энергии. Для оплаты используется двухкомпонентный тариф.

Дополнительные данные:

  • Количество одновременно проживающих человек в квартире – 2.
  • Региональный норматив 3,7 м3 на 1 человека.
  • Норматив на ХВС 23,86 за м3 (Тхв).
  • Нагрев 0,0260 Гкал за 1 м3 (QПi).
  • Региональный тариф на компонент тепловой энергии 2022,98 рублей за 1 Гкал (Тт/э).

Пример:

  1. Вначале нужно вычислить объем ГВС за месяц на каждого члена семьи (Viодн): 2 x 3,7 м3 = 7,4 м3.
  2. Затем рассчитывается объем энергии, которая была затрачена на подогрев (QПi): 7,4 м3 x 0,0260 м3 = 0, 1924 Гкал.
  3. На основании полученных величин рассчитывается плата: 7,4 x 23,86 + 0,1924 x 2022,98 = (176,56 + 389,22) = 565,78.

Почему стоимость услуги различается?

Тарифы на теплоэнергию неоднородны на пространствах России. Более того, они могут различаться даже на территории одного региона. Есть случаи, когда проживающие на одной улице уплачивают за отопление совершенно разные суммы. С чем это связано?

Вся теплопроводная система населенного пункта разделена на несколько участков. Ими может владеть как одна, так и несколько компаний. Каждая из таких организаций правомочна вводить свои тарифы. Вот это и вызывает разницу в оплате одной и той же услуги.

В зависимости от чего теплоснабжающие компании устанавливают тарифы для населения? На стоимость услуги оказывает влияние состояние теплосети, износ ее трубопровода. Если на конкретном участке трубы старые, что оборачивается высоким уровнем теплопотерь, поставщик услуг может подать в РЭК запрос на повышение тарифов для собственников жилья в определенных домах. Тут и он сам, и государство не останутся в минусе. Расходы будет оплачивать как раз таки население.

Конкретные цифры

Разберем в качестве тарифа примеры, действующие в Московской области. Тут 1 Гкал теплоэнергии, в среднем, оценивается в 1534 рубля. Как в Московской области, так и во всей России заметна тенденция повышения тарифов на тепловую энергию. Это не является исключительным явлением. Вместе с ними растут тарифы и на электроэнергию, водоснабжение, газоснабжение и пр.

В Московской области долгое время оставались постоянными тарифы на отопление жилых помещений. В среднем, это 175 рублей за один кубометр

Важно отметить, что цена услуги также зависит от компании, ее предоставляющей. Так, владельцы помещений, в которых установлены тепловые счетчики МОЭК, платят несколько больше, чем домовладельцы со счетчиками от «Мосэнерго»

Что такое тепловая энергия

При выборе источника тепла в помещении учитывается нагрузка на систему горячего водоснабжения. Многие домовладельцы не знают, что такое ГВС компонент на тепловую энергию. Это показатель, означающий норму расхода воды.

Сегодня все пользуются горячей и холодной водой, но не все знают, что такое «тепловая энергия» в квитанции ЖКХ. Если дом холодный, значит, тепловая энергия не подаётся в должном объёме. Это повод для обращения в управляющую компанию и подачи соответствующей жалобы.

Перед тем, как приступать к самостоятельным расчётам, нужно выяснить, что значит ГВС-компонент на ТЭ, как его рассчитать и вообще что это за коэффициент в тарифе. Когда мы видим в квитанции словосочетание «За нагрев воды», то не все понимают, что именно складывается за этой услугой. А между тем этот показатель был введён в 2013 году.

Сумма к оплате включает в себя несколько составляющих:

  • потеря тепла в трубах;
  • действующий тариф на энергию;
  • расходы на содержание батарей и центральной тепловой системы;
  • расходы на транспортировку горячей воды.

Самый простой способ узнавать точные показатели – установить счётчик. Также многие собственники задаются вопросом: что это такое – «подогрев воды» в квитанции ЖКХ. Это услуга, предоставляемая управляющей компанией по поставке тёплой воды в дома.

Чтобы не переплачивать, рекомендуется проверить расчёты самостоятельноФОТО: static.ngs.ru

ГВС в квитанции делится на два пункта – подача и нагревФОТО: i0.u-mama.ru

Счетчики тепловой энергии

Такого рода устройства помогают рассчитывать стоимость ежемесячных платежей за отопление самостоятельно, основываясь на показаниях, снятых с вашего прибора учета. Владелец счетчика тепловой энергии оплачивает только полученную им услугу без дополнительных приписок коммунальных служб. Некоторые устройства позволяют регулировать обогрев помещения как автоматически (в зависимости от температуры на улице), так и в ручном режиме.

По области применения таковые приборы разделяются на промышленные (домовые) и индивидуальные (квартирные). По принципу функционирования можно выделить механические и ультразвуковые устройства.

Расход энергии тут определяется путем вихревого, электромагнитного, турбинного измерения. Квартирные устройства обычно состоят из тепловычислителя и счетчика горячей воды (она и выступает теплоносителем). Что касается ультразвуковых приборов, то в данном случае на трубе устанавливают излучатель и устройство, принимающие ультразвуковые сигналы.

Установка таких счетчиков в квартире невозможна без получения соответствующего разрешения от управляющей компании. Его возможно получить, если соблюсти все технические условия, выставленные УК. Также следует выбирать компанию, имеющую сертификат на такую деятельность.

В процессе эксплуатации домовладелец обязательно должен позаботиться о периодической проверке своего счетчика специалистами из Ростеста — сервисной службы производителя прибора.

Определение

Количество теплоты входит в математическую формулировку первого начала термодинамики, которую можно записать как Q=ΔU+A{\displaystyle Q=\Delta U+A}. Здесь Q{\displaystyle Q} — количество теплоты, переданное системе, ΔU{\displaystyle \Delta U} — изменение внутренней энергии системы и A{\displaystyle A} — работа, совершённая системой. Однако корректное определение теплоты должно указывать способ её измерения безотносительно к первому началу. Так как теплота — это энергия, переданная в ходе теплообмена, для измерения количества теплоты необходимо пробное калориметрическое тело. По изменению внутренней энергии пробного тела можно будет судить о количестве теплоты, переданном от системы пробному телу. Без использования пробного тела первое начало теряет смысл содержательного физического закона и превращается в тавтологическое определение количества теплоты.

Пусть в системе, состоящей из двух тел X{\displaystyle X} и Y{\displaystyle Y}, тело Y{\displaystyle Y} (пробное) заключено в жёсткую адиабатическую оболочку. Тогда оно не способно совершать макроскопическую работу, но может обмениваться энергией (то есть теплотой) с телом X{\displaystyle X}. Предположим, что тело X{\displaystyle X} также почти полностью заключено в адиабатическую, но не жёсткую оболочку, так что оно может совершать механическую работу, но обмениваться теплотой может лишь с Y{\displaystyle Y}. Количеством теплоты, переданным телу X{\displaystyle X} в некотором процессе, называется величина QX=−ΔUY{\displaystyle Q_{X}=-\Delta U_{Y}}, где ΔUY{\displaystyle \Delta U_{Y}} — изменение внутренней энергии тела Y{\displaystyle Y}. Согласно закону сохранения энергии, полная работа, выполненная системой, равна убыли полной внутренней энергии системы двух тел: A=−ΔUx−ΔUy{\displaystyle A=-\Delta U_{x}-\Delta U_{y}}, где A{\displaystyle A} — макроскопическая работа, совершенная телом X{\displaystyle X}, что позволяет записать это соотношение в форме первого начала термодинамики:Q=A+ΔUx{\displaystyle Q=A+\Delta U_{x}}.

Виды энергии:
Механическая Потенциальная Кинетическая
‹›Внутренняя
Электромагнитная Электрическая Магнитная
Химическая
Ядерная
G{\displaystyle G}Гравитационная
∅{\displaystyle \emptyset }Вакуума
Гипотетические:
Тёмная
См.также:Закон сохранения энергии

Таким образом, вводимое в феноменологической термодинамике количество теплоты может быть измерено посредством калориметрического тела (об изменении внутренней энергии которого можно судить по показанию соответствующего макроскопического прибора). Из первого начала термодинамики следует корректность введённого определения количества теплоты, то есть независимость соответствующей величины от выбора пробного тела Y{\displaystyle Y} и способа теплообмена между телами. При таком определении количества теплоты первое начало становится содержательным законом, допускающим экспериментальную проверку, так как все три величины, входящие в выражение для первого начала, могут быть измерены независимо.

Технология расплава солей

Явная теплота расплава солей также используется для хранения солнечной энергии при высоких температурах. Расплавы солей могут применяться в качестве метода аккумулирования остаточной тепловой энергии. На данный момент это – коммерческая технология для хранения тепла, собранного гелиоконцентраторами (к примеру, с СЭС башенного типа или параболоцилиндров). Тепло позднее может быть преобразовано в перегретый пар для питания обычных паровых турбин и выработки электричества в плохую погоду или ночью. Это было продемонстрировано в 1995—1999 годах в рамках проекта «Solar Two». Оценки 2006 года предсказывали годовую эффективность в 99 %, ссылаясь на сравнение энергии, сохраненной в виде тепла перед преобразованием в электричество и преобразования тепла в электричество напрямую. Используются различные эвтектические смеси солей (к примеру, нитрат натрия, нитрат калия и нитрат кальция). Использование таких систем в качестве среды переноса тепла заметно в химической и металлургической промышленности.

Соль плавится при 131C (268F). Она хранится в жидком состоянии при 288C (550F) в изолированных «холодных» емкостях для хранения. Жидкая соль перекачивается через панели солнечного коллектора, где сфокусированное солнечное тепло нагревает ее до 566C (1 051F). Затем оно отправляется в горячую емкость для хранения. Сама изоляция емкости может использоваться для хранения тепловой энергии в течение недели. В случае потребности в электричестве, горячий расплав солей перекачивается в обычный парогенератор для производства перегретого пара и запуска стандартной турбогенераторной установки, используемой на любой угольной, нефтяной или атомной электростанции. Турбина мощностью в 100 МВт потребует емкость высотой в 9,1 м (30 футов) и диаметром 24 м (79 футов) для ее запуска в течение четырех часов по подобному принципу.

В разработке находится единый бак с разделительной плитой для сохранения и холодного, и горячего расплава солей. Гораздо более экономичным будет достижение на 100 % большего количества хранения энергии на единицу объема в сравнении со сдвоенными емкостями, так как емкость для хранения расплава солей достаточно дорога из-за сложной конструкции. Солевые грелки также используются для хранения энергии в расплавах солей.

Несколько параболоцилиндрических электростанций в Испании и «Solar Reserve» — разработчик солнечных электростанций башенного типа использует этот концепт для хранения тепловой энергии. Электростанция Солана в США может хранить в расплавах солей энергию, которая вырабатывается 6 часов. Летом 2013 года на электростанции «Gemasolar Thermosolar», работающей и как гелиоконцентратор, и как электростанция на расплавах солей в Испании, впервые удалось непрерывного производства электричества в течение 36 дней.

Неравенство Клаузиуса. Энтропия

Основная статья: Неравенство Клаузиуса

Предположим, что рассматриваемое тело может обмениваться теплотой лишь с N{\displaystyle N} бесконечными тепловыми резервуарами, внутренняя энергия которых столь велика, что при рассматриваемом процессе температура каждого остаётся строго постоянной. Предположим, что над телом был совершён произвольный круговой процесс, то есть по окончании процесса оно находится абсолютно в том же состоянии, что и в начале. Пусть при этом за весь процесс оно заимствовало из i-го резервуара, находящегося при температуре Ti{\displaystyle T_{i}}, количество теплоты Qi{\displaystyle Q_{i}}. Тогда верно следующее неравенство Клаузиуса:

∘∑i=1NQiTi⩽{\displaystyle \circ \sum _{i=1}^{N}{\frac {Q_{i}}{T_{i}}}\leqslant 0.}

Здесь ∘{\displaystyle \circ } обозначает круговой процесс. В общем случае теплообмена со средой переменной температуры неравенство принимает вид

∮⁡δQ(T)T⩽{\displaystyle \oint {\frac {\delta Q(T)}{T}}\leqslant 0.}

Здесь δQ(T){\displaystyle \delta Q(T)} — количество теплоты, переданное участком среды с (постоянной) температурой T{\displaystyle T}. Это неравенство применимо для любого процесса, совершаемого над телом. В частном случае квазистатического процесса оно переходит в равенство. Математически это означает, что для квазистатических процессов можно ввести функцию состояния, называемую энтропией, для которой

S=∫δQ(T)T,{\displaystyle S=\int {\frac {\delta Q(T)}{T}},}
dS=δQT.{\displaystyle dS={\frac {\delta Q}{T}}.}

Здесь T{\displaystyle T} — это абсолютная температура внешнего теплового резервуара. В этом смысле 1T{\displaystyle {\frac {1}{T}}} является интегрирующим множителем для количества теплоты, умножением на который получается полный дифференциал функции состояния.

Для неквазистатических процессов такое определение энтропии не работает. Например, при адиабатическом расширении газа в пустоту

∫δQ(T)T=,{\displaystyle \int {\frac {\delta Q(T)}{T}}=0,}

однако энтропия при этом возрастает, в чём легко убедиться, переведя систему в начальное состояние квазистатически и воспользовавшись неравенством Клаузиуса. Кроме того, энтропия (в указанном смысле) не определена для неравновесных состояний системы, хотя во многих случаях систему можно считать локально равновесной и обладающей некоторым распределением энтропии.

Эндотермические и экзотермические химические реакции

Технология на основе гидратов солей

Примером экспериментальной технологии накопления энергии на основе энергии химических реакций является технология на основе гидратов солей. Система использует энергию реакции, создаваемой в случае гидратации или дегидратации солей. Это работает благодаря хранению тепла в резервуаре, содержащем 50 %-ный раствор гидроксида натрия. Тепло (к примеру, получаемое с солнечного коллектора) хранится за счет испарения воды в ходе эндотермической реакции. Когда воду добавляют вновь, в ходе экзотермической реакции при 50C (120F) высвобождается тепло. На данный момент системы работают с КПД в 60 %. Система особенно эффективна для сезонного накопления тепловой энергии, так как высушенная соль может храниться при комнатной температуре длительное время без потерь энергии. Контейнеры с обезвоженной солью даже могут перевозиться в различные места. Система обладает большей плотностью энергии, чем тепло, накопленное в воде, а ее мощность позволяет хранить энергию в течение нескольких месяцев или даже лет.

В 2013 году голландский разработчик технологий «TNO» представил результаты проекта «MERITS» по хранению тепла в контейнере с солью. Тепло, которое может доставляться с солнечного коллектора на плоскую крышу, выпаривает воду, содержащуюся в соли. Когда воду добавляют снова, тепло высвобождается практически без потерь энергии. Контейнер с несколькими кубометрами соли может хранить достаточно термохимической энергии, чтобы обогревать дом всю зиму. При температурном режиме, как в Нидерландах, среднее теплоустойчивое хозяйство потребует за зиму примерно 6,7 ГДж энергии. Чтобы сохранить столько энергии в воде (при разнице температур в 70C), потребовалось бы 23 м3 воды в изолированном резервуаре, что превышает возможности хранения большинства домов. С использованием технологии на основе гидрата солей с плотностью энергии около 1 ГДж/м3, достаточно было бы 4-8 м3.

По состоянию на 2016 год, исследователи из нескольких стран проводят эксперименты по определению наилучшего типа соли или смеси солей. Низкое давление внутри контейнера кажется наилучшим для передачи энергии. Особенно перспективными являются органические соли, так называемые «ионные жидкости». По сравнению с сорбентами на основе галида лития они вызывают гораздо меньше проблем в условиях ограниченных природных ресурсов, а в сравнении с большинством галидов и гидроксидом натрия – менее едки и не дают негативного воздействия через выбросы углекислого газа.

Молекулярные химические связи

На данный момент исследуется возможность хранения энергии в молекулярных химических связях. Уже достигнута плотность энергии, эквивалентная ионно-литиевым батареям.

РОЛЬ ТЕПЛОТЫ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

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. См. также КЛИМАТ; МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ.

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 рис. 9. 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 рис. 10. 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 рис. 10, 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.

Измерение энергоемкости топлива

Удельная теплота сгорания топлива удобна для сравнения различных видов топлива. В большинстве случаев энергоемкость топлива определяют в жидкостном калориметре-интеграторе с изотермической оболочкой, в котором измерение выполняется при поддержании постоянного объема в так называемой «калориметрической бомбе», то есть толстостенном сосуде высокого давления. Теплота сгорания или энергоемкость определяется как количество теплоты, которое выделилось в сосуде при сгорании точно взвешенной массы образца топлива в кислородной среде. При этом объем сосуда, в котором сгорает топливо, не изменяется.

В таких калориметрах сосуд высокого давления, в котором происходит горение образца, заполняется чистым кислородом под давлением. Кислорода добавляют чуть больше, чем нужно для полного сгорания образца. Сосуд высокого давления калориметра должен выдерживать давление газов, образующихся при сгорании топлива. При сгорании весь углерод и водород реагируют с кислородом с образованием диоксида углерода и воды. Если сгорание происходит не полностью, например, при недостатке кислорода, образуется монооксид углерода (угарный газ СО) или топливо просто не сгорает, что приводит к неправильным, заниженным результатам.

Энергия, выделяющаяся при сгорании образца топлива в сосуде высокого давления, распределяется между сосудом высокого давления и поглощающей средой (обычно водой), окружающей сосуд высокого давления. Измеряется повышение температуры в результате реакции. Затем рассчитывается теплота сгорания топлива. Для этого используются результаты измерения температуры и калибровочных тестов, для чего в данном калориметре сжигают материал с известными характеристиками.

Любой жидкостный калориметр-интегратор состоит из следующих частей:

Жидкостный калориметр-интегратор

  • толстостенный сосуд высокого давления («бомба»), в котором происходит химическая реакция горения (4);
  • калориметрический сосуд с жидкостью, обычно имеющий тщательно отполированные наружные стенки для уменьшения теплопередачи; в этот сосуд с водой (5) помещается «бомба»;
  • мешалка
  • теплоизолированный кожух, который защищает калориметрический сосуд с сосудом высокого давления от внешних температурных воздействий (7);
  • датчик температуры или термометр, измеряющий изменение температуры в калориметрическом сосуде (1)
  • электрический запал с плавкой проволокой и электродами (6) для воспламенения топлива в чашке для образца (3), установленной в сосуде высокого давления (4); и
  • трубка (2) для подачи кислорода O₂.

В связи с тем, что при реакции горения в среде кислорода в прочном сосуде создается высокое давление в течение короткого промежутка времени, измерения могут быть опасными и следует четко соблюдать правила безопасности. Калориметр, его клапаны безопасности и электроды зажигания должны поддерживаться в рабочем состоянии и чистоте. Вес образца не должен превышать максимально допустимый для данного калориметра.

Удельная теплота сгорания различных видов топлива

Вид топливаУдельная теплота сгорания, BTU на галлон
Биодизельное топливо117 000
Дизельное топливо129 000
Этанол76 000
Бензин115 000
Водород113 000
Реактивное горючее119 000
Керосин128 000
Сжиженный природный газ75 000
Сжиженные углеводородные газы (СУГ)84 000

Удельный расход топлива на единицу тяги является мерой эффективности любого двигателя, в котором топливо сжигается для получения тяги. Именно такие двигатели установлены на многоразовом транспортном космическом корабле «Атлантис».

Автор статьи: Анатолий Золотков

Физика8 класс

На практике часто пользуются тепловыми расчётами. Например, при строительстве зданий необходимо учитывать, какое количество теплоты должна отдавать зданию вся система отопления. Следует также знать, какое количество теплоты будет уходить в окружающее пространство через окна, стены, двери.

Покажем на примерах, как нужно вести простейшие расчёты.

Итак, необходимо узнать, какое количество теплоты получила при нагревании медная деталь. Её масса 2 кг, а температура увеличивалась от 20 до 280 °С. Вначале по таблице 1 определим удельную теплоёмкость меди см = 400 Дж / кг • °С ). Это означает, что на нагревание детали из меди массой 1 кг на 1 °С потребуется 400 Дж. Для нагревания медной детали массой 2 кг на 1 °С необходимо в 2 раза большее количество теплоты — 800 Дж. Температуру медной детали необходимо увеличить не на 1 °С, а на 260 °С, значит, потребуется в 260 раз большее количество теплоты, т. е. 800 Дж • 260 = 208 000 Дж.

Чтобы рассчитать количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, следует удельную теплоёмкость умножить на массу тела и на разность между конечной и начальной температурами.

Если обозначить массу m, разность между конечной (t2) и начальной (t1) температурами — t2 — t1 получим формулу для расчёта количества теплоты:

Q = cm(t2 — t1).

Пример 1. В железный котёл массой 5 кг налита вода массой 10 кг. Какое количество теплоты нужно передать котлу с водой для изменения их температуры от 10 до 100 °С?

При решении задачи нужно учесть, что оба тела — и котёл, и вода — будут нагреваться вместе. Между ними происходит теплообмен. Их температуры можно считать одинаковыми, т. е. температура котла и воды изменяется на 100 °С — 10 °С = 90 °С. Но количества теплоты, полученные котлом и водой, не будут одинаковыми. Ведь их массы и удельные теплоёмкости различны.

Запишем условие задачи и решим её.

Нагревание воды в котелке

Пример 2. Смешали воду массой 0,8 кг, имеющую температуру 25 °С, и воду при температуре 100 °С массой 0,2 кг. Температуру полученной смеси измерили, и она оказалась равной 40 °С. Вычислите, какое количество теплоты отдала горячая вода при остывании и получила холодная вода при нагревании. Сравните эти количества теплоты.

Запишем условие задачи и решим её.

Мы видим, что количество теплоты, отданное горячей водой, и количество теплоты, полученное холодной водой,равны между собой. Это не случайный результат. Опыт показывает, что если между телами происходит теплообмен, то внутренняя энергия всех нагревающихся тел увеличивается на столько, на сколько уменьшается внутренняя энергия остывающих тел.

При проведении опытов обычно получается, что отданная горячей водой энергия больше энергии, полученной холодной водой. Это объясняется тем, что часть энергии передаётся окружающему воздуху, а часть энергии — сосуду, в котором смешивали воду. Равенство отданной и полученной энергий будет тем точнее, чем меньше потерь энергии допускается в опыте. Если подсчитать и учесть эти потери, то равенство будет точным.

Вопросы

  1. Что нужно знать, чтобы вычислить количество теплоты, полученное телом при нагревании?
  2. Объясните на примере, как рассчитывают количество теплоты, сообщённое телу при его нагревании или выделяющееся при его охлаждении.
  3. Напишите формулу для расчёта количества теплоты.
  4. Какой вывод можно сделать из опыта по смешиванию холодной и горячей воды? Почему на практике эти энергии не равны?

Упражнение 8

  1. Какое количество теплоты требуется для нагревания воды массой 0,1 кг на 1 °С?
  2. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагревания: а) чугунного утюга массой 1,5 кг для изменения его температуры на 200 °С; б) алюминиевой ложки массой 50 г от 20 до 90 °С; в) кирпичного камина массой 2 т от 10 до 40 °С.
  3. Какое количество теплоты выделилось при остывании воды, объём которой 20 л, если температура изменилась от 100 до 50 °С?

Стремимся к тепловому равновесию: нулевое начало термодинамики

Основные законы термодинамики начинаются с нулевого начала. Возможно, эта нумерация покажется странной, ведь мало какой набор вещей из повседневной жизни начинается подобным образом (“Будь осторожен на нулевой ступеньке…”), но, знаете ли, физикам нравятся их традиции. Так вот, нулевое начало термодинамики гласит, что два тела находятся в тепловом равновесии, если они могут передавать друг другу теплоту, но не делают этого. (В русскоязычной научной литературе нулевое начало термодинамики называют также общим началом термодинамики. — Примеч. ред.)

Например, если у вас и у воды в плавательном бассейне, в котором вы находитесь, одна и та же температура, то никакое тепло от вас к воде или от воды к вам не передается (хотя такая передача возможна). Ваше тело и бассейн находятся в тепловом равновесии. Однако, если вы прыгнете в бассейн зимой, проломив при этом его ледяную корку, то первое время вряд ли будете в тепловом равновесии с его водой. Впрочем, вы и не захотите этого. (Не пытайтесь проделать этот физический опыт дома!)

Использование термометра показывает: два тела, находящиеся в тепловом равновесии с третьим, также находятся в тепловом равновесии друг с другом; вот вам еще одна формулировка нулевого начала.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации