Если бы Светозар внимательно читал учебник физики, таких вопросов бы не возникло. Но, к счастью, герой был полон решимости восполнить этот пробел в знаниях и решил использовать формулу количества тепла, которое выделяется при нагревании или охлаждении тела. Он имеет следующую форму:
Что такое тепловой баланс
Ключевые слова конспекта: количество теплоты, уравнение теплового баланса, закон сохранения энергии в тепловых процессах.
Теорема о сохранении механической энергии выполняется для механических явлений при определенных условиях: Полная механическая энергия системы тел сохраняется при их взаимодействии с гравитационными или упругими силами. При действии сил трения полная механическая энергия тела не сохраняется, а частично (или полностью) преобразуется во внутреннюю энергию.
Если состояние тела (системы) меняется, то меняется и его внутренняя энергия. Состояние тела и, следовательно, его внутренняя энергия могут быть изменены двумя способами: за счет теплопередачи или за счет действия внешних сил на тело (работа, например, за счет сил трения). Количество тепла (Q) — это мера изменения внутренней энергии тела в процессе теплообмена.
Уравнение теплового баланса
Когда горячая и холодная вода смешиваются в изолированной системе, количество тепла Q1отдаваемое горячей водой, равно количеству тепла Q2которую получает холодная вода, т.е: | Q1|= |Q2|. Q1(излучаемый)<0, Q2(полученное)>0.
Записанное уравнение называется уравнением теплового баланса (эта формула и уравнение используются в 8 классе!). Определение: Общее количество тепла, выделяемого в изолированной системе, равно общему количеству тепла, поглощаемого этой системой.
Уравнение теплового баланса соотносит количество тепла, поглощенного одним телом, с количеством тепла, отданного другим телом в процессе теплообмена. В этом случае в теплообмене могут участвовать не два, а три и более тел: Q1+ Q2+ Q3+ … = 0
Уравнение теплового баланса — это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в теплоизолированных системах. Он позволяет определить определенные значения. В частности, удельная теплоемкость веществ определяется уравнением теплового баланса.
◊◊◊◊ Обратите внимание! В старших классах используется следующее определение «уравнения теплового баланса»: Если в изолированной системе тел не происходит никаких преобразований энергии, кроме теплообмена, то количество тепла, отдаваемого телами, внутренняя энергия которых уменьшается, равно количеству тепла, поглощаемого телами, внутренняя энергия которых увеличивается. Полная энергия системы не изменяется. Используется и другая форма уравнения (с учетом интегральной формы первого закона термодинамики):
Закон сохранения энергии в тепловых процессах
Закон сохранения энергии в тепловых процессах выполняется, когда тела нагреваются за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива. В качестве топлива используются природный газ, дрова, уголь и нефть. Во время горения происходит химическая реакция окисления: Атомы углерода соединяются с атомами кислорода в воздухе, образуя молекулу монооксида углерода (углекислого газа) C0.2. Во время этого процесса высвобождается энергия.
При сгорании различных видов топлива с одинаковой массой выделяется разное количество тепла. Например, известно, что природный газ является лучшим источником энергии, чем древесина. Это означает, что для получения одинакового количества тепла масса сжигаемой древесины должна быть значительно больше массы природного газа. Поэтому различные виды топлива характеризуются с точки зрения энергии величиной, называемой теплотворной способностью топлива.
Обзор урока «Уравнение теплового баланса».
Виды теплового баланса котлов
1. уравнение прямого баланса определяет взаимосвязь между расходом топлива и тепловой эффективностью котла. Обязательным является измерение параметров и количества производимого пара или воды. 2. уравнение обратного теплового баланса определяет взаимосвязь между КПД котла и тепловыми потерями (значения выражаются в процентах).
Тепловой баланс используется для анализа процессов в топке котла при сжигании топлива с целью: выявления причин снижения производительности котла; разработки необходимых мер для повышения эффективности.
Слагаемые теплового баланса
Тепловой баланс котла можно записать в виде уравнения Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5, где Q — общее количество тепла, поступающего в камеру сгорания. Она складывается из теплоты сгорания топлива, его естественного тепла и тепла, поступающего в камеру сгорания вместе с паром и подаваемого в воздух для горения: Q = Qn + Qf.t + Qf.v + Qpar.
Qn — чистая теплотворная способность топлива, выделяемая при полном сгорании, без учета теплоты конденсации водяного пара. Qf.t — физическая теплота топлива, которая учитывается, если топливо предварительно подогревается перед введением в топку. Qf.in — теплота воздуха, поступающего в камеру сгорания; учитывается, если котельная оборудована воздухонагревателем. Qпар — это теплота пара, поступающего в топку.
Правая часть уравнения представляет собой сумму тепла, затраченного на производство пара или воды (Q1) и тепловых потерь (Q2 + Q3 + Q4 + Q5).
Q1 — полезное тепло, расходуемое на производство пара или горячей воды; Q2 — потери тепла с отходящими газами (наиболее важная величина, достигающая в современных котлах 4-10 %). Его величина зависит от вида используемого топлива, нагрузки котла, температуры и объема дымовых газов и значительно увеличивается с увеличением количества воздуха, подаваемого для горения) Q3 — потери тепла из-за химически неполного сгорания топлива (увеличивается с уменьшением подачи воздуха для горения и также зависит от вида сжигаемого топлива, способа сжигания, конструкции топки и других факторов). Q4 — потери тепла из-за естественного, неполного сгорания топлива (учитывается только при работе на твердом топливе). Q5 — Потери тепла в окружающую среду (зависит от качества и толщины обшивки котла, теплопроводности материала котла, наружной температуры, региона и т.д.) Рассчитывается по приблизительным формулам.
Тепловой баланс устанавливается при нормальной работе котла, выражается в кДж/кг (кДж/м3) и обычно относится к 1 м3 газа или 1 кг твердого и жидкого топлива при Т=0°С и Р=760 мм рт. ст. (0,1 МПа).
Уравнение обратного баланса
В основном он используется для испытания котлов. В этом случае рассчитывается величина тепловых потерь и по известной теплоте сгорания топлива определяется КПД котла брутто: hbr = 100 — (Q2 + Q3 + Q5).
Погрешности при определении теплопотерь меньше, чем при расчете расхода топлива, поэтому метод обратного баланса для определения эффективности является более точным.
- Как рассчитать теплообменник
- Как сделать тплоаккумулятор для котлов отопления
- Что такое принудительная тяга
- Теплообменник труба в трубе: 4 варианта конструкции
- Как рассчитать теплопотери
- Как рассчитать тепловую нагрузку
- Как повысить КПД котла
- Как определить расход газа
- Теплотехнический расчет ограждающих конструкций
- Куда уходит тепло
- Как рассчитать теплопроводность
- Как построить котельную
- Газовые напольные котлы отопления
- Как выбрать твердотопливный котел
- Как сделать теплотехнический расчет
- Как определить тепловой поток
- Принципы работы теплового насоса
- Как подобрать теплообменник
- КПД двигателя: как он определяется
- Что такое теплопроводность
- Как определить потери электроэнергии
- Как рассчитать тепловой насос
- Что такое бездымоходный котел
Уравнение теплового баланса
Знаки понятны, но почему значения одни и те же? В этом заключается суть теплового равновесия, которое описывается уравнением теплового баланса.
Тепловое равновесие — это состояние системы тел, при котором отсутствует теплообмен внутри системы.
В нашем примере теплообмен происходил, когда жидкости обменивались теплом. В конце концов, система достигла устойчивого состояния, когда теплообмен больше не происходит, и чайки могут спокойно пить. А то, как тепло перераспределялось между веществами, описывается уравнением теплового баланса (BCE):
Уравнение теплового баланса (THB):
И: поглощенная телом энергия обозначается со знаком «+», отданная — со знаком «-«.
По сути, UEB — это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в изолированных системах: Столько же тепла, сколько отдавали одни тела, поглощали другие.
И вот, удовлетворенный ответом на свой вопрос, Светозар берет в руки свою любимую книгу и отдыхает.
И давайте решим еще одну проблему UTB, но более сложную.
Задача: В калориметре находится 1,5 кг льда. Определите начальную температуру, когда калориметр находится в тепловом равновесии при температур е-2,7 °C после добавления 20 г воды, имеющей температуру 32 °C. Теплообменом с окружающей средой и калориметром можно пренебречь.
Примечание: Все количества, кроме Q с индексом «1», относятся ко льду, а с индексом «2» — к воде.
Термины
Таблицы представляют собой общедоступные, стабильные и безопасные для использования данные. Например, таблица плотностей, удельных теплоемкостей веществ, астрономических величин и т.д.
- Тепловое равновесие — это такое состояние системы тел, при котором в этой системе не происходит теплообмена.
- Тепловое равновесие можно описать с помощью уравнения теплового баланса (УТБ), которое имеет вид: Q1+ Q2+ … + Qn= 0.
- Если тела остывают, то они отдают тепло, и считается, что величина Q отрицательная. Тогда в УТБ на соответствующем месте будет стоять знак “-”.
- Если же тела нагреваются, то они получают тепло, и считается, что величина Q положительная. Тогда в УТБ на соответствующем месте будет стоять знак “+”.
Проверь себя
Задача 1 В каких случаях можно сказать, что количество тепла при теплопередаче отрицательно?
- Когда тело принимает тепло;
- Когда тело отдает тепло;
- Такого не может быть, мы так не говорим;
- Когда тела находятся в тепловом равновесии.
Задание 2. Какое из следующих утверждений верно?
- Уравнение теплового баланса описывает переход к тепловому равновесию.
- Уравнение теплового баланса — закон сохранения энергии при фазовых переходах изолированной системы, а также при ее нагревании и охлаждении.
- Верно только 1;
- Верно только 2;
- Верны и 1 и 2;
- Неверны ни 1, ни 2.
Задача 3. 8 литров воды, взятой при температуре 10 ℃, смешали с водой при температуре 95 ℃. Температура смеси была установлена на 70℃. Какова масса горячей воды? Пренебрегайте теплообменом с окружающей средой.
Ответы.
