Методика изучения тепловых явлений на основе строения вещества

Такой процесс часто называется естественной конвекцией. Для ее возникновения требуется подогрев жидкости снизу (или охлаждение сверху), причем нагрев в разных участках должен быть неравномерным.

Кроме естественной конвекции, возможна и вынужденная конвекция. При вынужденной конвекции потоки нагретой (или охлажденной) жидкости или газа переносятся под действием насосов или вентиляторов. Така

я конвекция используется в тех случаях, когда естественная конвекция оказывается недостаточно эффективной, а также в состоянии невесомости, когда естественная конвекция невозможна.

Явление возникновения струй или потоков в нагреваемых или охлаждаемых жидкостях и газах называется конвекцией. Кроме того, с точки зрения термодинамики конвекция – это способ теплопередачи, при котором внутренняя энергия переносится потоками неравномерно нагретых веществ.

Теплопередача конвекцией часто встречается в быту. Например, отопительные батареи-радиаторы располагаются вблизи пола под подоконником. Поэтому нагреваемый ими воздух, поднимаясь вверх, смешивается с холодным воздухом, опускающимся от окна. В результате в комнате устанавливается почти равномерная температура. Этого не происходило бы, если бы батареи располагались у потолка. Конвективные потоки возникают и внутри кастрюль с жидкостями, которые нагреваются на кухонной плите.

С явлением конвекции связана работа отопительной системы дома. Отопительная система жилого дома также работает с помощью конвекции. Горячая вода, поступающая в дом, или нагретая в котле, поднимается вверх, а затем спускается по трубам и распределяется по жилым помещениям, отдавая тепло в радиаторах или конвекторах (рис. 5).

Рисунок 5 – Конвенция, связанная с отопительной системой дома

Тепловое излучение

Испускаемый источником свет уносит с собой энергию. Существует много различных механизмов подвода энергии к источнику света. В тех случаях, когда необходимая энергия сообщается нагреванием, то есть подводом тепла, излучение называется тепловым или температурным. Этот вид излучения представлял для физиков конца XIX века особый интерес, так как в отличие от всех других видов люминесценции, тепловое излучение может находиться в состоянии термодинамического равновесия с нагретыми телами.

Обнаружить излучение можно поднеся руку сбоку к раскаленному предмету (рис. 6).

Рисунок 6 – Исследование излучения на фоне раскалённого предмета

Происходящая теплопередача не является конвекцией, поскольку конвекционные потоки теплого воздуха поднимаются вверх. Теплообмен не является и теплопроводностью, поскольку теплопроводность воздуха очень мала. Можно предположить, что теплообмен происходит посредством невидимого излучения.

Лучи могут различным образом поглощаться поверхностями и отражаться от них.

Чтобы несколько более детально исследовать процесс теплообмена, происходящий при излучении и поглощении энергии, расположим на одинаковом расстоянии от двух теплоприемников электролампу (рис. 7).

Рисунок 7 – Исследование излучения на фоне двух теплоприёмников и электролампы

Теплоприемник представляет собой металлическую коробку с отверстием для подсоединения манометра. Одна поверхность теплоприемника - блестящая, другая - черная. К лампе теплоприемники обращены разными сторонами. С помощью шлангов теплоприемники подсоединены к манометру, позволяющему зафиксировать изменение давления воздуха внутри них. Давление воздуха в теплоприемниках будет изменяться при изменении его температуры.

Опыт показывает, что давление, а следовательно и температура воздуха в теплоприемниках повышается, причем в теплоприемнике, обращенном к лампе черной стороной, температура повышается на большую величину, чем в теплоприемнике с блестящей стороной.

Увеличим температуру нити накала лампы. Изменение температур воздуха в теплоприемниках происходит с большей скоростью, чем в предыдущем случае.

Тела с темной поверхностью поглощают лучистую энергию лучше, чем тела со светлой поверхностью.

Тепловое излучение отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум.

Расчёт количества теплоты. Удельная теплоёмкость

Количество теплоты (Q) — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин.

Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, то есть количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, прямо пропорционально его массе и изменению температуры Q=cm(t2 - t1), где Q – количество теплоты, m – масса тела, t2 – конечная температура тела, t1 – начальная температура тела, с – удельная теплоёмкость.

Количество теплоты при нагревании и охлаждении: Q=cm(t2 - t1)

Удельная теплоёмкость (c) вещества определяется как количество тепловой энергии, необходимой для повышения температуры одного килограмма вещества на один градус Цельсия.

Единицей СИ для удельной теплоёмкости является Джоуль на килограмм-Кельвин. Следовательно, удельную теплоёмкость можно рассматривать как теплоёмкость единицы массы вещества. На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества. К примеру, измерение удельной теплоёмкости воды даст разные результаты при 20 °C и 60 °C.

Формула расчёта удельной теплоёмкости: c=Q/m((t2 - t1) , где c — удельная теплоёмкость, Q — количество теплоты, полученное веществом при нагреве (или выделившееся при охлаждении), m — масса нагреваемого (охлаждающегося) вещества, (t2 - t1) — разность конечной и начальной температур вещества.

Горение. Удельная теплота сгорания топлива

Горение — сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Приближенно можно описать природу горения как бурно идущее окисление.

Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.

Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением, в следствие, накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.

Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.

Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса — скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов — не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).