Теоретический материал

Передача тепловой энергии осуществляет рабочее тело, т. е. веществом, способным воспринимать теплоту и совершать работу. В отопительно-котельной технике рабочее тело это горячая вода и водяной пар.

В водогрейных или паровых котлах теплота продуктов сгорания, образующаяся при сжигании топлива, передается через стенки котла (площадь поверхности нагрева) к воде, которая нагревается до определенной температуры или преобразуется в пар. В результате сообщения теплоты рабочее тело изменяет свое состояние, характеризующееся параметрами состояния рабочего тела: температурой, удельным объемом, давлением. Часто эти параметры называют основными.

Температура - мера нагретости тела, которая является величиной, определяющей направление самопроизвольной передачи теплоты. Понятие температуры не может быть применено к одной или нескольким молекулам. Если два тела с различными средними кинетическими энергиями движения молекул привести в соприкосновение, то тело с большей кинетической энергией молекул /с большей температурой/ будет отдавать энергию телу с меньшей средней кинетической энергией молекул /с меньшей температурой/, и этот процесс будет протекать до тех пор, пока средние кинетические энергии молекул обоих тел не сравняются, т. е. не выровняются температуры обоих тел. Такое состояние двух тел называется тепловым равновесием.

В технике для измерения температур используют различные свойства тел: расширение тел от нагревания в жидкостных термометрах; изменение электрического сопротивления проводника при нагревании в термометрах сопротивления; изменение электродвижущей силы в цепи термопары при нагревании или охлаждении ее спая и др.

Параметром состояния рабочего тела является абсолютная температура, измеряемая в градусах Кельвина /К/. Между температурами, выраженными в градусах Кельвина и Цельсия, имеется следующая связь:

T = t + 273, 15(1. 4)

Абсолютная температура - величина всегда положительная, т. к. в данном случае отсчет температуры ведется по шкале, характеризуемой тем, что нулевая точка этой шкалы представляет собой наинизшую термодинамически возможную температуру. Эта точка называется абсолютным нулем.

Температура измеряется в градусах. Градус - одна сотая часть расстояния на столбике ртути между точками, соответствующими температурам плавления льда и кипения воды при атмосферном давлении 101, 3 кПа (760 мм рт. ст. ). Шкалу температур, полученную таким образом, называют стоградусной, или шкалой Цельсия °С. Температуру, выраженную по этой шкале, принято обозначать буквой t.

Стоградусная, или международная, практическая шкала применяется наравне с основной в международной системе (СИ) термодинамической шкалой температур Кельвина. За начало отсчета температур по этой шкале принят абсолютный нуль (- 273 °С) - наинизшая теоретически возможная температура, при которой отсутствует движение молекул. При этом размер градуса оставлен таким же, как в практической шкале. Выраженную по шкале Кельвина температуру обозначают буквой Т, а единицу ее измерения - (Кельвин) К. Температура, выраженная в Кельвинах, связана с температурой в градусах Цельсия соотношением:

T = t + 273.

Таким образом, по данной шкале температура таяния льда равна 273 К, а температура кипения воды 373 К. Однако следует отметить, что температура кипения зависит от давления. При давлении выше атмосферного вода закипает при температуре более 100 °С. Например, при давлении 0, 17 МПа температура кипения составит 115 С.

У д е л ь н ы й о б ъ е м. Удельный объемv - это объем, занимаемый единицей массы рабочего тела. Если V - полный объем, занимаемый рабочим телом в м ³, m - его масса в кг, то

[м³/кг] (1. 1)

Плотность тела определяется как масса единицы объема

[кг/м³]. (1. 2)

Удельный объем есть величина, обратная плотности, т. е.

(1. 3)

Давление - сила, действующая на единицу площади поверхности тела (нормально или перпендикулярно последней). Различают абсолютное, избыточное, барометрическое /атмосферное/ и вакуумметрическое давления. Термодинамическим параметром состояния является только абсолютное давление. Абсолютное давление - это полное давление, производимое паром или газом.

Пусть к сосуду, в котором находится, например, газ, подсоединен манометр /прибор для измерения давления/. Когда давление газа равно давлению внешней среды, т. е. барометрическому давлению , то стрелка манометра находится на нуле шкалы. Когда же давление газа превышает барометрическое, стрелка отклоняется, показывая избыток давления газа над барометрическим, т. е. избыточное давление (рис. 1. 1). Таким образом,

Р_а = Р_изб + Р_б.(1. 5)

Если абсолютное давление Р_аменьше барометрического Р_б, то величина Н, показывающая на сколько Р_а меньше Р_б, называется разрежением или вакуумом.

Н=Р_вак= Р_б- Р_а; Р_а = Р_б- Н. (1. 6)

Избыточное давление измеряется манометром, а разрежение - вакуумметром.

Давление в системе СИ измеряется в паскалях:

1Па = 1Н/м² = 10^-3кПа = 10^-6МПа.

В технических расчетах пользуются иногда внесистемной единицей - баром: 1 бар = 10⁵Па.

Чтобы определить давление Р, надо силу F разделить на площадь S, на которую она действует, т. е.

P=F/S.

В Международной системе СИ за единицу давления принят Паскаль (Па=Н/м²) - давление силы, равной 1 Ньютону, на 1 квадратный метр. Эта единица давления очень мала и пользоваться ею практически неудобно, поэтому употребляют более крупные кратные единицы: 1 МПа (мегапаскаль) = 10⁶ Па (для измерения, например давления пара в котле), 1 кПа (килопаскаль) - 10³ Па (для измерения, например барометрического давления).

Широкое распространение в технике имеет внесистемная единица давления - техническая атмосфера (или кратко атмосфера): 1_ат = 98, 0665 × 10³Па = 0, 0981 МПа = 1 кгс/см² = 104 кгс/м².

Небольшие давления, а также разрежения измеряют иногда высотой столба жидкости (например, воды, ртути). Единицы измерения 1 мм вод. ст. и 1 м вод. ст. широко используются в технике (1 мм вод. ст. = 9, 807 Па).

В закрытых сосудах различают давление избыточное, разрежение (или вакуум) и абсолютное. Давление в закрытом сосуде, превышающее атмосферное, называется избыточным (ати), а давление меньше атмосферного разрежением или вакуумом. Абсолютное давление (ата) равно сумме измеренного избыточного и атмосферного давлений или разности атмосферного давления и измеренного разрежения.

Избыточное или рабочее давление в котлах, трубопроводах и других сосудах измеряют приборами, которые называются манометрами, а вакуум или разрежение измеряют вакуумметрами. Например, манометр показывает давление пара в котле 0, 07 МПа (0, 7 кгс/см²). Это значит, что давление в котле 0, 7 ати. Для того чтобы получить абсолютное давление пара в котле, необходимо к 0, 7 ати прибавить атмосферное давление, т. е, 0, 7 + 1 = 1, 7 ата (атмосферы абсолютные).

Если в каком-либо сосуде имеется разрежение, равное 0, 5 ата, то абсолютное давление составит 1 - 0, 5 = 0, 5 ата или 0, 05 МПа.

Обозначив Р_а - атмосферное давление; Р_м - избыточное или манометрическое давление, Р - абсолютное давление, Р_в - разрежение или вакуум, имеем следующие формулы соотношения давлений:

Р_м = Р - Р_а; Р = Р_к + Р_а; Р_в = Р_а - Р

Атмосферное давление. Земля окружена воздушной оболочкой (атмосферой) толщиной в несколько сотен километров. Поверхность земли и находящиеся на ней предметы подвержены действию атмосферного давления.

Давление в 1 атмосферу уравновешивается столбиком ртути высотой 760 мм (физическая атмосфера). Зная плотность ртути, можно подсчитать величину физической атмосферы в другие единицах, например в кгс/м: 13595× 0, 76=10331, 2 кгс/м², или 1, 033 кгс/см². Таким образом, физическая атмосфера равна 760 мм рт. ст., или 1, 033 кгс/см² или 101, 3 кПа, Физическая атмосфера сокращенно обозначается атм. В отличие от физической, техническая атмосфера (1 ат) равна 1 кгс/см³, или 735, 6 мм рт. ст., или 98 кПа; 1 кгс/м² = 1 мм вод. ст.

Атмосферное давление зависит от состояния погоды и высоты местности над уровнем моря. Атмосферное давление на уровне моря равно 101, 3 кПа (760 мм рт. ст. ). Чем выше над уровнем моря точка поверхности земли, тем меньше атмосферное давление. Этим и объясняется то, что температура кипения воды высоко в горах менее 100 °С. Атмосферное давление измеряется приборами, которые называют барометрами. Помимо основных параметров рабочее тело имеет теплоемкость, теплопроводность.

Теплоемкость - количество теплоты, необходимое для изменения температуры какого-либо вещества на один градус. Тепловые свойства вещества характеризуются теплоемкостью его единицы количества (1 кг, 1 м³, 1 киломоль), которую соответственно называют удельной массовой, объемной или киломольной теплоемкостью. Единицами измерения указанных удельных теплоемкостей являются в Международной системе единиц СИ кДж/(кг× град); кДж/(м³× град); кДж/(кмоль× град) или ккал/(кг× град); ккал/(м³× град); ккал/(кмоль× град).

Для газов удельная теплоемкость зависит от того, в каких условиях происходит нагревание. При этом различают удельную теплоемкость при постоянном объеме С_v и удельную теплоемкость при постоянном давлении С_р. Причем С_р всегда больше, чем С_v. Для твердых тел и жидкостей эти теплоемкости не различаются.

Зная удельную теплоемкость вещества, по формуле

Q=C_m(t₂ – t₁)

Можно рассчитать количество теплоты (кДж или ккал), идущее на нагревание или охлаждение тела. В данной формуле С - удельная теплоемкость; m - единица количества вещества; t₁ – t₂ - разность температур.

⇐ Предыдущая 12