• Evaporare și condensare.

O sticlă de parfum bine închisă poate rezista foarte mult timp, iar cantitatea de parfum din ea nu se va schimba. Dacă sticla este lăsată deschisă, atunci, după ce o priviți după un timp suficient de lung, veți vedea că nu există lichid în ea. Lichidul în care sunt dizolvate substanțele aromatice s-a evaporat.

Dar cum poate fi explicat acest fenomen?

Moleculele dintr-un lichid se mișcă aleatoriu. Cu cât temperatura lichidului este mai mare, cu atât energia cinetică a moleculelor este mai mare. Valoarea medie a energiei cinetice a moleculelor la o anumită temperatură are o anumită valoare. Fiecare moleculă are o energie cinetică de acest moment poate fi mai mică sau mai mare decât media. La un moment dat, energia cinetică a moleculelor individuale poate deveni atât de mare încât vor putea zbura din lichid, depășind forțele atractive ale altor molecule. Acesta este procesulevaporare.

Molecula care scapă participă la mișcarea termică aleatorie a gazului. Mișcându-se aleatoriu, se poate îndepărta permanent de suprafața lichidului dintr-un vas deschis, dar se poate întoarce și din nou la lichid. Un astfel de proces se numeștecondensare.

Dacă fluxul de aer peste vas duce cu el vaporii formați ai lichidului, atunci lichidul se evaporă mai repede, deoarece molecula de vapori are o capacitate redusă de a reveni la lichid. Cu cât temperatura lichidului este mai mare, cu atât este mai mare numărul de molecule suficiente pentru a scăpa din lichid energie kinetică cu atât evaporarea este mai rapidă.

În timpul evaporării, moleculele mai rapide părăsesc lichidul, astfel încât energia cinetică medie a moleculelor lichide scade. Aceasta înseamnă că există o scădere a temperaturii lichidului. După ce v-ați umezit mâna cu un lichid care se evaporă rapid (benzină sau acetonă), veți simți imediat o răcire puternică a zonei umede. Răcirea va crește dacă suflați pe mână.

Dacă privați lichidul de posibilitatea de a se evapora, atunci răcirea lui va avea loc mult mai lent. Amintiți-vă cât timp se răcește supa grasă. Un strat de grăsime pe suprafața sa împiedică eliberarea de molecule rapide de apă.

• Abur saturat.

Dacă vasul cu lichid este închis etanș, atunci declinul său se va opri în curând. La o temperatură constantă, sistemul lichid - vapori va ajunge într-o stare de echilibru termic și va rămâne în el pentru o perioadă de timp arbitrară. Concomitent cu procesul de evaporare are loc și condensarea, ambele procese, în medie, se compensează reciproc.

În primul moment, după ce lichidul este turnat în vas și închis, lichidul se va evapora și densitatea vaporilor de deasupra acestuia va crește. Totuși, în același timp, va crește și numărul de molecule care se întorc în lichid. Cu cât densitatea vaporilor este mai mare, cu atât Mai mult moleculele sale sunt returnate în lichid. Ca urmare, într-un vas închis la o temperatură constantă, dinamic(mobil) echilibruîntre lichid și vapori, adică numărul de molecule care părăsesc suprafața lichidului este egal, în medie, cu numărul de molecule de vapori care se întorc în lichid în același timp

Un vapor aflat în echilibru dinamic cu lichidul său se numește abur saturat .

Deasupra suprafeței libere a unui lichid, există întotdeauna vapori ai acestui lichid, care se formează ca urmare a evaporării. Dacă spațiul de deasupra suprafeței libere a lichidului nu este limitat de niciun perete, moleculele sau atomii substanței evaporate, făcând o mișcare termică haotică, se îndepărtează de suprafața lichidului. Îndepărtarea particulelor de vapori de pe suprafața unui lichid este facilitată de fenomenul de difuzie, precum și de convecția naturală sau artificială a straturilor de aer. Concentrația particulelor de vapori la temperatura constantaîn aceste condiţii, poate varia într-o gamă largă, atât în ​​direcţia scăderii, cât şi în sensul creşterii. Astfel de perechi se numesc nesaturate.

O imagine diferită este observată dacă există un spațiu limitat deasupra suprafeței libere a lichidului. Indiferent dacă este umplut cu orice alte substanțe gazoase, cu excepția vaporilor lichidului care se evaporă, nu contează. Este important de menționat că procesul de evaporare într-un spațiu închis poate avea loc doar până la o anumită limită. Cu cât devine mai mare concentrația de molecule sau atomi ai substanței care se evaporă în stare de vapori, cu atât va fi mai mare presiunea acestor vapori la o temperatură constantă. În acest caz, un număr tot mai mare de molecule sau atomi se pot întoarce prin suprafața liberă înapoi în lichid. Dacă spațiul acordat vaporilor este suficient de mic și lichidul este suficient de mare, echilibrul dinamic se poate stabili: numărul de particule care părăsesc lichidul pe unitatea de timp este egal cu numărul de particule care se întorc în lichid în aceeași perioadă de timp . În acest caz, o masă constantă de vapori va fi deasupra lichidului și nu se poate obține o concentrație mai mare a particulelor acestuia în aceste condiții. Un astfel de abur se numește saturat.

Presiunea de vapori de saturație a unei substanțe la o anumită temperatură poate avea una - singura valoare definită.

O scădere a volumului de spațiu oferit unui vapor saturat al unei substanțe date la o temperatură constantă duce la condensarea unei părți a vaporilor într-un lichid, deoarece concentrația particulelor sale nu poate depăși o anumită valoare. Această compresie izotermă vapori saturati diferă de compresia vaporilor nesaturați, care se comportă ca obișnuit gaze ideale. Prin urmare, legea Boyle-Mariotte nu este valabilă pentru vaporii saturați.

Legea lui Gay-Lussac nu se aplică nici vaporilor saturați, deoarece volumul furnizat acestora este independent de temperatură.

Nu se aplică vaporilor saturați și legii lui Charles. Odată cu creșterea temperaturii gaze ideale sau vapori nesaturațiîn procesul izocor, energia cinetică medie a particulelor lor crește, ceea ce duce la ciocnirile lor mai frecvente între ele și cu pereții vasului, adică. la o creștere a presiunii.

Este posibil să vorbim cu încredere că un anumit vas închis conține exact vaporii saturati ai unei substanțe numai dacă vasul conține această substanță în stare lichida iar masa fazei sale lichide nu se modifică.

De exemplu, ei pun în fața noastră un vas de sticlă închis și ne cer să stabilim fără nicio măsurătoare dacă conține vapori de apă saturați sau nesaturați.

Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să așteptați câteva minute, astfel încât conținutul vasului să aibă timp să intre în echilibru termodinamic cu aerul din jur. Acest lucru este cauzat de faptul că nu știm la ce temperatură a fost adus vasul din cameră, iar o modificare a temperaturii aburului la un volum constant poate aduce aburul dintr-o stare nesaturată la o stare saturată și invers. . Dacă, după stabilirea echilibrului, nu există condensarea apei pe pereții interiori ai vasului, trebuie să spunem că la temperatura la care se face observația, vasul conține vapori nesaturați. Dacă pe pereții vasului apar picături de apă, aburul este saturat.

Vaporii de apă în aer

Atmosfera Pământului conține întotdeauna vapori de apă. Prezența lor trebuie luată în calcul foarte des. În special, umiditatea aerului trebuie evaluată cu precizie în încăperi închise sau slab ventilate, camere de uscare etc.

Pentru cuantificare Conținutul de vapori de apă din aer utilizează două valori - umiditatea absolută (f) și umiditatea relativă (B).

Umiditatea absolută se numește cantitate fizica, măsurată prin masa vaporilor de apă conținută într-un metru cub de aer. În acest fel, umiditate absolută coincide cu dimensiunea densității, dar în practică folosesc de obicei o unitate - 1 g / m 3.

Această din urmă împrejurare se datorează faptului că umiditatea absolută f, exprimată în g/m 3, diferă puțin ca valoare numerică de presiune parțială vapori de apă p în aceleași condiții, măsurați în milimetri de mercur.

Raportul procentual dintre presiunea parțială p a vaporilor de apă din aer și presiunea vaporilor de apă saturati p n.p. la o anumită temperatură se numește umiditate relativă:

La calcul umiditate relativă conform acestei formule, presiunea p si p n.s. trebuie măsurat în aceleași unități. De obicei, acestea sunt măsurate nu în pascali, ci în milimetri de mercur. Valoarea lui p n.s se determină din tabele.

Temperatura la care aerul devine saturat cu vapori de apă în timpul răcirii se numește punct de rouă.

BAZELE TRANSFERULUI DE CĂLDURĂ

Transferul de căldură este o știință care studiază modelele proceselor de transfer de căldură între corpuri și distribuția căldurii într-un singur corp. Studiul legilor transferului de căldură este necesar pentru a controla fluxurile de căldură care apar aproape peste tot în procesele de lucru ale mașinilor, motoarelor, aparatelor etc.

În teoria transferului de căldură, sunt luate în considerare două întrebări principale:

I. Determinarea cantității de căldură care este transferată de la un corp la altul sau care trece dintr-o parte a corpului în alta în condiții date.

II. Determinarea temperaturii în diferite părți ale corpului implicate în procesul de transfer de căldură.

O condiție necesară și suficientă pentru transferul de căldură este diferența de temperatură.

Căldura este transferată în trei moduri: conducție, convecție și radiație.

Conductivitatea termică este procesul de distribuție a energiei termice prin contactul direct al părților individuale ale corpului cu diferite temperaturi.

Convecția este procesul de transfer de energie atunci când se deplasează volume de lichid sau gaz în spațiu dintr-o zonă cu o temperatură într-o zonă cu o temperatură diferită.

Radiația (transferul radiant de căldură) este procesul de transfer de energie prin unde electromagnetice. Transferul de căldură prin radiație este o dublă transformare a energiei: un corp mai fierbinte radiază energie sub formă de oscilații electromagnetice, un alt corp mai puțin încălzit absoarbe energie și se încălzește.

De obicei, schimbul de căldură între corpuri are loc în toate cele trei moduri simultan. Combinația dintre ele poate fi cea mai diversă. În acest caz, o metodă poate prevala asupra celeilalte, în funcție de condițiile în care are loc transferul de căldură.

Cu toate acestea, atunci când studiem procesele de transfer de căldură, ar trebui să distingem clar și să ia în considerare separat diferite metode de transfer de căldură (conducție termică, convecție și radiație), deoarece acestea respectă legi diferite.

Procesele de transfer de căldură în dispozitivele de inginerie termică pot avea loc atât în ​​mod constant (staționar), cât și în regim instaționar (nestaționar). Un regim termic staționar (staționar) este un regim în care temperatura în orice punct al corpului nu depinde de timp. Un regim staționar este întotdeauna precedat de un regim non-staționar.

Procesele care au loc în condițiile condițiilor termice nestaționare (procese de încălzire și răcire) sunt foarte complexe, iar luarea în considerare a acestora nu este inclusă în programul acestui curs. Prin urmare, aici sunt luate în considerare numai procesele staționare de transfer de căldură.

CONDUCTIVITATE TERMICĂ

Noțiuni de bază

Conductivitatea termică este transferul molecular de căldură în continuum datorită prezenței unei diferențe de temperatură.

Această metodă de transfer de căldură are loc în principal în solide atât în ​​interiorul unui corp, cât și între două corpuri atunci când acestea intră în contact unul cu celălalt. Conductivitatea termică poate fi realizată și printr-un strat de lichid sau gaz. Cu toate acestea, gazele și lichidele, cu excepția metalelor topite, sunt foarte slabe conductoare de căldură.

câmp de temperatură. Procesul de conducere a căldurii, precum și alte tipuri de transfer de căldură, se efectuează numai cu condiția ca temperatura să nu fie aceeași în diferite puncte ale corpului. După cum știți, temperatura este un parametru al stării corpului și caracterizează gradul de încălzire a acestuia. Setul de valori ale temperaturii în toate punctele spațiului considerat la un moment dat se numește câmp de temperatură. Matematic, câmpul de temperatură este exprimat în funcție de coordonate

O suprafață în toate punctele a căror temperatură este aceeași se numește izotermă.

Pentru că nici doi oameni nu pot fi în același punct în spațiu în același timp. temperaturi diferite, atunci diferite suprafețe izoterme nu se intersectează niciodată. Toate acestea fie se termină pe suprafața corpului, fie sunt amplasate în întregime în interiorul acestuia.

legea lui Fourier. Fluxul de căldură este cantitatea de căldură Q care trece pe unitatea de timp printr-o suprafață arbitrară. Vectorul fluxului de căldură este întotdeauna îndreptat în direcția scăderii temperaturii.

Cantitativ, intensitatea transferului de căldură este caracterizată de densitatea fluxului de căldură q.

Densitatea fluxului de căldură sau fluxul de căldură specific este cantitatea de căldură care trece prin unitatea de suprafață F pe unitatea de timp τ:

Relația (51) exprimă legea de bază a conductibilității termice și se numește legea Fourier.

Semnul minus din partea dreaptă a relației (51) înseamnă că fluxul de căldură și vectorii gradientului de temperatură sunt direcționați în direcții opuse.

Coeficientul de proporționalitate λ în expresia (51) este un parametru fizic al substanței, numit coeficient de conductivitate termică. Caracterizează capacitatea unei substanțe de a conduce căldura.

Dimensiunea coeficientului de conductivitate termică se determină din expresia (51):

În consecință, valoarea coeficientului de conductivitate termică este numeric egală cu fluxul de căldură specific printr-un perete de grosime unitară la o diferență de temperatură de 1 o C. Cu cât λ este mai mare, cu atât substanța este mai bine conducătoare de căldură.

Metalele sunt bune conductoare de căldură; aerul uscat și calm este un slab conductor de căldură. Materialele poroase ușoare nu conduc bine căldura, deoarece porii lor sunt umpluți cu aer. Materialele a căror conductivitate termică este mai mică de 0,2 W / (m-grade) sunt numite termoizolante. Apa are o conductivitate termică slabă, cu toate acestea, conductivitatea termică a unui material umed crește brusc în comparație cu conductibilitatea termică în stare uscată. Acest lucru se datorează faptului că apa conduce căldura de 20-25 de ori mai bine decât aerul. Prin urmare, umplerea porilor corpului cu apă reduce drastic proprietățile sale de izolare termică.

Valoarea coeficientului de conductivitate termică λ pentru fiecare corp se găsește experimental. Rezultatele sunt rezumate în tabele care sunt utilizate în calcule.

Conductibilitatea termică a peretelui

Pereți plati cu un singur strat la a. Figura 6 prezintă un perete plat cu un singur strat de grosimea δ realizat dintr-un material omogen (cărămidă, metal, lemn sau orice altul).

Să presupunem că coeficientul de conductivitate termică a materialului λ nu depinde de temperatură. Pe suprafețele exterioare ale peretelui se mențin temperaturi constante t 1 >t 2; temperatura se schimbă numai în direcția axei x, care este perpendiculară pe planul peretelui, adică câmpul de temperatură este unidimensional, iar gradientul de temperatură este egal cu dt/dx.

Să aflăm densitatea fluxului de căldură care trece printr-un perete dat și să stabilim natura schimbării de temperatură de-a lungul grosimii peretelui.

Să selectăm în interiorul peretelui un strat elementar de grosime dx delimitat de două suprafețe izoterme. Ecuația Fourier pentru acest strat are forma

După integrare

Din această ecuație se poate determina densitatea fluxului de căldură care trece prin peretele considerat. Punând în ecuația (53) x=δ, obținem t= t2, Unde

(54)

Densitatea fluxului de căldură într-un perete plat este direct proporțională cu coeficientul de conductivitate termică λ, diferența de temperatură () și invers proporțională cu grosimea peretelui δ. Trebuie avut în vedere faptul că fluxul de căldură este determinat nu de valoarea absolută a temperaturilor, ci de diferența lor - diferența de temperatură.Ecuația (54) este formula de calcul pentru conductivitatea termică a unui perete plat. Conectează patru mărimi q, λ, δ și:

Raportul dintre grosimea peretelui și coeficientul de conductivitate termică δ/λ se numește rezistența termică a peretelui.

Ecuația (55) arată că fluxul de căldură specific este direct proporțional cu diferența de temperatură și invers proporțional cu rezistența termică a peretelui. Într-adevăr, cu cât numitorul fracției din ecuația (55) este mai mare, adică δ/λ, cu atât densitatea fluxului de căldură q este mai mică. În consecință, cu o creștere a grosimii peretelui δ sau cu o scădere a conductibilității termice λ, densitatea fluxului de căldură q scade.

După ce am determinat densitatea fluxului de căldură prin formula (54), putem determina cantitatea totală de căldură Q în jouli transferată prin peretele plat de suprafața F în timpul τ:

Această ecuație este ecuația unei linii drepte. Astfel, la o valoare constantă a coeficientului de conductivitate termică, temperatura se modifică liniar pe grosimea unui perete omogen. În acele cazuri în care conductibilitatea termică depinde de temperatură, este o valoare variabilă, iar formulele de calcul sunt ceva mai complicate.

Perete plat sandwich

In practica mare importanță are un proces de transfer de căldură printr-un perete plat, format din mai multe straturi de material cu conductivitate termică diferită. Deci, de exemplu, peretele metalic al unui cazan cu abur, acoperit cu zgură la exterior și cu solzi la interior, este un perete cu trei straturi.

Să luăm în considerare procesul de transfer de căldură prin conductivitate termică printr-un perete plat cu trei straturi (Fig. 7). Toate straturile unui astfel de perete sunt strâns adiacente între ele. Grosimile straturilor sunt desemnate δ 1, δ 2 și δ 3 și conductivitatea termică a fiecărui material λ 1, λ 2 și respectiv λ 3. Sunt cunoscute şi temperaturile suprafeţelor exterioare tl şi t4. Temperaturile t 2 și t 3 sunt necunoscute.

Procesul de transfer de căldură prin conductivitate termică printr-un perete multistrat este considerat într-un mod staționar, prin urmare, fluxul de căldură specific q care trece prin fiecare strat al peretelui este constant ca mărime și același pentru toate straturile, dar pe drumul său depășește rezistența termică locală δ/λ a fiecărui strat al peretelui. Prin urmare, pe baza formulei (54) pentru fiecare strat, putem scrie:

Adunând părțile din stânga și dreapta ale egalităților (58), obținem diferența totală de temperatură, care constă din suma modificărilor de temperatură din fiecare strat:

Din ecuația (59) rezultă că rezistența termică totală a unui perete multistrat este egală cu suma rezistențelor termice ale fiecărui strat:

Folosind formulele (58) și (59), se pot obține valorile temperaturilor necunoscute t2și t3:

Distribuția temperaturii în fiecare strat al peretelui la λ-const respectă o lege liniară, care poate fi văzută din egalitate (58). Pentru un perete multistrat în ansamblu, curba temperaturii este o linie întreruptă (în Fig. 7).

Formulele obţinute pentru un perete multistrat pot fi utilizate cu condiţia să existe un contact termic bun între straturi. Dacă între straturi apare cel puțin un spațiu mic de aer, atunci rezistența termică va crește semnificativ, deoarece conductivitatea termică a aerului este foarte scăzută:

[λ B03D = 0,023 W/(m grade)].

Dacă prezența unui astfel de strat este inevitabilă, atunci în calcule este considerat unul dintre straturile unui perete multistrat.

transfer de căldură convectiv. Transferul de căldură convectiv este un schimb de căldură între un corp solid și un lichid (sau gaz), însoțit atât de conducție de căldură, cât și de convecție.

Fenomenul de conductivitate termică într-un lichid, precum și într-un corp solid, este complet determinat de proprietățile lichidului însuși, în special de coeficientul de conductivitate termică și de gradientul de temperatură.

În convecție, transferul de căldură este indisolubil legat de transferul de fluid. Acest lucru complică procesul, deoarece transferul de fluid depinde de natura și natura apariției mișcării sale, proprietăți fizice lichide, forme și dimensiuni ale suprafețelor corp solid etc.

Luați în considerare cazul unui lichid care curge lângă un perete solid, a cărui temperatură este mai mică (sau mai mare) decât temperatura peretelui. Schimbul de căldură are loc între lichid și perete. Transferul de căldură de la perete la lichid (sau invers) se va numi transfer de căldură. Newton a arătat că cantitatea de căldură Q care este schimbată între ele pe unitatea de timp de către un perete având o temperatură T st și un lichid cu o temperatură T W este direct proporțională cu diferența de temperatură T st - T W și cu aria suprafeței de contact S:

Q \u003d αS (T st - T bine) (60)

unde α este coeficientul de transfer de căldură, care arată câtă căldură schimbă lichidul și peretele într-o secundă, dacă diferența de temperatură dintre ele este de 1 K, iar suprafața spălată de lichid este de 1 m 2. În SI, unitatea de măsură a coeficientului de transfer de căldură este W / (m 2 K). Coeficientul de transfer de căldură α depinde de mulți factori și, în primul rând, de natura mișcării fluidului.

Curgerea fluidului turbulent și laminar corespunde unei naturi diferite a transferului de căldură. În timpul mișcării laminare, căldura se propagă într-o direcție perpendiculară pe mișcarea particulelor fluide, precum și într-un corp solid, adică prin conducerea căldurii. Deoarece coeficientul de conductivitate termică a lichidului este mic, căldura este distribuită în timpul curgerii laminare pe direcția perpendiculară pe flux, foarte slab. În timpul mișcării turbulente, straturile de fluid (mai mult sau mai puțin încălzite) sunt amestecate, iar schimbul de căldură între fluid și perete în aceste condiții este mai intens decât în ​​fluxul laminar. În stratul limită al lichidului (în apropierea pereților țevii), căldura este transferată numai prin conducție termică. Prin urmare, stratul limită reprezintă o rezistență mare la fluxul de căldură, iar cea mai mare pierdere a diferenței de temperatură are loc în acesta.

Pe lângă natura mișcării, coeficientul de transfer de căldură depinde de proprietățile lichidului și solidului, de temperatura lichidului etc. Astfel, este destul de dificil să se determine teoretic coeficientul de transfer de căldură. Pe baza unei cantități mari de material experimental, s-au găsit următoarele valori ale coeficienților de transfer de căldură [în W/(m 2 K)] pentru diferite cazuri de transfer de căldură convectiv:

Practic, transferul de căldură convectiv are loc cu o curgere forțată longitudinală a unui lichid, de exemplu, transferul de căldură între pereții unei țevi și lichidul care curge prin ea; curgere forțată transversală, de exemplu, transfer de căldură la spălarea unui fascicul de tuburi transversal cu lichid; mișcare liberă, de exemplu, schimbul de căldură între un lichid și o suprafață verticală pe care o spală; Schimbare starea de agregare, de exemplu, schimbul de căldură între o suprafață și un lichid, în urma căruia lichidul fierbe sau vaporii acestuia se condensează.

Transfer radiant de căldură. Transferul de căldură radiantă este procesul de transfer de căldură de la un corp la altul sub formă de energie radiantă. În ingineria termică la temperaturi ridicate, transferul de căldură prin radiație este de o importanță capitală. Prin urmare, unitățile moderne de inginerie termică, proiectate pentru temperaturi ridicate, profită la maximum de acest tip de transfer de căldură.

Orice corp a cărui temperatură este diferită de zero absolut radiază unde electromagnetice. Energia lor este capabilă să absoarbă, să reflecte și, de asemenea, să treacă prin ea însăși orice alt corp. La rândul său, acest corp radiază și energie care, împreună cu energia reflectată și transmisă, cade asupra corpurilor din jur (inclusiv primul corp) și este din nou absorbită, reflectată de acestea etc. Dintre toate razele electromagnetice, infraroșul are cel mai mare efect termic.și raze vizibile cu lungimea de undă de 0,4-40 microni. Aceste raze se numesc raze de căldură.

Ca urmare a absorbției și emisiei de energie radiantă de către corpuri, între ele are loc un schimb de căldură.

Cantitatea de căldură absorbită de un corp ca urmare a transferului de căldură radiantă este egală cu diferența dintre energia incidentă asupra acestuia și radiată de acesta. O astfel de diferență este diferită de zero dacă temperaturile corpurilor care participă la schimbul reciproc de energie radiantă sunt diferite. Dacă temperatura corpurilor este aceeași, atunci întregul sistem este în echilibru termic dinamic. Dar chiar și în acest caz, corpurile încă radiază și absorb energie radiantă.

Energia emisă de o unitate de suprafață a unui corp pe unitatea de timp se numește emisivitate. Unitatea de emisivitate este W/m a.

Dacă energia Q 0 cade pe corp pe unitatea de timp (Fig. 8), Q R este reflectat, Q D trece prin el, Q A este absorbit de acesta, atunci

unde Q A /Q 0 \u003d A este capacitatea de absorbție a corpului; Q R /Q o = R - reflectivitatea corpului; Q D /Q 0 \u003d D este transmisia corpului.

Dacă A \u003d 1, atunci R \u003d D \u003d 0, adică toată energia incidentă este complet absorbită. În acest caz, se spune că corpul este complet negru. Dacă R = 1, atunci A=D = 0 și unghiul de incidență al razelor este egal cu unghiul de reflexie. În acest caz, corpul este absolut specular, iar dacă reflexia este difuză (uniformă în toate direcțiile), este absolut albă. Dacă D = 1, atunci A=R= 0 și corpul este absolut transparent. În natură, nu există nici corpuri absolut negre, nici absolut albe, nici absolut transparente. Corpurile reale se pot apropia doar într-o oarecare măsură de unul dintre aceste tipuri de corpuri.

Capacitatea de absorbție a diferitelor corpuri este diferită; Mai mult, același corp absoarbe energie diferit diverse lungimi valuri. Cu toate acestea, există corpuri pentru care, într-un anumit interval de lungimi de undă, absorbtivitatea depinde puțin de lungimea de undă. Astfel de corpuri sunt denumite în mod obișnuit corpuri gri pentru un interval dat de lungimi de undă. Practica arată că, în raport cu gama de lungimi de undă utilizate în ingineria termică, multe corpuri pot fi considerate gri.

Energia emisă de o unitate de suprafață a unui corp negru pe unitatea de timp este proporțională cu a patra putere temperatura absolută(Legea Stefan-Boltzmann):

E 0 \u003d σ "0 T A, unde σ" 0 este constanta de radiație a unui corp complet negru:

σ "0 \u003d 5,67-10-8 W / (m 2 - K 4).

Această lege este adesea scrisă sub formă

unde este emisivitatea unui corp complet negru; \u003d 5,67 W / (m 2 K 4).

Multe legi ale radiațiilor stabilite pentru un corp negru sunt de mare importanță pentru ingineria termică. Deci, cavitatea cuptorului unei centrale de cazane poate fi considerată ca un model al unui corp complet negru (Fig. 9). În raport cu un astfel de model, legile radiației corpului negru sunt îndeplinite cu mare acuratețe. Cu toate acestea, aceste legi ar trebui folosite cu prudență în legătură cu instalațiile termice. De exemplu, pentru un corp gri, legea Stefan-Boltzmann are o formă similară cu formula (62):

(63)

unde Raportul / se numește gradul de emisivitate ε (ε este cu atât mai mare, cu cât corpul luat în considerare diferă mai mult de negrul absolut, Tabelul 4).

Formula (63) este utilizată pentru a determina emisivitatea cuptoarelor, suprafața stratului de combustibil care arde etc. Aceeași formulă este utilizată atunci când se ține cont de căldura transferată prin radiație în camera de ardere, precum și de elementele de unitatea cazanului.

Corpurile care umplu interiorul cuptorului radiază continuu și absorb energie. Cu toate acestea, sistemul acestor corpuri nu este într-o stare de echilibru termic, deoarece temperaturile lor sunt diferite: în cazanele moderne, temperatura conductelor prin care trec apa și aburul este mult mai mică decât temperatura spațiului cuptorului și a celui interior. suprafata cuptorului. În aceste condiții, emisivitatea conductelor este mult mai mică

Tabelul 4

emisivitatea cuptorului și a pereților acestuia. Prin urmare, schimbul de căldură prin radiația care trece între ele se realizează în principal în direcția transferului de energie de la cuptor la suprafața conductelor.

În timpul schimbului de căldură radiantă între două suprafețe paralele cu grade de emisivitate ε 3 și ε 2 având o temperatură T 1 și respectiv T 2, cantitatea de energie pe care o schimbă este determinată de formula

Dacă corpurile între care are loc schimbul de căldură radiantă sunt limitate de suprafețe și S 1 și S 2 situate unul în celălalt, atunci coeficientul de radiație redus este determinat de formula

(66)

Transfer de căldură

Schimbul de căldură între mediile calde și reci printr-un perete solid separator este unul dintre cele mai importante și frecvent utilizate procese în inginerie. De exemplu, obținerea unui abur cu parametri dați în unitățile cazanului se bazează pe procesul de transfer de căldură de la un lichid de răcire la altul. În numeroasele dispozitive de schimb de căldură utilizate în orice industrie, principalul proces de lucru este procesul de schimb de căldură între purtătorii de căldură. Acest transfer de căldură se numește transfer de căldură.

De exemplu, luați în considerare un perete cu un singur strat (Fig. 10), a cărui grosime este egală cu δ. Coeficientul de conductivitate termică a materialului peretelui este egal cu λ. Sunt cunoscute temperaturile mediilor care spală peretele din stânga și din dreapta și sunt egale cu t 1 și t 2 . Acceptăm că t 1 >t 2 . Atunci temperaturile suprafețelor pereților vor fi respectiv t st1 > /t st2. Este necesar să se determine fluxul de căldură q care trece prin perete de la agentul de încălzire la cel încălzit.

Deoarece procesul de transfer de căldură luat în considerare se desfășoară într-un mod staționar, căldura transmisă peretelui de primul purtător de căldură (fierbinte) este transferată prin acesta către al doilea purtător de căldură (rece). Folosind formula (54), putem scrie:

Adunând aceste egalități, obținem diferența totală de temperatură:

Numitorul ecuației (68) este suma rezistențelor termice, care constă din conductibilitatea termică rezistența termică δ/λ și două rezistențe termice de transfer termic l/α 1 și 1/α 2 .

Introducem notația

Valoarea lui k se numește coeficient de transfer termic.

Reciproca coeficientului de transfer de căldură se numește rezistența termică totală la transferul de căldură:

(71)

Teoria cinetică moleculară permite nu numai să înțelegem de ce o substanță poate fi în stare gazoasă, lichidă și solidă, ci și să explice procesul de tranziție a unei substanțe de la o stare la alta.

Evaporare și condensare. Cantitatea de apă sau orice alt lichid dintr-un vas deschis scade treptat. Are loc evaporarea lichidului, al cărui mecanism a fost descris în cursul fizicii din clasa a VII-a. În timpul mișcării haotice, unele molecule capătă o energie cinetică atât de mare încât părăsesc lichidul, depășind forțele de atracție de la restul moleculelor.

Concomitent cu evaporarea, are loc procesul invers - tranziția unei părți din moleculele de vapori care se mișcă aleator într-un lichid. Acest proces se numește condensare. Dacă vasul este deschis, atunci moleculele care au părăsit lichidul s-ar putea să nu se întoarcă

lichid. În aceste cazuri, evaporarea nu este compensată prin condensare și cantitatea de lichid scade. Când fluxul de aer de peste vas duce vaporii formați, lichidul se evaporă mai repede, deoarece molecula de vapori are mai puține șanse de a reveni la lichid.

Abur saturat. Dacă vasul cu lichid este închis etanș, atunci declinul său se va opri în curând. La o temperatură constantă, sistemul „lichid - vapori” va ajunge într-o stare de echilibru termic și va rămâne în el pentru o perioadă de timp arbitrar.

În primul moment, după ce lichidul este turnat în vas și închis, acesta se va evapora și densitatea vaporilor de deasupra lichidului va crește. Totuși, în același timp, numărul de molecule care se întorc în lichid va crește. Cu cât densitatea vaporilor este mai mare, cu atât este mai mare numărul de molecule de vapori returnate în lichid. Ca urmare, într-un vas închis la o temperatură constantă, se va stabili în cele din urmă un echilibru dinamic (în mișcare) între lichid și vapori. Numărul de molecule care părăsesc suprafața lichidului va fi egal cu numărul de molecule de vapori care se întorc în lichid în același timp. Concomitent cu procesul de evaporare, are loc condensul și ambele procese, în medie, se compensează reciproc.

Aburul aflat în echilibru dinamic cu lichidul său se numește abur saturat. Acest nume subliniază faptul că un anumit volum la o anumită temperatură nu poate conține mai mult abur.

Dacă aerul din vasul cu lichid este pompat anterior, atunci numai vaporii saturati vor fi deasupra suprafeței lichidului.

Presiunea aburului saturat. Ce se întâmplă cu aburul saturat dacă volumul pe care îl ocupă este redus, de exemplu, prin comprimarea vaporilor în echilibru cu lichidul dintr-un cilindru sub piston, menținând constantă temperatura conținutului cilindrului?

Când vaporii sunt comprimați, echilibrul va începe să fie perturbat. Densitatea vaporilor în primul moment crește ușor și mai multe molecule încep să treacă de la gaz la lichid decât de la lichid la gaz. Aceasta continuă până când echilibrul și densitatea sunt din nou stabilite și, prin urmare, concentrația de molecule nu ia aceeași valoare. Concentrația moleculelor de vapori saturați este deci independentă de volum la temperatură constantă.

Deoarece presiunea este proporțională cu concentrația conform formulei, atunci din independența concentrației (sau a densității) vaporilor saturați față de volum urmează independența presiunii vaporilor saturați față de volumul pe care îl ocupă.

Presiunea de vapori independentă de volum la care un lichid este în echilibru cu vaporii săi se numește presiune de vapori de saturație.

Când vaporii saturati sunt comprimați, din ce în ce mai mulți dintre ei intră în stare lichidă. Un lichid cu o masă dată ocupă un volum mai mic decât un vapor de aceeași masă. Ca urmare, volumul de vapori la o densitate constantă scade.

Am folosit de multe ori cuvintele „gaz” și „abur”. Nu există nicio diferență fundamentală între gaz și abur, iar aceste cuvinte sunt în general echivalente. Dar suntem obișnuiți cu un anumit interval de temperatură, relativ mic mediu inconjurator. Cuvântul „gaz” se aplică de obicei acelor substanțe a căror presiune de saturație a vaporilor la temperaturi obișnuite este peste cea atmosferică (de exemplu, dioxid de carbon). Dimpotrivă, se vorbește de abur atunci când, la temperatura camerei, presiunea vaporilor saturați este mai mică decât presiunea atmosferică, iar substanța este mai stabilă în stare lichidă (de exemplu, vaporii de apă).

Independența presiunii vaporilor saturați față de volum a fost stabilită în numeroase experimente privind compresia izotermă a vaporilor în echilibru cu lichidul acestuia. Lăsați substanța la volume mari să fie înăuntru stare gazoasă. Pe măsură ce compresia izotermă crește, densitatea și presiunea acesteia cresc (secțiunea izotermei AB din Figura 51). Când se atinge presiunea, aburul începe să se condenseze. În plus, atunci când vaporii saturați sunt comprimați, presiunea nu se schimbă până când toți vaporii se transformă într-un lichid (linia dreaptă BC în Figura 51). După aceea, presiunea în timpul compresiei începe să crească brusc (un segment al curbei, deoarece lichidele sunt puțin compresibile.

Curba prezentată în figura 51 se numește izoterma gazelor reale.