Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Транспортная энергетика (хладотранспорт) Минимаркер Искусственный холод и основные физические величины

Искусственный холод и основные физические величины

Страница 1 из 5

Представление о холоде и тепле создается на основе наших субъективных впечатлений. По сложившейся традиции мы склонны называть холодным всякий предмет, температура которого ниже температуры нашего тела. В технике под искусственным холодом понимают тепло, отнимаемое от тел, более холодных, чем внешняя окружающая среда. По своей физической природе холод не отличается от тепла. Разница состоит только в скорости движения молекул и атомов тела.

Молекулярно-кинетическая теория учит, что молекулы тела находятся в беспрерывном тепловом движении. Энергия этого движения называется теплотой.

Все молекулы в конкретном теле движутся с различной скоростью, но для каждой температуры характерна определенная скорость. Чем выше скорость движения молекул, тем выше температура тела. Следовательно, температура выражает в условных единицах – градусах – степень нагретости тела, а количество тепла является мерой количества энергии движения его молекул.

За единицу измерения тепла и холода принята большая калория, или килокалория (ккал), т. е. количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воды на 1° С (от 19,5 до 20,5° С) при нормальном атмосферном давлении, или такое количество тепла, которое необходимо отнять от 1 кг воды для ее охлаждения на 1° С.

В международной системе единиц (СИ) в качестве единой меры энергии всех видов принят джоуль (Дж). Калория является внесистемной единицей тепла, она равна 4,187 Дж. В качестве производной единицы принят киловатт-час (кВт·ч), равный 3600 килоджоулям (кДж), или 860 ккал, 1 ккал/ч = 1,163 Вт.

Энергия является мерой движения материи, одной из форм ее существования. Существуют два основных вида энергии: потенциальная (пассивная, или энергия положения) и кинетическая (активная, или энергия движения). Энергия может быть тепловой, лучистой, звуковой, электрической, механической и химической. Каждая из них при определенных условиях способна переходить в другую энергию в строго определенном количественном соотношении. Это позволяет все виды энергии измерять в общих единицах – джоулях. Определяют джоуль как работу силы в 1 ньютон (Н) на пути в 1 метр (м); 1 Н – это сила, которая сообщает массе в 1 кг ускорение 1 м/с2; 1 кгс·м работы равен 9,81 Дж; наоборот, 1 Дж равен 0,102 кгс·м.

Можно привести много примеров перехода различных видов энергии в тепло. Конечно, можно рассматривать и переход тепла в другие виды энергии. Но этот переход возможен лишь при наличии специальных устройств (тепловые двигатели, термоэлектрогенераторы и др.). В тепло же любые виды энергии переходят самостоятельно, без помощи извне. Вот почему теплота занимает особое место среди всех видов энергии. Теплота – это последняя инстанция всех энергетических превращений. Когда тепло подводится к телу, то движение молекул ускоряется и тело нагревается. Если же тепло отводится, движение молекул замедляется и тело охлаждается.

М. В. Ломоносов, исходя из развитых им представлений о кинетической природе тепла, впервые указал на то, что должен существовать естественный предел понижения температуры тела. После того как тепловое движение частиц тела остановилось вследствие охлаждения, дальнейшее понижение температуры, очевидно, уже невозможно. Оказывается, что при температуре – 273,16° С кинетическая энергия частиц равна нулю, а потенциальная имеет наименьшее возможное значение. Меняется и взаимное расположение молекул – оно делается более упорядоченным, т. е. в таком случае энтропия (степень неупорядоченности системы) всякого вещества равна нулю. Эту температуру, названную абсолютным нулем, приняли за начало отсчета температуры Т. Понятие абсолютной температуры ввел Кельвин (1848 г.), поэтому градусы по абсолютной шкале обозначаются К.

Единицами измерения термодинамической температуры являются градусы Кельвина и градусы Цельсия (стоградусная шкала температур). По стоградусной шкале тепловое состояние тающего льда характеризует температуру 0° С, а состояние кипящей воды при атмосферном давлении – температуру 100° С. Деление на градусы продолжено выше 100° С и ниже 0. Температуры ниже 0 указывают со знаком «-» (минус). По шкале Кельвина температуры имеют только положительные отсчеты от абсолютного нуля, т. е. от – 273,16° С.

Между температурой Цельсия t и температурой Кельвина Т существуют следующие соотношения:

t = (Т – 273,16)° С; Т = (t + 273,16) К.

Разность температур является единственной причиной перераспределения тепловой энергии. Тепловая энергия и температура – количественные и качественные характеристики изменения теплового состояния тел, но ни одна из этих величин в отдельности не может полностью характеризовать это состояние.

Теплоемкостью, или удельной теплотой (с), называется количество тепла, потребное для повышения или понижения температуры 1 кг тела на 1 К или 1° С; имеет размерность Дж/(кг·К) или внесистемную – ккал/(кг·°С). В зависимости от теплообмена для газов и паров различают удельную теплоемкость при постоянном давлении ср и удельную теплоемкость при постоянном объеме сV. Для жидкостей это различие как незначительное обычно не принимают во внимание. Теплоемкость жидкостей и твердых тел зависит от их температуры. С уменьшением температуры теплоемкость в большинстве случаев уменьшается.

Давлением р называется сила воздействия вещества на ограничивающую его поверхность, отнесенная к единице этой поверхности. Давление, создаваемое атмосферным воздухом, называется барометрическим. Если абсолютное давление вещества в каком-либо сосуде выше барометрического, то разность между этими давлениями называется избыточным давлением, а если ниже барометрического, то разрежением или вакуумом. Согласно системе СИ удельное давление измеряется в ньютонах на квадратный метр (Н/м2). В формулах удобно использовать другие единицы СИ – паскаль (Па), мегапаскаль (МПа) или бар (1 бар = 0,1 МПа = 1,0197 кгс/см2). Давление в 105 Н/м2 называется баром.

Удельным объемом υ называют объем единицы (одного килограмма) массы вещества (м3/кг), а величину, обратную удельному объему, – плотностью вещества ρ (кг/м3).

Физические основы получения искусственного холода

Основой теплоты является движение молекул. Поэтому физическая природа теплоты и холода одинакова, разница только в скорости движения молекул: в теле с более высокой температурой скорость движения их больше. При понижении температуры движение молекул замедляется. При подводе к телу теплоты извне движение молекул возрастает.

Самопроизвольно теплота передается только от тела с более высокой к телу с более низкой температурой. Обратный процесс сам собой не происходит.

Охлаждение тела – отвод теплоты от него – обычно сопровождается понижением температуры до температуры окружающей среды. Такое охлаждение называется естественным. Охлаждение тела ниже температуры окружающей среды возможно путем различных физических процессов: кипения, плавления, сублимации, расширения сжатого газа и др. Такое охлаждение называется искусственным.

Кипение – это процесс преобразования жидкости (рабочего тела) в парообразное состояние путем подвода теплоты. Подводимая теплота в процессе кипения отнимается от охлаждаемой среды. Обычно процесс кипения происходит при неизменном давлении. При плавлении рабочее тело переходит из твердого состояния в жидкое. Этот процесс также сопровождается поглощением теплоты из охлаждаемой среды. В процессе сублимации тело переходит непосредственно из твердого состояния в парообразное, минуя жидкое. При расширении сжатого газа его температура становится ниже температуры охлаждаемой среды (благодаря чему и происходит охлаждение рабочего тела).

Из перечисленных физических процессов наиболее часто для искусственного охлаждения применяют процесс кипения. Холодильные машины, в которых используется процесс кипения, называют паровыми. При этом температуру кипения обычно отождествляют с температурой испарения, а аппарат, в котором кипит paбочее тело, называют испарителем.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика