Количество теплоты, получаемое телом, - энергия, передаваемая телу из вне в результате теплопередачи.

Теплопередача

Теплопередача (теплообмен) - это процесс обмена энергией между системой и окружающими ее телами; при этом нет изменения внешних параметров состояния системы (P, V, T). Теплопередача осуществляется либо путем непосредственного взаимодействия частиц системы с частицами среды при их случайных столкновениях (теплопроводность, конвекция), либо путем обмена электромагнитным излучением (лучеиспускание). Например, при столкновении "холодного" и "горячего" газов молекулы нагретого газа передают энергию (при случайных столкновениях) молекулам холодного газа. Вода в море в дневное время прогревается (получает энергию) за счет излучения, посылаемого Солнцем. Энергия, полученная или отданная системой в процессе теплопередачи, называется количеством тепла. Количество тепла Q измеряется в Джоулях (Дж) и является величиной скалярной. Q > 0 (положительная величина), если система получает тепло;

 Q < 0 (отрицательная величина), если система отдает тепло.

1. Нагревание и охлаждение веществ. Удельная теплоемкость вещества

Нагревание - процесс, при котором при подводе количества тепла Q температура вещества (твердого тела, жидкости или газа) линейно повышается (рис. 1). Количество тепла, необходимое для нагревания вещества массой m, определяется по формуле

 

Q=cm( t1-t2 )

 

где t1 и t2 - начальная и конечная температуры нагрева; с - удельная теплоемкость вещества.

Охлаждение - процесс, при котором при отводе количества тепла Q температура вещества линейно понижается.

Удельная теплоемкость вещества - величина, равная количеству тепла, необходимому для нагревания единицы массы вещества на один градус. Удельная теплоемкость измеряется в К (К - градус по шкале Кельвина). 2. Плавление и кристаллизация. Удельная теплота плавления.

Плавление - процесс превращения твердого тела в жидкость. Этот процесс для разных веществ происходит при определенной температуре плавления. Пока твердое тело не расплавится температура плавления tпл остается постоянной.

Обратный процесс, при котором жидкость переходит в твердую фазу, называется кристаллизацией. Количество тепла Q, которое нужно для плавления вещества массой m, можно рассчитать как

 

Q=lm

 

где l - удельная теплота плавления. Удельная теплота плавления равна количеству тепла, необходимому для расплавления единицы массы вещества. Измеряется величина l в Джоулях на килограмм.

3. Парообразование и конденсация. Удельная теплота парообразования

Парообразование (кипение) - процесс превращения жидкости в пар. Этот процесс для разных жидкостей происходит при конкретной температуре кипения. Пока жидкость кипит, температура кипения t кип остается неизменной.

Обратный процесс, при котором пар переходит в жидкость, называют конденсацией.

Количество тепла, необходимое для превращения жидкости массой m в пар:

 

Q=rm

 

где r - удельная теплота парообразования

Удельная теплота парообразования равна количеству тепла, которое нужно для превращения единицы массы жидкости в пар. Величина r измеряется в Джоулях на килограмм.

4. Горение топлива. Удельная теплота сгорания

Количество тепла, выделяющееся при сгорании топлива массой m рассчитывается по формуле:

 

Q=qm

 

где q - удельная теплота сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания топлива q численно равна количеству тепла, выделенному при сгорании единицы массы топлива. Величина q измеряется в Джоулях на килограмм.

Тепловые сети

 

Для отопления жилых домов используют теплосети.

Тепловая сеть - это система прочно и плотно соединенных между собой участников теплопроводов, по которым теплота с помощью теплоносителей (пара или горячей воды) транспортируется от источников к тепловым потребителям.

Основными элементами тепловых сетей являются трубопровод, состоящий из стальных труб, соединенных между собой с помощью сварки, изоляционная конструкция, предназначенная для защиты трубопровода от наружной коррозии и тепловых потерь, и несущая конструкция, воспринимающая вес трубопровода и усилия, возникающие при его эксплуатации.

Наиболее ответственными элементами являются трубы, которые должны быть достаточно прочными и герметичными при максимальных давлениях и температурах теплоносителя, обладать низким коэффициентом температурных деформаций, малой шероховатостью внутренней поверхности, высоким термическим сопротивлением стенок, способствующим сохранению теплоты, неизменностью свойств материала при длительном воздействии высоких температур и давлений.

Снабжение теплотой потребителей (систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологических процессов) состоит из трех взаимосвязанных процессов: сообщения теплоты теплоносителю, транспорта теплоносителя и использования теплового потенциала теплоносителя. Системы теплоснабжения классифицируются по следующим основным признакам: мощности, виду источника теплоты и виду теплоносителя.

По мощности системы теплоснабжения характеризуются дальностью передачи теплоты и числом потребителей. Они могут быть местными и централизованными. Местные системы теплоснабжения - это системы, в которых три основных звена объединены и находятся в одном или смежных помещениях. При этом получение теплоты и передача ее воздуху помещений объединены в одном устройстве и расположены в отапливаемых помещениях (печи). Централизованные системы, в которых от одного источника теплоты подается теплота для многих помещений.

По виду источника теплоты системы централизованного теплоснабжения разделяют на районное теплоснабжение и теплофикацию. При системе районного теплоснабжения источником теплоты служит районная котельная, теплофикации-ТЭЦ.

По виду теплоносителя системы теплоснабжения делятся на две группы: водяные и паровые.

Теплоноситель – среда, которая передает теплоту от источника теплоты к нагревательным приборам систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Теплоноситель получает теплоту в районной котельной (или ТЭЦ) и по наружным трубопроводам, которые носят название тепловых сетей, поступает в системы отопления, вентиляции промышленных, общественных и жилых зданий. В нагревательных приборах, расположенных внутри зданий, теплоноситель отдает часть аккумулированной в нем теплоты и отводится по специальным трубопроводам обратно к источнику теплоты.

В водяных системах теплоснабжения теплоносителем служит вода, а в паровых - пар. В Беларуси для городов и жилых районов используются водяные системы теплоснабжения. Пар применяется на промышленных площадках для технологических целей.

Но в нашей стране много домов, которые имеют печное отопление их отапливают дровами, углем или устанавливают специальные газовые котлы.

Практическая часть

 

Описание опыта:

Рассчитаем объем в 3-х комнатной квартире и доме:

 

 

1. Рассчитаем массы воздуха в каждой комнате:

 

 (p=1,29кг/м)

 

2. Вычислим внутреннюю энергию.

 

 

4.Рассчитаем количество теплоты, которое необходимо для нагревания помещения на 25С.

 

Q= cm( t1 – t2) (с=1,01 кДж/кг*К)

 

5.Рассчитаем внутреннюю энергию, которую приобрел воздух при нагревании на 25С.

 

U2=Q+U1

 

6.Рассчитаем количество топлива, необходимого для нагревания этой массы воздуха за 1 день.

 

U2=qm

M=U2/q

Удельная теплота сгорания:

А) каменный уголь q= 29 МДж/кг

Б) СН4(метан) q= 44 МДж/кг

В) дерево q= 13 МДж/кг

7.) Рассчитаем количество необходимого топлива с учетом того, что отопительный сезон длится 6 месяцев.(N=180 дней)

M= N*m (M-масса топлива за 6 месяцев)

8.) расчет стоимости, Ц=N*M*ц(ц-цена 1 кг топлива)

 

№1. Таблица объемов. Вычислим объем каждой комнаты, зная её площадь и высоту.

1 комната V, м3	2 комната V, м3	3 комната V, м3	Кухня V, м3	Общий V, м3
50	35	25	30	140

 

№2. Таблица масс. Высчитаем массу находящегося воздуха в каждой комнате по формуле: m = V * p(где p воздуха=1, 29 кг/м3)

1 комната m, кг	2 комната m, кг	3 комната m, кг	Кухня m, кг	Общая m, кг
64,5	45,15	32,25	38,7	180,6

 

№3. Внутренняя энергия. Рассчитаем внутреннюю энергию(первоначальную) по формуле :

 

,(где p- Па)

 

1 комната U, Дж	2 комната U, Дж	3 комната U, Дж	Кухня U, Дж	Общая U, Дж
125*	87,5*	62,5*	75*	350*

 

№4.Количество теплоты. Высчитаем количество теплоты, требуемое для обогрева комнат по формуле:

 

Q = cmT

 

T=25К,

m- масса воздуха в комнатах,

с возд.=1,01* Дж/кг*К

 

1 комната, Дж	2 комната, Дж	3 комната, Дж	Кухня, Дж	Общая, Дж
1612500	1128750	806250	997500	4560150

 

№5.Таблица внутренней энергии(конечной).Рассчитаем внутреннюю энергию по формуле:

 

U 2= Q + U 1

	1 комната	2 комната	3 комната	Кухня	Общая
U1(Дж)	12500000	8750000	6250000	7500000	35000000
Q(Дж)	1612500	1128750	806250	997500	4560150
U2(Дж)	4112500	9878750	7056250	8497500	39560150

№6Таблица массы топлива.

Способ отопления	Масса топлива за 1 день, если топить 2 раза в день, кг	Масса топлива за 180 дней(6 мес.), кг
Каменный уголь	2,8	504
Газ	1,8	324
Дрова	6	1080

№7Таблица стоимости

Способ отопления	Стоимость за 1 кг топлива, руб.	За 1 день, руб.	За месяц, руб.	За отопительный сезон, руб.
Каменный уголь	14	339.2	1176	7056
Газ	10	18	540	3240
Дрова	7,2	43.2	1296	7776
Коммунальная квартира	-	43.2	1400	8400

№8 Таблица переплаты за отопление. Пусть 100% - стоимость самого экономичного вида отопления(газа), тогда:

Виды топлива	Процент переплаты за отопление
Газ	100%
Каменный уголь	217%
Дрова	240%
Коммунальная квартира	259%

Заключение

В результате полученных данных можно сделать вывод:

1.) Люди живущие в частных домах с газовым отоплением платят за отопление меньше всего. Из этого следует, что этот вид наиболее экономичен. Это объясняется тем, что они в любой момент могут включить и отключить свою систему отопления. Идет экономия топлива.

2.) Проживающие в многоэтажных домах с центральным отоплением платят за отопление почти в 2,5 раза больше, чем в частных домах с газовым отоплением. Это можно объяснить, что они оплачивают все тепловые потери в теплосетях. Но при наличии счетчиков на отопление они бы платили намного меньше.

3.) В домах отапливаемых дровами и каменным углем мы переплачиваем в 2-2,4 раза. Такой вид отопления не экономичный.

Литература

 

1. Р. «ФЕЙНМАНОВСКИЕ ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ» Фейнман, Р. Лейтон, М. Сендс 1976г.

2. «ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ УЧЕБНИК ФИЗИКИ» - Наука под ред. Академика Г.С. Ландсберга 1971г.

3. Перельман Я.И. «ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА» 1999г.

4. Энциклопедии «ФИЗИКА» и «ТЕХНИКА» - Москва: Аванта+, 2001г.

5. «ПРАКТИКУМ ПО ИНФОРМАТИКЕ И ИНФОРМАЦИОННЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ» - Москва: Угринович Н., Михайлова Н., Богова Л.