Теплообмен. Количество теплоты

Определение теплофизических

Характеристик сыпучих материалов

Методические указания к выполнению лабораторной работы

ЕТИ. Ф.ЛР.14.

г. Егорьевск 2014

Составители: _____________ В.Ю. Никифоров, ст. преподаватель ЕНД

В методических указаниях даны основные определения молекулярной физики и термодинамики, рассмотрены: понятия теплообмена, количества теплоты, виды теплообмена: теплопроводность, конвекция, излучение; закон Фурье, определение теплофизических характеристик (плотности, коэффициента температуропроводности, коэффициента теплопроводности) сыпучих материалов.

Методические указания предназначены для студентов 1 курса, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 280700 Техносферная безопасность для лабораторных работ по дисциплине "Физика".

Методические указания обсуждены и одобрены на заседании учебно-методической группы (УМГ) кафедры ЕНД

(протокол № ___________ от __________г.)

Председатель УМГ _____________ Г.Г Шабаева

Определение теплофизических характеристик

Сыпучих материалов

1 Цель работы: изучение явлений теплопроводности и определение теплофизических характеристик сыпучих материалов (коэффициента температуропроводности, коэффициента теплопроводности).

2 Оборудование и материалы: Ящик с исследуемым материалом, Термометр -2 шт., Зонд - 2 шт., электроплитка, секундомер

Содержание работы

Изучить теоретический материал

Подготовить конспект лабораторной работы

Подготовить конспект лабораторной работы

Ответить на контрольные вопросы

Определить коэффициент температуропроводности и теплопроводности песка и волластонита

Оформить отчет по работе

Теоретические сведения к работе

Теплообмен. Количество теплоты

Внутренняя энергия тел может изменяться и без совершения механической работы. Вынув из кипящей воды металлический цилиндр, опустим его в стакан с водой. Измерив первоначальную и конечную температуру воды, мы убеждаемся, что ее внутренняя энергия увеличилась, так как температура воды в стакане стала выше. В этом опыте внутренняя энергия передается от цилиндра воде без совершения механической работы.

Передача внутренней энергии от одного тела к другому без совершения механической работы называется теплообменом. Пусть первоначальная внутренняя энергия воды равна U₁. В результате теплообмена внутренняя энергия увеличилась и стала равной U₂, т. е. изменилась на величину ΔU=U₂ — U₁.

Количество внутренней энергии, передаваемое от одного тела к другому в процессе теплообмена, называется количеством теплоты. Количество теплоты обозначается буквой Q. Следовательно, Q= ΔU.

Как известно из механики, количество механической энергии, которое передается от одного тела к другому в процессе их механического взаимодействия, измеряется работой. Количество внутренней энергии, передаваемой от одного тела к другому, измеряется количеством теплоты.

Если две системы, находящиеся при разных температурах, привести в тепловой контакт, то между ними происходит передача тепловой энергии, пока не установится тепловое равновесие и температуры не станут одинаковыми. Энергия, переносимая от одной системы к другой только за счет разницы в температурах этих систем, называется количеством теплоты.

Виды теплообмена

В естественных условиях передача внутренней энергии тем теплообмена всегда происходит в строго определенном направлении: от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Когда же температуры тел становятся одинаковыми, наступает состояние теплового равновесия: тела обмениваются энергией в равных количествах.

Совокупность явлений, связанных с переходом тепловой энергии из одних частей пространства в другие, который обусловлен различием температур этих частей, называют в общем случае теплообменом. В природе существует несколько видов теплообмена. Существуют три способа передачи количества теплоты от одного тела к другому: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность.

Поместим в пламя спиртовки конец металлического стержня. К стержню на равных расстояниях друг от друга прикрепим с помощью воска несколько спичек. При нагревании одного конца стержня восковые шарики плавятся, и спички одна за другой падают. Это свидетельствует о том, что, внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому.

Рисунок 1 Демонстрация процесса теплопроводности

Выясним причину этого явления.

При нагревании конца стержня интенсивность движения частиц, из которых состоит металл, возрастает, их кинетическая энергия увеличивается. Вследствие хаотичности теплового движения они сталкиваются с более медленными частицами соседнего холодного слоя металла и передают им часть своей энергии. В результате этого внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому.

Передача внутренней энергии от одной части тела к другой в результате теплового движения его частиц называется теплопроводностью.

Конвекция

Передача внутренней энергии путем теплопроводности происходит главным образом в твердых телах. В жидких и газообразных телах передача внутренней энергии осуществляется и другими способами. Так, при нагревании воды плотность ее нижних, более горячих, слоев уменьшается, а верхние слои остаются холодными и плотность их не изменяется. Под действием сил тяжести более плотные холодные слои воды опускаются вниз, а нагретые поднимаются вверх: происходит механическое перемешивание холодных и нагретых слоев жидкости. Вся вода прогревается. Аналогичные процессы происходят и в газах.

Передача внутренней энергии вследствие механического перемешивания нагретых и холодных слоев жидкости или газа называется конвекцией.

Явление конвекции играет большую роль в природе и технике. Конвекционные потоки вызывают постоянное перемешивание воздуха в атмосфере, благодаря чему состав воздуха во всех местах Земли практически одинаков. Конвекционные течения обеспечивают непрерывное поступление свежих порций кислорода к пламени в процессах горения. Вследствие конвекции происходит выравнивание температуры воздуха в жилых помещениях при отоплении, а также воздушное охлаждение приборов при работе различной радиоэлектронной аппаратуры.

Рисунок 2 Обогрев и выравнивание температуры воздуха в жилых помещениях при отоплении вследствие конвекции

Излучение

Передача внутренней энергии может происходить и путем электромагнитного излучения. Это легко обнаружить на опыте. Включим в сеть электронагревательную печь. Она хорошо обогревает руку, когда мы подносим ее не только сверху, но и сбоку печи. Теплопроводность воздуха очень мала, а конвекционные потоки поднимаются вверх. В этом случае энергия от раскаленной электрическим током спирали в основном передается способом излучения.

Передача внутренней энергии путем излучения осуществляется не частицами вещества, а частицами электромагнитного поля — фотонами. Они не существуют внутри атомов «в готовом виде», подобно электронам или протонам. Фотоны возникают при переходе электронов из одного электронного слоя в другой, расположенный ближе к ядру, и при этом уносят с собой определенную порцию энергии. Достигая другого тела, фотоны поглощаются его атомами и целиком передают им свою энергию.

Передача внутренней энергии от одного тела к другому вследствие ее переноса частицами электромагнитного поля — фотонами, называется электромагнитным излучением. Любое тело, температура которого выше температуры окружающей среды, излучает свою внутреннюю энергию в окружающее пространство. Количество энергии, излучаемое телом в единицу времени, резко возрастает с повышением его температуры.

Рисунок 3 Опыт, иллюстрирующий передачу внутренней энергии горячего чайника через излучение

Рисунок 4 Излучение от Солнца

Поиск по сайту: