В чем смысл теплового баланса кратко

Обновлено: 05.07.2024

Энергия характеризует меру движения и взаимодействия, что определяет фундаментальность закона сохранения энергии при исследовании любых процессов (явлений):

энергия не возникает и не исчезает, а переходит от одной физической системы к другой.

При взаимодействии выделенной системы атомов и молекул с внешней (окружающей) средой происходит обмен энергией — теплообмен (теплопередача), т.е. передача внутренней энергии путем непосредственного соприкосновения или через излучение.

Передача внутренней энергии от системы во внешнюю среду происходит при условии наличия разности температур, т.е. температура системы атомов и молекул выше (возможен обратный процесс теплообмена от внешней среды к системе).

При переходе теплоты от более горячего тела к более холодному температуры тел постепенно (т.е. во времени!) выравниваются и становятся едиными для обоих тел — наступает состояние термодинамического равновесия .

При теплообмене двух или нескольких тел абсолютное количество теплоты, которое отдано более нагретым телом (телами), равно количеству теплоты, которое получено менее нагретым телом (телами) (если нет потерь теплоты):

Уравнение Теплового Баланса. Первый Закон Термодинамики:

Если тела образуют замкнутую систему и между ними происходит только теплообмен, то алгебраическая сумма полученных и отданных энергий равна нулю.

1) Теплота передается от более нагретого тела менее нагретому. Мера нагретости тела - его температура.
2) Для тел, участвующих в теплообмене, выполняется закон сохранения энергии (сколько тепла более нагретые тела отдали, столько менее нагретые получили).

Ключевые слова конспекта: количество теплоты, уравнение теплового баланса, закон сохранения энергии в тепловых процессах.

Для механических явлений при определённых условиях выполняется закон сохранения механической энергии: полная механическая энергия системы тел сохраняется, если они взаимодействуют силами тяготения или упругости. Если действуют силы трения, то полная механическая энергия тел не сохраняется, часть её (или вся) превращается в их внутреннюю энергию.

При изменении состояния тела (системы) меняется его внутренняя энергия. Состояние тела и соответственно его внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: в процессе теплопередачи или путём совершения внешними силами работы над телом (работа, например, силы трения). Мерой изменения внутренней энергии тела в процессе теплообмена выступает количество теплоты (Q).

Уравнение теплового баланса

В изолированной системе при смешивании горячей и холодной воды, количество теплоты Q₁, отданное горячей водой, равно количеству теплоты Q₂, полученному холодной водой, т.е.: |Q₁|= |Q₂| . Q₁ (выделенное) 0.

Q_{отданное} + Q_{полученное} = 0

Записанное равенство называется уравнением теплового баланса (эта формула и уравнение, используемое в 8 классе!). Определение: суммарное количества теплоты, которое выделяется в теплоизолированной системе равно суммарному количеству теплоты, которое в этой системе поглощается.

Уравнение теплового баланса связывает количество теплоты, полученное одним телом, и количество теплоты, отданное другим телом при теплообмене. При этом в теплообмене могут участвовать не два тела, а три и более: Q₁ + Q₂ + Q₃ + … = 0

Уравнение теплового баланса – это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах. Оно даёт возможность определить те или иные величины. В частности, значения удельной теплоёмкости веществ определяют из уравнения теплового баланса.

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Закон сохранения энергии в тепловых процессах выполняется при нагревании тел за счёт энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Топливо — это природный газ, дрова, уголь, нефть. При его сгорании происходит химическая реакция окисления — атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе, и образуется молекула оксида углерода (углекислого газа) С0₂. При этом выделяется энергия.

При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива.

Одним из основных законов физики и в частности термодинамики является закон сохранения и превращения энергии.

Если в изолированной системе тел не происходит ни каких превращений энергии кроме теплообмена, то количество теплоты, отданное телами, внутренняя энергия которых уменьшается, равно количеству теплоты, полученному телами, внутренняя энергия которых, увеличивается. При этом суммарная энергия системы не изменяется и тогда первое начало термодинамики записывается в следующем виде:

$\triangle U=\sum^n_<i=1> $

Это уравнение называют уравнением теплового баланса.

Или по другому: Суммарное количества теплоты, которое выделяется в теплоизолированной системе равно количеству теплоты (суммарному), которое в этой системе поглощается.

$\[Q_1+Q_2+Q_2+\dots +Q_n=Q$

По своему смыслу, уравнение теплового баланса – это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах.

Примеры решения задач

Задание

В медный калориметр массой кг cо льдом массы кг, имеющих температуру

K, пустили пар при температуре K, после чего в калориметре установилась температура K. Определить массу пара. Считать систему лед-калориметр-пар изолированной.

Решение

Сделаем рисунок

$<\theta =320K=<47> По условию задачи теплообмен системы лед-калориметр-пар с внешней средой не происходит. Поэтому внутренняя энергия системы не изменяется. Значит все процессы происходящие в системе можно описать уравнением теплового баланса с учетом агрегатных превращений. Кроме того, в результате теплового взаимодействия в калориметре останется вода ( если судить по температуре, которая установилась по условию задачи ^C>$
). В системе пар отдает теплоту (его внутренняя энергия уменьшается), а калориметр и лед теплоту получают (их внутренняя энергия увеличивается).

Добавим к исходным данным, необходимые нам табличные данные:

$<\cdot 10> Удельная теплоемкость пара =1,7^3$
Дж/кгК,

$\cdot <10> Удельная теплоемкость воды =4,2^3$
Дж/кгК,

$\cdot <10> Удельная теплоемкость льда =2,1^3$
Дж/кгК,

$\cdot <10> Удельная теплоемкость меди =3,8^3$
Дж/кгК,

$r=2,1\cdot <10> Удельная теплота парообразования воды ^6$
Дж/кг

$\lambda =3,3\cdot <10> Удельная теплота плавления льда ^5$
Дж/кг

При решении задачи необходимо отследить и описать все стадии изменения внутренней энергии тел.

К ( температура конденсирования водяного пара при нормальных условиях).

3. Полученная из пара вода остывает до температуры .

В результате внутренняя энергия пара уменьшается на:

$\triangle U_1=Q_<otd> =m_pc_p(T_p-T_)+\ m_pr+m_pc_v(T_-\theta )$

4. Лед, получая теплоту, нагревается от " width="28" height="15" />
до " width="38" height="18" />
=273 К ( температура плавления льда при нормальных условиях).

6. Вода (полученная изо льда) нагревается до температуры .

В результате внутренняя энергия льда увеличивается на:

$\[\triangle U_2=Q$

до .

В результате его внутренняя энергия возрастает на:

$\[\triangle U_3=Q$

Составим уравнение теплового баланса:

Для описания, имеющегося у нас процесса, уравнение теплового баланса получит вид:

$m_pc_p(T_p-T_ )+m_pr+m_pc_v(T_-\theta ) =$

$=m_lc_l(T_ -T_)+m_l \lambda+m_lc_v(_)+m_mc_m(_)$

$m_p=\frac<m_lc_l(T_ -T_)+\ m_l \lambda+m_lc_v(_)+m_mc_m(_)><c_p(T_p-T_)+r+c_v(T_-\theta)> =0,342\ kg$

В нашем случае процессы обратимы, следовательно, изменение энтропии можно записать следующим образом:

$\triangle S=\int<\frac<\delta Q> >$

Мы в системе имеем следующие процессы:

1. Газ нагревается от температуры до температуры , получая теплоту.

$\triangle S=\int >=\int^_>=\int^_>=cm\cdot ln(\frac)$

В полученном уравнении еще необходимо определить температуру, которая установится в системе и массу газа в сосуде.

Массу газа найдем из уравнения Менделеева — Клапейрона:

$pV=\frac<m_g> <\mu >RT\$

$m_g=\frac<pV\mu > $

Чтобы найти , опишем процесс нагревания газа и остывания шарика и используем уравнение теплового баланса.

2. Шарик остывает, отдавая тепло.

$Q_<otd> =mc_c<(\theta -T>_2)$

Тогда можно записать уравнение теплового баланса:

$\frac<pV\mu > c_g\left(\theta -T_1\right)+mc_c<(\theta -T>_2)=0$

$\theta =\frac<(pV\mu c_g+mc_cRT_2)T_1> <pV\mu c_g+mc_cRT_1>$

\cdot ln(\frac)" width="152" height="23" />
, где " width="160" height="31" />

сопоставление прихода и расхода (полезно использованной и потерянной) теплоты в различных тепловых процессах (См. Тепловой процесс). В технике Т. б. используется для анализа тепловых процессов, осуществляющихся в паровых котлах, печах, тепловых двигателях и т. д. Т. б. составляется в единицах энергии (джоулях (См. Джоуль), Калориях) или в % общего количества теплоты, приходящихся на единицу выпускаемой продукции, на 1 ч работы, на период времени (цикл) или на 1 кг израсходованного вещества. В научных исследованиях Т. б. пользуются при решении многих астрофизических, геофизических, химических, биологических и других проблем (см. Тепловой баланс моря, Тепловой баланс Земли и т. д.).

Т. б. рассчитывается на основе физических теплот (энтальпий (См. Энтальпия)), участвующих в процессе веществ, и теплот соответствующих химических реакций. Для сложных процессов (особенно в металлургии, химической технологии и т. д.) Т. б. предшествует построение материального баланса, т. е. сопоставление прихода и расхода масс веществ в этом процессе; при этом Т. б. установки часто получается как сумма Т. б. аппаратов, составляющих эту установку. Различают Т. б. расчётные и экспериментальные, составленные по данным тепловых испытаний.

Т. б. выражается: в виде уравнения (в одной части которого суммируется приход теплоты, в другой — её расход или потери), таблицы или диаграммы (рис.). Например, Т. б. парового котла выражается след. уравнением:

По данным Т. б. определяют численное значение коэффициентов полезного действия (См. Коэффициент полезного действия) как отдельных частей, так и всей установки в целом. Для оценки экономичности установок, вырабатывающих несколько видов энергии, может применяться эксергический баланс (см. Эксергия).

Тепловой баланс автомобильного двигателя: а — полезно использованная теплота; б — потери с выхлопными газами; в — потери с охлаждающей водой; г — прочие потери.

Земли, соотношение прихода и расхода энергии (лучистой и тепловой) на земной поверхности, в атмосфере и в системе Земля — атмосфера. Основным источником энергии для подавляющего большинства физических, химических и биологических процессов в атмосфере, гидросфере и в верхних слоях литосферы является Солнечная радиация, поэтому распределение и соотношение составляющих Т. б. характеризуют её преобразования в этих оболочках.

Т. б. представляют собой частные формулировки закона сохранения энергии и составляются для участка поверхности Земли (Т. б. земной поверхности); для вертикального столба, проходящего через атмосферу (Т. б. атмосферы); для такого же столба, проходящего через атмосферу и верхние слои литосферы или гидросферу (Т. б. системы Земля — атмосфера).

Уравнение Т. б. земной поверхности: R + P + F₀ + LE = 0 представляет собой алгебраическую сумму потоков энергии между элементом земной поверхности и окружающим пространством. В число этих потоков входит Радиационный баланс (или остаточная радиация) R — разность между поглощённой коротковолновой солнечной радиацией и длинноволновым эффективным излучением с земной поверхности. Положительная или отрицательная величина радиационного баланса компенсируется несколькими потоками тепла. Так как температура земной поверхности обычно не равна температуре воздуха, то между подстилающей поверхностью (См. Подстилающая поверхность) и атмосферой возникает поток тепла Р. Аналогичный поток тепла F₀ наблюдается между земной поверхностью и более глубокими слоями литосферы или гидросферы. При этом поток тепла в почве определяется молекулярной Теплопроводностью, тогда как в водоёмах теплообмен, как правило, имеет в большей или меньшей степени турбулентный характер. Поток тепла F₀ между поверхностью водоёма и его более глубокими слоями численно равен изменению теплосодержания водоёма за данный интервал времени и переносу тепла течениями в водоёме. Существенное значение в Т. б. земной поверхности обычно имеет расход тепла на испарение LE, который определяется как произведение массы испарившейся воды Е на теплоту испарения L. Величина LE зависит от увлажнения земной поверхности, её температуры, влажности воздуха и интенсивности турбулентного теплообмена в приземном слое воздуха, которая определяет скорость переноса водяного пара от земной поверхности в атмосферу.

Т. б. атмосферы слагается из её радиационного баланса R_a; прихода или расхода тепла L_r при фазовых преобразованиях воды в атмосфере (г — сумма осадков); прихода или расхода тепла Р, обусловленного турбулентным теплообменом атмосферы с земной поверхностью; прихода или расхода тепла F_a, вызванного теплообменом через вертикальные стенки столба, который связан с упорядоченными движениями атмосферы и макротурбулентностью. Кроме того, в уравнение T. б. атмосферы входит член ΔW, равный величине изменения теплосодержания внутри столба.

Уравнение Т. б. системы Земля — атмосфера соответствует алгебраической сумме членов уравнений Т. б. земной поверхности и атмосферы. Составляющие Т. б. земной поверхности и атмосферы для различных районов земного шара определяются путём метеорологических наблюдений (на актинометрических станциях, на специальных станциях Т. б., на метеорологических спутниках Земли) или путём климатологических расчётов.

Средние широтные величины составляющих Т. б. земной поверхности для океанов, суши и Земли и Т. б. атмосферы приведены в таблицах 1, 2, где величины членов Т. б. считаются положительными, если соответствуют приходу тепла. Так как эти таблицы относятся к средним годовым условиям, в них не включены члены, характеризующие изменения теплосодержания атмосферы и верхних слоев литосферы, поскольку для этих условий они близки к нулю.

Для Земли как планеты, вместе с атмосферой, схема Т. б. представлена на рис. На единицу поверхности внешней границы атмосферы поступает поток солнечной радиации, равный в среднем около 250 ккал/см 2 в год, из которых около 1 /₃ отражается в мировое пространство, а 167 ккал/см 2 в год поглощает Земля (стрелка Q_s на рис.). Земной поверхности достигает коротковолновая радиация, равная 126 ккал/см 2 в год; 18 ккал/см 2 в год из этого количества отражается, а 108 ккал/см 2 в год поглощается земной поверхностью (стрелка Q). Атмосфера поглощает 59 ккал/см 2 в год коротковолновой радиации, то есть значительно меньше, чем земная поверхность. Эффективное длинноволновое излучение поверхности Земли равно 36 ккал/см 2 в год (стрелка I), поэтому радиационный баланс земной поверхности равен 72 ккал/см 2 в год. Длинноволновое излучение Земли в мировое пространство равно 167 ккал/см 2 в год (стрелка I_s). Таким образом, поверхность Земли получает около 72 ккал/см 2 в год лучистой энергии, которая частично расходуется на испарение воды (кружок LE) и частично возвращается в атмосферу посредством турбулентной теплоотдачи (стрелка Р).

Читайте также:

В чем смысл теплового баланса кратко

Уравнение теплового баланса

Qотданное + Qполученное = 0

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Примеры решения задач

Q_{отданное} + Q_{полученное} = 0