Теплота
Теплота — энергия, которая переходит от более нагретого тела к менее нагретому из-за разницы температур. Её измеряют в джоулях (Дж), в технике — в килоджоулях и киловатт-часах; устаревшая единица — калория, 1 ккал = 4,1868 кДж. Количество теплоты для нагрева или охлаждения вещества считают по формуле Q = c · m · Δt, где c — удельная теплоёмкость, m — масса, Δt — изменение температуры.
Что такое теплота
Теплота - это энергия, полученная в результате изменения температуры. Теплота передается от более теплого тела к более холодному. Теплота — это температурная составляющая передачи энергии при работе машинных систем. Принимая во внимание, что работа — это передача энергии силой, которая перемещает массу на определенное расстояние, теплота передается от одного тела другому из-за разницы температур. Теплота передает внутреннюю кинетическую энергию от молекул более теплого тела более холодному. Такая передача энергии уменьшает уровень кинетической энергии молекул более теплого тела, что производит соответствующее уменьшение его температуры. Одновременно кинетическая энергия выравнивается и температура более холодного тела увеличивается.
Теплопередача и трение
Передачу энергии, которая затрагивает температуру тела, называют теплопередачей. Хотя передача теплоты происходит в основном в ответ на разницу температур, ее также вызывает сила трения - это взаимодействия, которые происходят на молекулярном уровне как движение тел относительно друг друга. Такие взаимодействия изменяют уровень кинетической энергии молекул между двумя поверхностями. В результате растягивания резинки молекулы движутся друг мимо друга, изменяют свою скорость и температуру всего тела. Данное изменение тепловой энергии - конверсионный процесс, где часть проделанной работы по перемещению тела сохраняется в виде энергии. В данном разделе описаны различные виды тепловой энергии и теплопередачи между телами.
Формула количества теплоты
Q = c · m · Δt
- Q — количество теплоты, кДж;
- c — удельная теплоёмкость вещества, кДж/(кг·K);
- m — масса, кг;
- Δt — изменение температуры, K.
При фазовом переходе температура не меняется, и теплоту считают через скрытую теплоту: Q = r · m для кипения и конденсации, Q = λ · m для плавления и замерзания. Для воды r = 2257 кДж/кг, λ = 334 кДж/кг.
| Единица | В килоджоулях |
|---|---|
| 1 кДж | 1 |
| 1 ккал | 4,1868 |
| 1 кВт·ч | 3600 |
| 1 BTU (британская тепловая единица) | 1,055 |
| 1 тонна холода (12 000 BTU/ч) | 3,517 кВт |
Как теплоту используют в расчётах охлаждения
По той же формуле считают мощность холодильной машины, только вместо массы берут массовый расход. Например, чтобы охлаждать 1 м³/ч воды на 5 °C, нужно отводить 1000 кг/ч × 4,19 кДж/(кг·°C) × 5 °C = 20 950 кДж/ч, то есть около 5,8 кВт. Подробно методика разобрана в статье расчёт охлаждения чиллера.
Виды теплоты
Виды теплоты различают по тому, что происходит с веществом, когда оно её получает или отдаёт. Явная теплота меняет температуру и её видно по термометру; скрытая уходит на изменение агрегатного состояния при постоянной температуре. В холодильной технике обе считают отдельно: охлаждение воды в чиллере — явная теплота, кипение хладагента в испарителе — скрытая.
| Вид | Что происходит | Формула |
|---|---|---|
| Явная теплота | Меняется температура | Q = c · m · Δt |
| Скрытая теплота плавления | Твёрдое → жидкое при t плавления | Q = λ · m |
| Скрытая теплота парообразования | Жидкость → пар при t кипения | Q = r · m |
| Теплота сублимации | Твёрдое → пар, минуя жидкость | Q = (λ + r) · m |
| Теплота сгорания | Выделяется при сжигании топлива | Q = q · m |
| Теплота химической реакции | Выделяется или поглощается в реакции | По энтальпии реакции |
Подробнее о разнице между явной и скрытой теплотой — в статье сухая и скрытая теплота.
Количество теплоты на нагрев или охлаждение
Q = c · m · Δt, c — удельная теплоёмкость, кДж/(кг·К). Без фазовых переходов: для плавления и кипения добавьте λ · m или r · m.
Частые вопросы
Что такое теплота простыми словами?
Энергия, которая сама переходит от горячего тела к холодному, пока их температуры не сравняются. Теплота — не свойство тела, а количество энергии, переданной в процессе.
В чём измеряется теплота?
В системе СИ — в джоулях. На практике используют килоджоули, киловатт-часы и калории: 1 ккал = 4,1868 кДж, 1 кВт·ч = 3600 кДж.
Чем теплота отличается от температуры?
Температура показывает, насколько нагрето тело, а теплота — сколько энергии передано. Ведро и чашка воды при 80 °C имеют одну температуру, но ведро отдаст при остывании гораздо больше теплоты.
Какие бывают виды теплоты?
Явная — меняет температуру тела; скрытая — идёт на плавление, кипение или сублимацию при постоянной температуре; кроме того, выделяют теплоту сгорания и теплоту химических реакций.
Читайте также