Каков способ теплопередачи водяного отопления: Он-лайн тестирование по школьным предметам

Внутренняя энергия и способы ее изменения — Студопедия

Поделись  

Вариант 2

 

Каким способом можно изменить внутреннюю энергию тела?

А. Только совершением работы.

Б. Совершением работы и теплопередачей.

В. Только теплопередачей.

Г. Внутреннюю энергию тела изменить нельзя.

 

Первая пластина перемещалась по горизонтальной поверхности и в результате действия силы трения нагрелась, а вторая пластина была поднята вверх над горизонтальной поверхностью. В обоих случаях была совершена одинаковая работа. Изменилась ли внутренняя энергия пластин?

А. У первой пластины не изменилась, у второй увеличилась.

Б. У обеих пластин увеличилась.

В. У первой пластины увеличилась, а у второй не изменилась.

Г. Не изменилась ни у первой, ни у второй пластин.

 

Сок поставили в холодильник и охладили. Каким способом изменили внутреннюю энергию сока?

А. При совершении работы.      Б. При теплопередаче.

 

Резиновую нить слегка растянули. Чтобы внутренняя энергия нити увеличилась ее надо…

А. Растянуть сильнее.     Б. Отпустить.

 

Два алюминиевых бруска массами 100 и 300 г, взятых при комнатной температуре, нагрели до одинаковой температуры. У какого бруска внутренняя энергия изменилась больше?

A.У обоих не изменилась.

Б. У обоих одинаково.

B.У первого бруска.

Г. У второго бруска.

 

Виды теплопередачи

Вариант 2

 

Вид теплопередачи, при котором энергия от нагретого тела передается холодному с помощью лучей, называется…

А.

Излучением.

Б. Конвекцией.

В. Теплопроводностью.

 

Каков способ теплопередачи водяного отопления?

 

А. Излучение.

Б. Теплопроводность.

В. Конвекция.

 

8. Благодаря какому способу теплопередачи Солнце
нагревает Землю?

А. Теплопроводность.

Б. Конвекция.

В. Излучение.

 

Каков способ передачи энергии от горячего утюга ткани?

А. Работа.

Б. Теплопроводность.

В. Конвекции.
Г. Излучение.

 

Изменится ли температура тела, если оно поглощает энергии больше, чем испускает?

A.

Тело нагреется.

Б. Температура тела не изменится.

B.  Тело охладится.

 

 

Количество теплоты. Удельная теплоемкость

Вариант 2

Количество теплоты, затраченное на нагревание тела, зависит от…

А. Массы, объема и рода вещества.

 

Б. Изменения его температуры, плотности и рода вещества.

 

В. Массы тела, его плотности и изменения температуры.

 

Г. Рода вещества, его массы и изменения температуры.

 

В каких единицах измеряют внутреннюю энергию?

А.  .       Б.Дж.       В. см.     Г.Вт.     Д. Дж/кг

 

Удельная теплоемкость свинца 140 дж/кг . Это значит, что для нагревания…

 

А. Свинца массой 140 кг на 1 °С требуется 1 Дж энергии.

Б. Свинца массой 1 кг на 140 °С требуется 1 Дж энергии.

B. Свинца массой 1 кг на 1 °С требуется 140 Дж энергии.

 

Г. Свинца массой 1 кг на 140 °С требуется 140 Дж энергии.

 

14. Какое количество теплоты выделите и при охлаждении 20 г спирта на 6 °С?

А. 300 Дж.  

 

Б. 8 333,3 Дж. 

В. 0,048 Дж.  

Г. 400 000 Дж. 

Д. 750 Дж.

 

При нагревании 4 г спирта передано 200 Дж количества теплоты. На сколько градусов изменилась температура спир-та?

А. 2 000 000 °С. Б. 50 °С. В. 2000 °С. Г. 0,05 °С. Д. 20 °С.

 

5Энергия топлива
Вариант 2

 

Удельная теплота сгорания топлива — это количество теплоты, выделяющееся…

А. При полном сгорании топлива массой 1 кг.

Б. При сгорании топлива.

В. При полном сгорании топлива.

 

17. Что означает выражение: «удельная теплота сгорания бензина q = 45 ∙10⁶ »? Это означает, что при полном сгорании…

A. Бензина объемом 1 м³ бензина выделяется 45 ∙10⁶Дж энергии.

Б. Бензина массой 45 ∙10⁶кг выделяется 1 Дж энергии.

B.

Бензина массой 45 кг выделяется 10⁶ Дж энергии.
Г. Бензина массой 1 кг выделяется 45 ∙10⁶Дж энергии.

 

18. Какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 200 г березовых дров? Удельная теплота сгорания березовых дров q_бер._дров = 15∙10⁶ .

А. 3∙10⁹Дж.             Г. 75∙10³Дж.

Б. 3∙10⁶Дж.              Д. 75∙10⁶Дж.

В. 0,0133∙10^-6Дж.

 



ТЕСТ . Виды теплопередачи 8 класс..

ТЕСТ .

«Виды теплопередачи»

8 класс..

Автор: учитель физики высшей категории

Барковская Светлана Евгеньевна

МОУ СШ №1 рп Кузоватово

Ульяновской области.

Цель работы: выявление усвоения учащимися обязательного минимума знаний и умений поданной теме :

владение основными понятиями и законами физики:

-Знание/понимание физических величин, характеризующих:

температура, удельная теплоёмкость, количество теплоты совершенная работа, ;

– физического понятия:

внутренняя энергия, количество теплоты,

– физические явления:

излучение, теплопроводность, конвекция.

-. Знание закона и практическое его использование:

закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.

На выполнение отводится 7-10 минут (в зависимости от уровня подготовки класса ).

Задания рекомендуется выполнять по порядку.

Если задание не удалось выполнить сразу, перейти к следующему.

Если останется время, вернитесь к пропущенным заданиям.

Вариант 1

1.Конвекцией называют вид теплопередачи, при котором энергия…

A.Передается от нагретого тела с помощью лучей.

Б.От нагретого конца тела передается к холодному, но само вещество при этом не перемещается.

В. Переносится самими частицами вещества.

2.Каков способ теплопередачи от костра?

А. Излучение.

Б. Теплопроводность.

В. Конвекция.

3.Ложка, опущенная в стакан с горячей водой, нагревается. Каким способом происходит теплопередача?

А. Излучение.

Б. Теплопроводность.

В. Конвекция.

4.Каким способом происходит теплопередача при нагревании шин автомобиля при торможении?

А. Конвекцией.

Б. Теплопроводностью.

В. Излучением.
Г. Работой.

5.Какое вещество обладает наибольшей теплопроводностью?

А. Шерсть.

Б. Железо.

В. Бумага.

Какой способ теплопередачи осуществляется при хранении продуктов в погребе?

А. Конвекция.

Б. Излучение.

В. Теплопроводность.

7. Каким способом передается энергия ладоням человека при быстром скольжении вниз по шесту?

А. Излучением.

Б. Теплопроводностью.

В. Работой.
Г. Конвекцией

Вариант 2

1.Вид теплопередачи, при котором энергия от нагретого тела передается холодному с помощью лучей, называется. ..

А. Излучением.

Б. Конвекцией.

В. Теплопроводностью.

2.Каков способ теплопередачи водяного отопления?

А. Излучение.

Б. Теплопроводность.

В. Конвекция.

3.Благодаря какому способу теплопередачи Солнце нагревает Землю?

А. Теплопроводность.

Б. Конвекция.

В. Излучение.

4.Каков способ передачи энергии от горячего утюга ткани?

А. Работа.

Б. Теплопроводность.

В. Конвекции.
Г. Излучение.

5.Изменится ли температура тела, если оно поглощает энергии больше, чем испускает?

A.Тело нагреется.

Б. Температура тела не изменится.

B.Тело охладится.

6.Каким способом осуществляется передача энергии бегущему человеку?

А. Теплопроводностью.

Б. Конвекцией.

В. Работой.
Г. Излучением

7. Какое вещество обладает наименьшей теплопроводностью?

А. Серебро.

Б. Воздух.

В. Алюминий.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/334650-testvidy-teploperedachi-8-klass

Учебное пособие по физике

Если вы следили за этим уроком с самого начала, значит, вы все лучше и лучше понимаете температуру и тепло. Вы должны разработать модель материи, состоящей из частиц, которые вибрируют (качаются вокруг фиксированного положения), перемещаются (перемещаются из одного места в другое) и даже вращаются (вращаются вокруг воображаемой оси). Эти движения сообщают частицам кинетическую энергию. Температура является мерой среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Чем больше частицы вибрируют, перемещаются и вращаются, тем выше температура объекта. Надеюсь, вы усвоили понимание тепла как потока энергии от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой.

Именно разница температур между двумя соседними объектами вызывает этот теплообмен. Теплопередача продолжается до тех пор, пока два объекта не достигнут теплового равновесия и не будут иметь одинаковую температуру. Обсуждение теплопередачи было построено вокруг некоторых повседневных примеров, таких как охлаждение кружки горячего кофе и нагревание банки холодной газировки. Наконец, мы провели мысленный эксперимент, в котором металлическая банка с горячей водой помещается в пенопластовый стакан с холодной водой. Тепло передается от горячей воды к холодной воде до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру.

Теперь мы должны исследовать некоторые из следующих вопросов:

• Что происходит на уровне частиц, когда энергия передается между двумя объектами?
• Почему тепловое равновесие всегда устанавливается, когда два тела передают тепло?
• Как работает теплопередача в объеме объекта?
• Существует ли более одного метода теплопередачи? Если да, то чем они похожи и чем отличаются друг от друга?

Проводимость — вид частиц

Давайте начнем обсуждение с возвращения к нашему мысленному эксперименту, в котором металлическая банка с горячей водой была помещена в пенопластовый стакан с холодной водой. Тепло передается от горячей воды к холодной воде до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру. В этом случае передачу тепла от горячей воды через металлическую банку к холодной воде иногда называют теплопроводностью. Кондуктивный тепловой поток включает передачу тепла из одного места в другое в отсутствие какого-либо потока материала. Нет ничего физического или материального, перемещающегося из горячей воды в холодную. Только энергия передается от горячей воды к холодной воде. Кроме потери энергии, от горячей воды не остается ничего другого. И кроме прироста энергии в холодную воду больше ничего не входит. Как это произошло? Какой механизм делает возможным кондуктивный поток тепла?

Такой вопрос относится к уровню частиц. Чтобы понять ответ, мы должны думать о материи как о состоящей из мельчайших частиц атомов, молекул и ионов. Эти частицы находятся в постоянном движении; это дает им кинетическую энергию. Как упоминалось ранее в этом уроке, эти частицы перемещаются по пространству контейнера, сталкиваясь друг с другом и со стенками своего контейнера. Это известно как поступательная кинетическая энергия и является основной формой кинетической энергии для газов и жидкостей. Но эти частицы также могут колебаться вокруг фиксированного положения. Это дает частицам колебательную кинетическую энергию и является основной формой кинетической энергии для твердых тел. Проще говоря, материя состоит из маленьких шевелений и маленьких хлопушек. Вигглеры — это те частицы, которые колеблются вокруг фиксированного положения. Они обладают колебательной кинетической энергией. Бэнгеры — это те частицы, которые движутся через контейнер с поступательной кинетической энергией и сталкиваются со стенками контейнера.

Стенки контейнера представляют собой периметр образца материи. Подобно тому, как периметр вашей собственности (как в случае недвижимости) является самым дальним расширением собственности, так и периметр объекта является самым дальним расширением частиц в образце материи. По периметру маленьких хлопушек сталкиваются с частицами другого вещества — частицами контейнера или даже окружающего воздуха. Даже закрепленные по периметру вигглеры немного стучат. Находясь по периметру, их покачивание приводит к столкновениям с частицами, находящимися рядом с ними; это частицы контейнера или окружающего воздуха.

На этом периметре или границе столкновения маленьких сопел и вигглеров являются упругими столкновениями, при которых общая кинетическая энергия всех сталкивающихся частиц сохраняется. Чистый эффект этих упругих столкновений заключается в передаче кинетической энергии через границу частицам на противоположной стороне. Более энергичные частицы теряют немного кинетической энергии, а менее энергичные частицы приобретают немного кинетической энергии. Температура является мерой среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Таким образом, в среднем в объекте с более высокой температурой с большей кинетической энергией больше частиц, чем в объекте с более низкой температурой. Поэтому, когда мы усредняем все столкновения вместе и применяем принципы, связанные с упругими столкновениями, к частицам в образце вещества, логично заключить, что объект с более высокой температурой потеряет часть кинетической энергии, а объект с более низкой температурой приобретет некоторую кинетическую энергию. . Столкновения наших маленьких сопел и вигглеров будут продолжать передавать энергию до тех пор, пока температуры двух объектов не станут одинаковыми. Когда это состояние теплового равновесия достигнуто, средняя кинетическая энергия частиц обоих объектов равна. При тепловом равновесии количество столкновений, приводящих к выигрышу энергии, равно количеству столкновений, приводящих к потере энергии. В среднем нет чистой передачи энергии в результате столкновений частиц на периметре.

На макроскопическом уровне тепло — это передача энергии от объекта с высокой температурой к объекту с низкой температурой. На уровне частиц тепловой поток можно объяснить с точки зрения чистого эффекта от столкновений целой группы маленьких сопел . Нагрев и охлаждение являются макроскопическим результатом этого явления на уровне частиц. Теперь давайте применим этот вид частиц к сценарию с металлической банкой с горячей водой, расположенной внутри пенопластового стакана с холодной водой. В среднем частицы с наибольшей кинетической энергией имеют частицы горячей воды. Будучи жидкостью, эти частицы движутся с поступательной кинетической энергией и ударяются о частицы металлической банки. Когда частицы горячей воды ударяются о частицы металлической банки, они передают энергию металлической банке. Это нагревает металлическую банку. Большинство металлов являются хорошими теплопроводниками, поэтому они довольно быстро нагреваются по всему объему банки. Банка принимает почти ту же температуру, что и горячая вода. Будучи твердым телом, металлическая банка состоит из маленьких шевелек . Вигглеры по внешнему периметру металла могут удариться о частиц в холодной воде. Столкновения между частицами металла и частицами холодной воды приводят к передаче энергии холодной воде. Это медленно нагревает холодную воду. Взаимодействие между частицами горячей воды, металлической банки и холодной воды приводит к передаче энергии наружу от горячей воды к холодной воде. Средняя кинетическая энергия частиц горячей воды постепенно уменьшается; средняя кинетическая энергия частиц холодной воды постепенно увеличивается; и, в конце концов, тепловое равновесие будет достигнуто в точке, когда частицы горячей и холодной воды будут иметь одинаковую среднюю кинетическую энергию. На макроскопическом уровне можно было бы наблюдать снижение температуры горячей воды и повышение температуры холодной воды.

Механизм, в котором тепло передается от одного объекта к другому через столкновения частиц, известен как теплопроводность. При проведении нет чистой передачи физического материала между объектами. Ничто материальное не перемещается через границу. Изменения температуры полностью объясняются как результат выигрыша и потери кинетической энергии при столкновениях.

 

Проведение через объем объекта

Мы обсудили, как тепло передается от одного объекта к другому посредством теплопроводности. Но как он проходит через объем объекта? Например, предположим, что мы достаем из шкафа керамическую кофейную кружку и ставим ее на столешницу. Кружка находится при комнатной температуре – может быть, при 26°C. Затем предположим, что мы наполняем керамическую кофейную кружку горячим кофе с температурой 80°C. Кружка быстро нагревается. Энергия сначала поступает в частицы на границе между горячим кофе и керамической кружкой. Но затем она течет через объем керамики ко всем частям керамической кружки. Как происходит теплопроводность в самой керамике?

Механизм передачи тепла через объем керамической кружки описан аналогично предыдущему. Керамическая кружка состоит из набора упорядоченно расположенных шевелек. Это частицы, которые колеблются вокруг фиксированного положения. Когда керамические частицы на границе между горячим кофе и кружкой нагреваются, они приобретают кинетическую энергию, которая намного выше, чем у их соседей. Когда они извиваются более энергично, они врезаются в своих соседей и увеличивают свою кинетическую энергию колебаний. Эти частицы, в свою очередь, начинают более энергично раскачиваться, а их столкновения с соседями увеличивают их кинетическую энергию колебаний. Процесс передачи энергии с помощью маленькой сосиски продолжается от частиц внутри кружки (в контакте с частицами кофе) к внешней части кружки (в контакте с окружающим воздухом). Вскоре вся кофейная кружка станет теплой, и ваша рука это почувствует.

Этот механизм проводимости за счет взаимодействия между частицами очень распространен в керамических материалах, таких как кофейная кружка. Работает ли это так же в металлических предметах? Например, вы, вероятно, замечали высокие температуры, достигаемые металлической ручкой сковороды, поставленной на плиту. Горелки на плите передают тепло металлической сковороде. Если ручка сковороды металлическая, она тоже нагревается до высокой температуры, достаточно высокой, чтобы вызвать сильный ожог. Передача тепла от сковороды к ручке сковороды происходит за счет теплопроводности. Но в металлах механизм проводимости несколько сложнее. Подобно электропроводности, теплопроводность в металлах возникает за счет движения свободных электронов . Электроны внешней оболочки атомов металла распределены между атомами и могут свободно перемещаться по объему металла. Эти электроны переносят энергию от сковороды к ручке сковороды. Детали этого механизма теплопроводности в металлах значительно сложнее, чем приведенное здесь обсуждение. Главное, что нужно понять, это то, что передача тепла через металлы происходит без какого-либо движения атомов от сковороды к ручке сковороды. Это квалифицирует передачу тепла как класс теплопроводности.

Теплопередача конвекцией

Является ли теплопроводность единственным средством теплопередачи? Может ли тепло передаваться через объем тела другими способами, кроме теплопроводности? Ответ положительный. Модель передачи тепла через керамическую кофейную кружку и металлическую сковороду включала теплопроводность. Керамика кофейной кружки и металл сковороды — твердые тела. Передача тепла через твердые тела происходит путем теплопроводности. Это в первую очередь связано с тем, что твердые тела имеют упорядоченное расположение частиц, которые зафиксированы на месте. Жидкости и газы не очень хорошие проводники тепла. На самом деле они считаются хорошими теплоизоляторами.

Тепло обычно не проходит через жидкости и газы посредством теплопроводности. Жидкости и газы — это жидкости; их частицы не закреплены на месте; они перемещаются по большей части образца материи. Модель, используемая для объяснения переноса тепла через объем жидкостей и газов, включает конвекцию. Конвекция — это процесс переноса тепла из одного места в другое за счет движения жидкостей. Движущаяся жидкость несет с собой энергию. Жидкость течет из места с высокой температурой в место с низкой температурой.

Чтобы понять конвекцию в жидкостях, давайте рассмотрим передачу тепла через воду, которая нагревается в кастрюле на плите. Конечно, источником тепла является горелка печки. Металлический горшок, в котором находится вода, нагревается горелкой печи. Когда металл нагревается, он начинает отдавать тепло воде. Вода на границе с металлическим поддоном становится горячей. Жидкости расширяются при нагревании и становятся менее плотными. Так как вода на дне горшка становится горячей, ее плотность уменьшается. Разница в плотности воды между дном и верхом горшка приводит к постепенному образованию циркуляционные токи . Горячая вода начинает подниматься наверх кастрюли, вытесняя более холодную воду, которая была там изначально. А более холодная вода, которая была наверху горшка, движется ко дну горшка, где она нагревается и начинает подниматься. Эти циркуляционные потоки медленно развиваются с течением времени, обеспечивая путь для передачи энергии нагретой воде со дна горшка на поверхность.

Конвекция также объясняет, как электрический обогреватель, размещенный на полу холодильной камеры, нагревает воздух в комнате. Воздух, находящийся возле змеевиков нагревателя, нагревается. По мере нагревания воздух расширяется, становится менее плотным и начинает подниматься вверх. Когда горячий воздух поднимается вверх, он отталкивает часть холодного воздуха в верхней части комнаты в сторону. Холодный воздух перемещается в нижнюю часть помещения, заменяя поднявшийся горячий воздух. Когда более холодный воздух приближается к обогревателю в нижней части комнаты, он нагревается от обогревателя и начинает подниматься вверх. И снова медленно формируются конвекционные потоки. По этим путям проходит воздух, разнося с собой энергию от обогревателя по всему помещению.

Конвекция является основным методом передачи тепла в таких жидкостях, как вода и воздух. Часто говорят, что в таких ситуациях тепла поднимаются на . Более подходящим объяснением будет сказать, что нагретая жидкость поднимается . Например, когда нагретый воздух поднимается от обогревателя на пол, он уносит с собой более энергичные частицы. Поскольку более энергичные частицы нагретого воздуха смешиваются с более холодным воздухом у потолка, средняя кинетическая энергия воздуха у потолка помещения увеличивается. Это увеличение средней кинетической энергии соответствует повышению температуры. Конечным результатом подъема горячей жидкости является передача тепла из одного места в другое. Конвекционный способ теплопередачи всегда предполагает перенос тепла движением вещества. Это не следует путать с теорией калорий, обсуждавшейся ранее в этом уроке. В теории калорий теплота была жидкостью, а движущаяся жидкость была теплотой. Наша модель конвекции рассматривает тепло как передачу энергии, которая является просто результатом движения более энергичных частиц.

Два рассмотренных здесь примера конвекции — нагрев воды в кастрюле и нагрев воздуха в комнате — являются примерами естественной конвекции. Движущая сила циркуляции жидкости естественна — разница в плотности между двумя точками в результате нагрева жидкости в каком-то источнике. (Некоторые источники вводят понятие выталкивающей силы, чтобы объяснить, почему нагретые жидкости поднимаются вверх. Мы не будем здесь останавливаться на таких объяснениях.) Естественная конвекция распространена в природе. Земные океаны и атмосфера нагреваются за счет естественной конвекции. В отличие от естественной конвекции, принудительная конвекция предполагает перемещение жидкости из одного места в другое с помощью вентиляторов, насосов и других устройств. Многие системы домашнего отопления предполагают принудительное воздушное отопление. Воздух нагревается в печи и продувается вентиляторами через воздуховоды и выбрасывается в помещения через вентиляционные отверстия. Это пример принудительной конвекции. Движение жидкости из горячего места (рядом с печью) в прохладное место (комнаты по всему дому) осуществляется вентилятором. Некоторые печи являются печами с принудительной конвекцией; у них есть вентиляторы, которые подают нагретый воздух от источника тепла в духовку. Некоторые камины усиливают согревающую способность огня, выдувая нагретый воздух из камина в соседнее помещение. Это еще один пример принудительной конвекции.

Теплопередача излучением

Последний метод теплопередачи включает излучение. Излучение – это передача тепла посредством электромагнитных волн. излучать означает посылать или распространять из центрального места. Будь то свет, звук, волны, лучи, лепестки цветка, спицы колеса или боль, если что-то излучает , то оно выступает или распространяется наружу из источника. Передача тепла излучением предполагает перенос энергии от источника в окружающее его пространство. Энергия переносится электромагнитными волнами и не связана с движением или взаимодействием материи. Тепловое излучение может происходить через материю или через область пространства, свободную от материи (т. е. вакуум). На самом деле тепло, получаемое на Земле от Солнца, является результатом прохождения электромагнитных волн через пустота космоса между Землей и Солнцем.

Все объекты излучают энергию в виде электромагнитных волн. Скорость, с которой высвобождается эта энергия, пропорциональна температуре Кельвина (T), возведенной в четвертую степень.

Мощность излучения = k•T ⁴

Чем горячее объект, тем сильнее он излучает. Солнце явно излучает больше энергии, чем горячая кружка кофе. Температура также влияет на длину волны и частоту излучаемых волн. Объекты при обычных комнатных температурах излучают энергию в виде инфракрасных волн. Будучи невидимыми для человеческого глаза, мы не видим эту форму излучения. Инфракрасная камера способна обнаруживать такое излучение. Возможно, вы видели тепловые фотографии или видео излучения, окружающего человека или животное, или горячую кружку кофе, или Землю. Энергия, излучаемая объектом, обычно представляет собой совокупность или диапазон длин волн. Обычно это называют спектр излучения . При повышении температуры объекта длины волн в спектрах испускаемого излучения также уменьшаются. Более горячие объекты, как правило, излучают более коротковолновое и более высокочастотное излучение. Катушки электрического тостера значительно горячее комнатной температуры и излучают электромагнитное излучение в видимом спектре. К счастью, это удобно предупреждает пользователей о том, что катушки горячие. Вольфрамовая нить лампы накаливания излучает электромагнитное излучение в видимом (и за его пределами) диапазоне. Это излучение не только позволяет нам видеть, но и нагревает стеклянную колбу, содержащую нить накала. Поднесите руку к лампочке (не касаясь ее), и вы также почувствуете излучение лампочки.

Тепловое излучение является формой передачи тепла, поскольку электромагнитное излучение, испускаемое источником, переносит энергию от источника к окружающим (или удаленным) объектам. Эта энергия поглощается этими объектами, что приводит к увеличению средней кинетической энергии их частиц и повышению температуры. В этом смысле энергия передается из одного места в другое с помощью электромагнитного излучения. Изображение справа было сделано тепловизионной камерой. Камера улавливает излучение, испускаемое объектами, и представляет его с помощью цветной фотографии. горячее цветов представляют области объектов, которые излучают тепловое излучение с большей интенсивностью. (Изображения предоставлены Питером Льюисом и Крисом Уэстом из SLAC Стэндфорда.)

 

Наше обсуждение на этой странице касалось различных методов теплопередачи. Проводимость, конвекция и излучение были описаны и проиллюстрированы. Макроскопическое было объяснено с точки зрения частиц – постоянная цель этой главы Учебного пособия по физике. Последняя тема, которая будет обсуждаться в Уроке 1, носит более количественный характер. На следующей странице мы исследуем математику, связанную со скоростью теплопередачи.

 

 

 

Проверьте свое понимание

1. Рассмотрим объект A, температура которого составляет 65°C, и объект B, температура которого составляет 15°C. Два объекта помещаются рядом друг с другом, и маленьких сосисков начинают сталкиваться. Приведет ли любое из столкновений к передаче энергии от объекта B к объекту A? Объяснять.

2. Предположим, что Объект А и Объект Б (из предыдущей задачи) достигли теплового равновесия. Частицы двух объектов все еще сталкиваются друг с другом? Если да, то приводят ли какие-либо столкновения к передаче энергии между двумя объектами? Объяснять.

 

Следующий раздел:

Перейти к следующему уроку:

Погружные нагреватели и механизмы теплопередачи

Погружные нагреватели широко применяются в нефтегазовой, нефтехимической и обрабатывающей промышленности. Принцип их действия прост и основан на прямом нагреве жидкого тела при работе погружного нагревательного элемента, находящегося внутри жидкого тела.

Наиболее распространенная конструкция включает нагревательный элемент, непосредственно погруженный в целевую среду. Элементы передают тепло более холодной массе посредством теплопроводности. Однако, в зависимости от наличия потока жидкости или даже возникновения потока из-за изменения температуры, передача тепла также может происходить посредством конвекции.

В большинстве случаев погружной нагреватель представляет собой сопротивление с электрическим питанием, эффективность преобразования энергии которого достигает 100%. Поскольку учитывается фактическое сопротивление нагрева, контроль эффективности преобразования энергии всегда имеет небольшой гистерезис, который не следует путать с потерей эффективности. Электрическая энергия, проходящая через сопротивление, полностью преобразуется в тепловую энергию, которая сначала используется для повышения температуры крышки и остальных механических компонентов нагревателя, прежде чем ее можно будет использовать для повышения температуры самой жидкости. Современные контроллеры включают эту временную задержку в расчеты сигналов ВКЛ/ВЫКЛ или уменьшения/увеличения электрической мощности к источнику питания.

Как правило, передача тепла происходит по трем механизмам; теплопроводность, конвекция и излучение.

Проводки

Первый наблюдается, когда две твердые фазы [или неподвижные жидкости] находятся в прямом контакте друг с другом. Скорость переноса в этом случае пропорциональна текущей [динамической, в отличие от стационарного состояния] разности температур двух тел, площади контакта и коэффициенту теплопроводности «k». Таким образом, если требуется оптимизировать/модифицировать/контролировать теплопередачу, необходимо учитывать три фактора.

В погружных нагревателях площадь контакта максимально увеличена за счет включения нагревательных элементов с большой поверхностью, таких как листы, спирали, змеевики и т.п. В теплопроводности при использовании таких форм нет препятствий и можно увеличить теплоотдачу без потерь энергии, как в случае конвекции. Кондуктивные случаи просты в обращении, поскольку нагретая жидкость вокруг нагревательного элемента постепенно обеспечивает передачу тепла всему содержимому или может быть смешана в последующем сосуде [например, CSTR] для полной однородности температуры. Общий энергетический баланс достаточен для большинства случаев, если используется последующее смешивание: подводимая энергия за счет электрической мощности = масса x Cp x DT

Принимая во внимание, что m – масса жидкости, Cp – коэффициент теплоемкости, DT – полученная разность температур. Если нам нужно быть более точным для случая без последующего смешивания, нам нужно учитывать поток, вызванный разницей плотности вблизи и вдали от нагревательного элемента. Обычно в проводке это не так.

Конвекция

Второй механизм, конвекция, возникает, когда хотя бы одно из вовлеченных тел является движущейся жидкостью, как в случае с воздухом, движущимся вокруг наших домов. При конвекции теплопередача зависит от относительной скорости движения двух материалов, доступной площади контакта, разности температур и коэффициентов k, которые являются функцией обоих тел. Сложные инструменты учитывают динамическое распределение температуры и теплопередачу.

Примером проводимости могут быть два металлических листа, соприкасающихся друг с другом. Профиль температуры внутри листов может быть рассчитан линейным методом [профили температуры в интересующем измерении являются линейными]. Когда жидкость протекает мимо погружного нагревателя, происходят различные изменения:

• Скорость жидкости влияет на теплопередачу, и слишком высокая скорость может привести к меньшему поглощению тепла жидкой фазой. Это, в свою очередь, приводит к более короткому диапазону повышения температуры вдоль пути потока жидкости. С другой стороны, слишком низкие скорости могут привести к большим перепадам температур вблизи погружного нагревателя, что приведет к значительному увеличению вязкости и плотности нагретой жидкости. Скорость должна быть оптимизирована для создания профиля физических свойств на пути жидкости, оптимального для текущего процесса.
• Когда нагретая жидкость содержит твердые частицы, распределение частиц по размерам в сочетании со скоростью жидкости может привести к разжижению из-за снижения вязкости и осаждения твердых частиц.
• Более высокие изменения температуры могут в конечном итоге изменить профиль потока из-за как гравитационных, так и энергетических эффектов.
• Форма погружного нагревателя [в трех измерениях] всегда является препятствием для потока. В зависимости от области потока препятствия могут вызывать значительные изменения профиля потока. Всегда ожидается, что линии тока будут отклоняться, даже если они не будут сталкиваться и смешиваться, а профили плотности будут создаваться из-за действия препятствия.
• Могут наблюдаться и другие значительные проблемы с осадками, например, при нагреве воды для промышленных и бытовых целей. Вода несет CaCO3, который является малорастворимым, и он выпадает в осадок всякий раз, когда повышение температуры [также и при других условиях, таких как щелочной pH] уменьшает его растворимость. Погружные нагреватели имеют известные проблемы с накипью, которая практически представляет собой осаждение карбоната кальция. Подобные проблемы могут быть решены с помощью различных подходов, которые включают, но не ограничиваются:
  • Гладкие температурные профили вокруг погружных нагревателей
  • Добавление буферов pH в такие потоки
  • Добавление подкислителей в диапазоне частей на миллион

Все вышеперечисленные решения направлены на направление равновесия диссоциации карбоната кальция в сторону ионной/растворенной фазы.

Теплопередачу в конвекционном режиме для погружного нагревателя рассчитать довольно сложно. Практически мы идем по одному из следующих путей:

• Используйте диаграммы коэффициентов формы для наиболее распространенных форм, которые могут предсказать в допустимых пределах погрешности передачу тепла от нагревательного элемента к жидкой фазе. Хотя эти диаграммы оказались очень полезными для простых фигур, они не могут существенно помочь там, где используются более сложные фигуры. Например, для максимизации площади контактной поверхности нагревательного элемента потребуется змеевик или спиральная структура, через которую может протекать жидкость. Пористые теплоносители также могут быть жизнеспособным вариантом, но с риском высоких перепадов давления и, таким образом, минимизации общей эффективности процесса.
• Используйте известные корреляции и примите набор допущений. В большинстве случаев, представляющих интерес, этого подхода достаточно. Однако в потоках промышленных жидкостей, где требуются профили теплопередачи в 2D [а иногда и в 3D], эти модели могут устареть. Вдобавок к этому недостатку, пришлось бы еще компилировать код расчета предсказаний физических свойств и добавлять его в систему уравнений.
• Наиболее точным подходом является использование вычислительной гидродинамики [CFD] для конвективного потока теплопередачи. Программное обеспечение CFD позволяет:
  • простая и понятная вставка геометрии системы [такой как сосуд с погружным нагревателем и потоком жидкости]
  • установка многокомпонентных жидкостных систем, как в случае нефтехимии, полимеров, но и более простых
  • добавление различных модулей, учитывающих содержание твердых частиц, турбулентные/ламинарные области, профили давления и т. д.
  • Создание полного трехмерного профиля всех интересующих свойств, включая температуру, состав, скорость, давление и другие. Вычислительная гидродинамика, в конечном счете, является мощным средством визуального представления сложных систем дифференциальных и линейных уравнений

Computational Fluid Dynamics в настоящее время является самым популярным и точным инструментом для проектирования, контроля и устранения неполадок в системах теплопередачи. Эти пакеты решают одновременно баланс массы, баланс энергии и баланс импульса [уравнения Навье-Стокса] для любой заданной системы.

Излучение

Третий механизм передачи тепла – излучение. Излучение реже встречается в погружных нагревателях из-за температурных значений процессов. Коэффициент излучения очень низок в простых системах предварительного нагрева и нагрева [макс. 100°C]. Он низкий при средних температурах в промышленных условиях [максимум 250] и довольно высокий при более высоких температурах. Из-за зависимости теплопередачи от температуры в четвертой степени этот механизм становится доминирующим при очень высоких температурах [>700°С].

К таким применениям относятся промышленные камеры сгорания и горелки. При таких очень высоких коэффициентах излучения общей теплопередачи используются специальные материалы, жидкости и инфраструктура, чтобы максимизировать поглощение энергии излучения и минимизировать радиационные потери в окружающую среду. Первое может быть достигнуто за счет выбора жидких сред с высокой поглощающей способностью, таких как топливо с высоким содержанием углерода, в отличие, например, от природного газа.