Кривая отопления: Кривая отопления. Что это и как ее настроить? | Viessmann Россия

Содержание

Кривая отопления. Что это и как ее настроить? | Viessmann Россия

Каждый пользователь котельного оборудования хоть раз в жизни задаёт себе вопрос: «Как мне управлять системой отопления для достижения комфорта в помещении?» Существует несколько вариантов, от самых простых, до самых эффективных.

📌 Самый простой вариант достижения комфорта в помещении, это установить механический комнатный термостат, который при достижении выставленной на нём температуры разомкнёт контакт, и котёл выключится.

❗ Недостатком такого варианта будет большой гистерезис температуры помещения, т. е. разница между включением и выключением котла будет в среднем 2-3 С, и измерение температуры возможно только в одном помещении дома. И также температуру котла пользователь должен регулировать сам, вручную. Применяется как правило для домов маленькой площади, и небольшого количества комнат.

📌 Более эффективный вариант, это установка цифровых комнатных регуляторов с возможностью дневного или недельного программирования отопления, что позволит дополнительно сэкономить, и при этом измерение температуры происходит более точное, за счет встроенного датчика температуры.

❗ Недостаток, как и в первом случае это измерение температуры в одной зоне, и необходимость регулирования температуры котла.

📌 Самый эффективный и комфортный для пользователя является погодозависимый режим работы. Он позволяет максимально снизить затраты на отопление до 20-25%, а также полностью автоматизирует работу поддержания температуры помещения без участия пользователя.

В режиме погодозависимой теплогенерации температура подающей магистрали регулируется в зависимости от наружной температуры. В результате количество вырабатываемого тепла не превышает количество, необходимое для отопления помещений с настроенной температурой помещения. Наружная температура регистрируется датчиком, установленным снаружи здания, и передается на контроллер.

Для настройки системы вводится такое понятие, как «Кривая отопления». Кривые отопления представляют собой зависимость между температурой окружающей среды, температурой помещения (заданное значение) и температурой котловой воды или температуры подачи. Чем ниже наружная температура, тем выше температура котловой воды.

От температуры котловой воды или подающей магистрали, в свою очередь, зависит температура помещения.

Чтобы при любой наружной температуре было возможно обеспечить достаточное количество тепла при минимальном расходе топлива, необходимо учесть особенности здания и отопительной установки. Для этого в контроллере возможна корректировка кривой отопления.

В погодозависимых контроллерах Vitotronic 200, которые устанавливаются в настенных и напольных котлах, существует два вида настройки, это наклон и уровень кривой.

📌 Наклон кривой отопления – это изменение крутизны кривой, которая в свою очередь влияет на зависимость «температура подачи от температуры улицы». Чем ниже значение, тем ниже температура подачи, и наоборот.

Настройка наклона кривой зависит от климатических условий, в которых находится котельная (расчетная температура самой холодной пятидневки), а также от применяемой системы отопления (радиаторы или тёплые полы) и, закладываемых при подборе, температурных графиков.

Например, для радиаторного отопления, рассчитанного на 70 ⁰С, в доме который расположен в Московской области (минимальная расчетная температура для региона
-25 ⁰С
) настройка наклона будет 1,2. Для Краснодара (-19 ⁰С) бы это значение было 1,3. Для низкотемпературных контуров, таких как теплые полы, значение от 0,2 до 0,6, также зависит от расчётной температуры.

📌 Следующая настройка - уровень кривой отопления позволяет произвести подстройку температурного графика под условия работы на конкретном объекте, равномерно сдвигая ее параллельно оси наклона. Изменение уровня позволяет провести точную настройку системы, учитывая всевозможные нюансы и неточности допущенные при строительстве, что безусловно влияет на тепловые потери дома.

Настройка эта делается для каждого отопительного контура в индивидуальном порядке, в зависимости от их количества, подключенного в контроллер Vitotronic 200.

Для котлов Vitopend 100-W, Vitodens 050/100/111 существует лишь одна настройка наклона кривой, т. к. контроллер на этих котлах достаточно простой.

Полноценная настройка кривой отопления процесс не быстрый. Если настроить наклон кривой можно достаточно быстро, зная расчетные температуры подачи в отопительный контур, то на настройку уровня кривой может уйти время - дому необходимо прогреться и просушиться, а жильцы должны дать обратную связь о комфорте внутри помещений.

Всю корректировку и адаптацию системы проводит специалисты монтирующей организации, ведь только они точно знают все значения расчетных температур, пользователю остается лишь настраивать температуру помещения, которая в данном случае рассчитывается контроллером.

В совокупности с комнатными регуляторами контроллер уже будет «видеть» реальную температуру в помещениях и адаптировать настроенную отопительную кривую так, чтобы добиваться точного поддержания заданного значения температуры воздуха в помещении, а пользователю получать максимальную экономию топлива и комфорт.

Погодозависимое регулирование отопления

Погодозависимое регулирование отопления

При настройке автоматики у большинства пользователей становится вопрос, каким образом контроллер знает температуру помещения, если в помещении нет никакого датчика? Все просто, контроллер работает в погодозависимом режиме.

Представим дом с теплопотерями 10 кВт. Что это означает? Это значит, что при температуре на улице -30 С и при температуре в доме 20 С через ограждающие конструкции дома (стены, окна, пол, крыша) будет уходить 10 кВт тепла.
Легче всего это представить на рисунке:

В этой системе действует правило, чем больше разница между комнатной и уличной температурой, тем больше тепла теряет дом. Чем меньше разница, тем меньше потерь тепла. Значит тот же дом, но при температуре на улице – 5 С будет терять уже не 10 кВт, а 5 кВт.

Далее, для того чтобы в доме постоянно поддерживать температуру 20 С при температуре на улице в -30 радиаторы должны постоянно отдавать 10 кВт тепла в помещение. Соответственно, при температуре -5 радиатор должен отдавать в помещение 5 кВт тепла. При этом достигается баланс мощности.

Теперь переходим к логике работы котла. Каким образом один и тот же радиатор может отдавать 10 кВт при – 30 на улице, а при – 5 на улице – 5 кВт. Все просто, мощность радиатора зависит от температуры до которой его прогреет котел.
Например если котел будет работать с температурой 80 С — радиатор будет отдавать 10 кВт тепла, а при температуре 50 С – 5 кВт.

Таким образом достигается точка равновесия, если при – 30 на улице, котел будет нагревать радиатор до 80 С и в помещении будет поддерживаться температура 20 С. В другом случае, при температуре на улице в – 5 прогреть радиатор до 50 С в помещении также будет поддерживаться температура 20 С.
В настоящее время существует огромное количество различных видов систем отопления и в каждом случае баланс энергии может отличаться, но физика процесса не меняется в зависимости от конфигурации системы. Таким образом пользователю необходимо подобрать такие настройки автоматики чтобы при температуре на улице -30 котел грел радиаторы с такой температурой, что в доме установиться комфортная температура (допустим 20 С). Для этого существует погодозависимая кривая.

Вот так она выглядит в теории:

А вот так на практике, при настройке контроллера.

Каким образом это настроить?

Для начала вам необходимо установить комфортную температуру, в разделе отопление.
«Меню» — «Отопление» — «Заданная.темп.помещ.»

Затем необходимо установить наклон отопительной кривой. Для начала можно использовать рекомендованные настройки из инструкции. Поскольку система отопления очень инерционная, т.е. изменения не видны через несколько минут, необходимо пождать пару дней. Через несколько дней надо замерить температуру в помещении и сравнить ее с заданной. Если температура отличается, настройку кривой необходимо подкорректировать. Например заданная температура в помещении 20 С, Фактическая температура в помещении 25 С. Чтобы компенсировать перегрев помещения необходимо опустить уровень отопительной кривой на — 4 К.

Таким образом, за несколько приемов, можно настроить отопительную кривую таким образом, что температура помещения будет соответствовать заданной на контроллере. На практике температура всегда будет немного отличаться от заданной (кроме радиатора помещение может нагревать телевизор, лампы освещения, солнце, люди и т. д) Для того чтобы компенсировать эту разницу – можно использовать регулировку по комнатной температуре.


Источник статьи: http://marketing.viessmann.academy/2016/02/15/pogodozavisimoe-regulirovanie/

Логика управления котлом Vaillant | Max Journal

В прошлый раз мы разобрались с аппаратной частью погодозависимой автоматики. Прежде чем переходить к программной части надо разобраться с логикой управления котлом. Дальше будет немного математики. Простите, но так надо )

Погодозависмое управление котлом своими руками

Можно придумать разные способы формирования температуры отопительного контура, например, с помощью ПИД (пропорционально-интегрально-дифференцирующего) алгоритма. Но мы пойдем проторенной дорожкой и управлять котлом будем с помощью температурных кривых. В инструкции к регулятору отопления calorMATIC есть такая диаграмма:

Диаграмма отопительных кривых

С помощью регрессионного анализа аппроксимируем кривые:

Tn = ax2 + bx + c
a = -0,21k - 0,06
b = 6,04k + 1,98
с = -5,06k + 18,06
x = -0.

2*t1 + 5

Где, Tn – температура контура отопления в зависимости от наружной температуры, t1 – температура наружного воздуха, k – коэффициент отопительной кривой. Коэффициент подбирается индивидуально, в зависимости от утепления помещения, отапливаемой площади и т.п. В результате аппроксимации получаем такие кривые:

Аппроксимация кривых отопления в значениях 3; 2; 1,5; 1; 0,6.

На температурные кривые также влияет желаемая комнатная температура. Из инструкции к регулятору отопления мы видим, что кривые рассчитаны на температуру в помещении в 20°C:

При увеличении желаемой комнатной температуры на 1°C кривая смещается примерно на 5°C:

Tk = (Tu - 20) × 5

Где Tk - Поправка на желаемую комнатную температуру, Tu - пользовательские установки комнатной температуры.

Последним фактором, влияющим на температуру отопления, будет термостат. В инструкции, если температура в помещении ниже, чем 0,125°C от желаемой или 0,19°C выше, то происходит включение или выключение отопительного контура.

Мы же будем управлять не термостатом котла (контакты 3 и 4), а температурой отопительного контура: если температура ниже 0,25°C от желаемой мы прибавим 1,25°C к отопительной кривой и наоборот. Т.о. мы будем пытаться управлять температурой в помещении косвенно модулируя пламя горелки.

Tt = (Tu - T2) × 5

Где Tt - поправка термостата, Tu - пользовательские установки комнатной температуры, T2 - фактическая комнатная температура. Т.о. расчетная температура конура отопления T состоит из трех компонентов:

T = Tn + Tk + Tt

Где Tn – температура контура отопления в зависимости от наружной температуры, Tk – поправка на желаемую комнатную температуру, Tt – поправка термостата.

Управление котлом отопления в доме, квартире или коттедже

Просмотров: 49678

Для обеспечения комфортного проживания и экономии расходов на отопление, были разработаны различные устройства и системы для автоматического управления котлом отопления, наиболее популярные из которых и будут рассмотрены в этой статье. В качестве предисловия приведем конкретный случай, произошедший совсем недавно. Находясь в гостях в небольшом загородном доме в большой компании друзей, наш сотрудник обратил внимание на то, что в столовой, в которой все расположились, постепенно становилось слишком жарко. Открывать окна, естественно, было нежелательно из-за опасности простудить гостей. Хозяин коттеджа регулярно бегал в пристройку и производил управление котлом отопления вручную, понижая, как он выразился, "температуру воды отопления". На вопрос почему он не установит в доме термостат комнатный для котла отопления или термоголовки для радиаторов, товарищ развёл руками и сообщил, что он понятия не имеет об этих устройствах и зачем они нужны. Но и это еще не всё. Среди ночи хозяина пришлось будить и просить его "добавить жару": гости просто мерзли из-за того, что ночная температура опустилась ниже -20 градусов, а котел был приглушен и не выдавал необходимую для этих условий мощность. Вся эта "суета" вокруг котла и послужила поводом для написания этой статьи. В ней будет описана только автоматика управления котлом, о комнатных термостатахтермоголовках для радиаторов  и  автоматике для системы отопления и тёплого пола Вы можете узнать, пройдя по соответствующим ссылкам.

Не понимаете как это работает? Боитесь ошибиться в выборе оборудования?

Да это от Вас и не требуется. Мы прекрасно понимаем как тяжело разобраться неподготовленному человеку в современной технике, ее возможностях и в тонкостях настройки. Звоните +7 (495) 727-85-30 или обращайтесь через форму Обратная связь и наши специалисты проконсультируют Вас совершенно бесплатно!
Заказывайте у нас установку, монтаж и наладку системы управления отоплением и получите скидку на само оборудование!

Для начала в общих чертах выясним что даёт электронное управление котлами?
Автоматическое управление котлом отопления предоставляет широкие возможности, такие как:

  • Управление температурой в помещении непосредственно через пульт управления котлом, т. е. непосредственно с панели терморегулятора. При этом Пользователю нет необходимости постоянно подходить к теплогенератору, т.к. пульт управления можно смонтировать в удобном и доступном месте.
  • Поддержание комфортных температурных условий, не зависящих от внешних тепловых факторов (падение наружной температуры, нагрев дома солнцем, присутствие большого количества людей). В помещении будет автоматически поддерживаться температура, заданная пользователем
  • Экономию энергоресурсов, топлива и увеличение срока службы работы отопительных приборов за счет уменьшения времени работы теплогенератора
  • Возможность автоматизации системы отопления и объединения ее в единую систему (контроллеры и умный дом)
  • Контроль работы отопительного оборудования удаленно, возможность дистанционно управлять различными ее элементами, оперативное реагирование на внештатные ситуации (поломка, отключение света и т.д.)

Все вышеперечисленные преимущества однозначно дают ответ "да" на вопрос – нужна ли система управления котлом?
Далее на примерах, от простых к более сложным, разберемся с различными системами управления отопительными котлами.

Регулировка температуры отопления на панели котла

Это самый простой и наименее эффективный способ регулирования. Как обычно действует человек, эксплуатирующий котел без дополнительной автоматики, если в помещении становится жарко или холодно, или, например, необходимо уехать из дома и снизить температуру в комнатах для экономии расходов на топливо? Для этого пользователь подходит к котлу и начинает регулировать на его панели (рисунок панели котла) "температуру отопления", хотя многие и не догадываются, что таким образом они управляют степенью нагрева теплоносителя в системе, а не точной температурой воздуха в помещении.
Например, для отопления однокомнатной квартиры установлен стандартный газовый котел 24 кВт и несколько радиаторов. Чтобы нагреть теплоноситель в системе до заданной температуры котлу понадобится несколько минут после чего он отключится. Затем вода в радиаторах быстро охлаждается, заставляет, соответственно, часто включаться и выключаться котел. Такой режим работы увеличивает расход газа и негативно сказывается на ресурсе котла.

Еще несколько минусов такой регулировки:
- Приходится постоянно подходить к котлу, который может находиться в удалённом месте: в пристройке, подвале, отдельном помещении. Иногда корректировку приходится проводить ночью, что, согласитесь, совсем уж неприятно.
- Так как пользователь устанавливает только температуру теплоносителя, то любое тепловое воздействие на помещение изменяет его тепловую комфортность. Например: то вдруг выглянувшее солнце начинает дополнительно "подогревать" помещение, то понижение уличной температуры начинает его охлаждать, то наличие гостей повышает температуру и т.п.
- Котел греет теплоноситель до заданных температурных значений не смотря на то, что в отапливаемых помещениях комфортная температура уже достигнута, расходуя лишнюю электроэнергию и топливо и, естественно, уменьшая свой ресурс.
Как решить эти проблемы? Да очень просто, нужно просто купить и смонтировать комнатный термостат.

Управление котлом с помощью комнатного термостата

В статье мы не будем подробно описывать принципы регулирования и виды комнатных терморегуляторов, а отметим лишь наиболее важные моменты.

Купить комнатный терморегулятор

При установке и подключении к котлу комнатного термостата режим работы системы отопления будет зависеть от температуры воздуха в помещении где он установлен.
Терморегулятор для котла отопления - это пульт управления котлом, на котором пользователь выставляет необходимую ему температуру воздуха в помещении (именно температуру воздуха, а не теплоносителя). Если температура воздуха становится выше заданной - термостат отключает котел, если ниже – включает его. Так как помещение остывает гораздо дольше, чем теплоноситель, то частота включения котла уменьшается, а значит его ресурс увеличивается. Соответственно уменьшается и расход топлива.

Преимущества использования терморегулятора для котла отопления:

  • Экономия топлива (газ, дизель) от 15% до 30%. Разброс цифр связан с различными внешними условиями, такими как: степени утепленности дома, наружной температуры воздуха в отопительный период, количества дней нахождения в доме его жильцов и т.п.
  • Управление электрическим котлом при помощи термостата позволяет существенно сократить затраты на отопление дома, так как электричество самый дорогой вид "топлива".
  • Уменьшается время работы циркуляционного насоса, что позволяет экономить и на потребляемой им электроэнергии.
  • Температурный комфорт в помещении.
  • Возможность настройки недельных циклов у программируемых терморегуляторов.
  • Возможность управления котлом через интернет или GSM, оповещение о сбоях в работе системы отопления.

 

Терморегуляторы для удаленного управления котлом отопления

Управлять теплогенератором можно и не находясь рядом с ним. Для этого используются термостаты, управляемые через сеть интернет или GSM-мобильную связь.
Wi-Fi термостат, управляемый только через сеть интернет, требует, естественно, наличия Wi-Fi сети в доме.
Ниже на фото представлены некоторые модели популярных термостатов для дистанционного управления котлом отопления

Беспроводной интернет термостат Salus iT500

 

Купить Wi-Fi термостат ZONT-h3

 

Терморегулятор, управляемый через GSM-связь, применяется для управления котлом отопления при отсутствии в загородном доме сети Wi-Fi или вообще при отсутствии в нем интернета. Для его работы необходима SIM-карта любого оператора (Мегафон, Билайн и т.д) и GSM телефон, желательно с оплаченным доступом к мобильному интернету. Нет мобильного интернета? Не беда, GSM термостат может также управляться посредством отправки на номер СИМ-карты, установленной в нем, специальных CМС-сообщений с заранее установленных доверенных телефонных номеров или с других номеров, но с дополнительным указанием пароля. Есть и еще одна возможность управления котлом при помощи GSM термостата - управление с телефона при дозвоне на голосовое меню sim-карты терморегулятора.

GSM термостаты: подробная информация, стоимость и установка

При установке термостата для управления котлом отопления пользователь должен внимательно подойти к вопросу о месте его установки. Пульт управления газовым котлом (или любым другим) должен устанавливаться в удобном для эксплуатации месте (желательно в труднодоступном для детей), где на него не будут оказывать влияния другие тепловые приборы или, например, прямые солнечные лучи (инсоляция).

Хотите купить удаленное управление для котла?

Специалисты компании "Термогород" Москва проконсультируют, помогут выбрать и установить термостат для котла отопления по Вашему запросу! В номенклатурной линейке представлены все виду терморегуляторов, включая термостаты, управляемые через интернет и GSM-связь! Звоните +7 (495) 727-85-30 или обращайтесь через форму Обратная связь и наши специалисты проконсультируют Вас совершенно бесплатно!

Управление котлом в системе Умный Дом

Системы «умный дом» с возможностью управления котлом и системой отопления в целом являются вершиной инженерной мысли в плане автоматизации работы теплового оборудования. Так как для описания работы хотя бы одной из них потребуется отдельная статья, здесь проясним пользователям только преимущества эксплуатации такой системы и разберем одну из них.

Системы «умный дом» позволяют:

  • Управлять работой системы отопления в каждой комнате, а иногда и ее частью. Другими словами позволяют обеспечить многозональное управление отоплением, мало того, еще и с объединением потребителей тепла в отдельные группы с независимым режимом управления.
  • Обеспечить максимальную комфортность (можно корректировать работу даже отдельного радиатора).
  • Удаленно управлять температурой воздуха и теплых полов в отдельно взятом помещении с единого пульта, телефона или компьютера.
  • Максимально сэкономить и рационально распределять тепловые ресурсы.
  • Интегрировать отопительную систему с системами кондиционирования, увлажнения и вентиляции.
  • Иметь возможность дополнительно управлять освещением, сигнализацией, открытием дверей и ворот, портьерами и т. п.
  • Избежать прокладки управляющих кабелей через весь дом, а также уменьшить стоимость монтажа, благодаря максимальному использованию беспроводных датчиков.
  • Не портить вид жилища - дизайнерские и цветовые решения элементов системы элегантно вписываются в обстановку помещений.

Компания Термогород Москва одна из первых представила на рынке многозональную систему управления «умный дом» Salus IT600 Smart Home

Купить систему управления отоплением Salus IT600 Система управления отоплением Salus iT600

Возможности данной системы могут решать широчайший спектр задач:

  • Управление температурой отопления и теплых полов в каждом помещении (до 50 термостатов).
  • Возможность для подключения любых электрических приборов (свет, рольставни, кухонные приборы, ворота, конвекторы, телевизоры и т.д.)
  • Удаленное управление отоплением, теплыми полами и электрическими приборами (до 100 штук) при помощи телефона или компьютера.
  • Интеграция в систему датчиков открытия окон и дверей
  • Беспроводное расположение термостатов и пунктов управления
  • Широкая номенклатурная линейка электронных беспроводных терморегуляторов обеспечит точное измерение температуры и удобство их использования.

Подробнее о системе и ее возможностях в статье:

Умный дом. Система управления отoплением Salus iT600

Управление котлом с функцией OpenTherm

Отличительной особенностью данных термостатов является возможность подключения к котлам, поддерживающих протокол обмена данными OpenTherm. OpenTherm представляет собой современную технологию управления с простой процедурой установки и высокой функциональностью, которая состоит из протокола обмена данными и специальных технических нормативов. Opentherm устройства могут быть идентифицированы по специальному логотипу ОпенТерм (рис. справа). Присутствие логотипа гарантирует минимальный уровень взаимодействия между отопительным котлом и комнатным термостатом, степень взаимодействия зависит от конкретной модели и версии протокола. Термостаты с функцией OpenTherm совместимы только с моделями котлов, поддерживающими этот протокол, поэтому пользователь обязательно должен уточнять данную информацию при покупке или в паспорте котла.

Как работают терморегуляторы OpenTherm?
Обычные терморегуляторы работают в релейном режиме, то есть просто включает или выключает котел. При включении горелка котла начинает работать на полной мощности, что приводит к определенному перерасходу тепла, так как для нагрева воздуха в помещении возможно такое его количество и не нужно. При выключении котла из-за инерции системы отопления трубы и радиаторы продолжают отдавать лишнее тепло, из-за чего температура в помещении на некоторое время станет выше заданной на термостате, хотя котел уже выключен. В обоих случаях происходит перерасход тепловой энергии, что уменьшает экономию от использования автоматики управления котлом.

Управление котлом без функции OpenTherm

При работе котла с интерфейсом OpenTherm терморегулятор не включает или выключает котел, а постоянно модулирует (изменяет) мощность горения горелки в зависимости от потребности в тепле. Термостат измеряет окружающую температуру воздуха и в случае ее снижения увеличивает мощность горения, а в случае увеличения - снижает. При этом котел отдает столько тепла, сколько необходимо в данный момент системе, что дает дополнительную экономию и комфорт пользователю.

Управление котлом с функцией OpenTherm

Термостат в зоне гистерезиса постоянно вычисляет, насколько фактическая температура отклонилась от заданной, и чем больше эта разница, тем большую мощность горелки он командует развить котлу. При выходе за пределы гистерезиса он полностью выключает или включает горелку, а в пределах его он будет плавно управлять мощностью горелки. То есть процесс чередования периодов недогрева и перегрева будет "затухающим", все время автоматически стремясь к равновесному состоянию, когда котел в любой момент времени отдает в систему отопления ровно столько тепла, сколько требуется для компенсации текущих теплопотерь помещения. Таким образом температура помещения остается на постоянном заданном уровне. Для котла в частности и для КПД отопительной установки в целом это значительно лучше, ведь непрерывно работать на пониженной мощности намного выгодней. В результате по сравнению с котлами без интерфейса OpenTherm за отопительный сезон можно сэкономить до 30% топлива!

Для справки:
Гистерезис (зона нечувствительности) - диапазон, откладываемый в большую и меньшую стороны от заданного значения температуры, в котором термостат никак не реагирует на изменение фактической температуры. Например: температура воздуха в помещении задана в 20°С. При гистерезисе ±1 °С это означает, что термостат будет управлять котлом отопления только тогда, когда измеренная им температура упадет ниже 19°С или же поднимется выше 21°С. Если же измеренное значение температуры будет находиться в диапазоне 19°С - 21°С, то термостат не будет на это реагировать и, соответственно, не будет отдавать команды котлу.

Погодозависимое управление отоплением

Насчет применения погодозависимой автоматики для котлов отопления в интернете разыгрались нешуточные баталии. Одни "эксперты" однозначно "За" ее использование, другие не менее категорично "Против". Где же истина? А как всегда посередине. Вспомните накал обсуждений по поводу: нужен ли пульт управления телевизором. Горячие головы и тогда доказывали, что это деньги, выброшенные на ветер... Интересно послушать их мнение сейчас 🙂 Так и с погодозависимой автоматикой. Можно ли обойтись без нее? Конечно можно. Можно ли не тратить на нее деньги? Естественно. Но ведь это удобно, когда температура в помещении перестает зависеть от перепадов температуры снаружи, не правда ли? А дополнительная экономия расходов на топливо разве не так уж важна? По крайней мере ни один из наших клиентов не отказался от использования этих технических решений.

Применение погодозависимой автоматики, с нашей точки зрения, не вполне оправдано лишь в случаях отлично утепленных домов (они в этом случае являются хорошими аккумуляторами тепла) или, если система отопления построена на теплых полах (из-за их высокой тепловой инерционности). Например, вечером уличная температура значительно снижается и, соответственно, заранее начинается повышение температуры теплоносителя в соответствии с настройками автоматики. Но хорошо утепленное здание и само по себе очень медленно остывает – в результате к утру в доме может стать несколько жарковато. В системах отопления "теплый пол" автоматика будет ошибаться еще больше.
Погодозависимая автоматика для котла отопления нужна тем, кто не хочет вникать в принципы регулирования своей котельной и заморачиваться подстройкой работы отопительной системы в связи с изменениями уличной температуры, а просто удобно пользоваться современными техническими решениями. Еще вариант – это большие по площади отопления жилые строения, или, например, производственные цеха и т.д. В этих случаях даже малейшая экономия сбережет большие деньги на оплату отопления.
Вот еще примеры: если на улице температура  +5 градусов, то зачем, спрашивается, греть теплоноситель до +70 градусов? Чтобы поддерживать в помещении 20 градусов тепла? Правильно, в этом нет никакой необходимости, и автоматика это понимает. Возможно, что достаточно нагреть теплоноситель всего до 40 градусов и обеспечить температуру в помещении плюс 20 градусов. Вот вам и экономия топлива. Все просто и логично.

Сейчас все больше современных котлов отопления могут работать в погодозависимом режиме. Для этого пользователю необходимо убедиться, что его котел поддерживает данную функциональную возможность (уточнить у продавца или в паспорте котла). Если поддерживает, то Вам повезло, и придется лишь дополнительно купить и установить датчик уличной температуры, а если нет - то необходимо приобрести погодозависимый контроллер управления котлом (см. ниже), ну и уличный датчик температуры, естественно, тоже. В обоих случаях крайне желательно наличие в доме комнатного термостата.
Погодозависимое управление котлом позволяет повысить температурную комфортность в помещении за счет того, что учитывается изменение уличной температуры и заранее подогревается (или нет) теплоноситель до той температуры, которая нагреет воздух в помещении до значения, выставленного на терморегуляторе. Если бы уличный датчик отсутствовал, то котел ориентировался бы в своей работе только на данные комнатного терморегулятора и ему требовалось бы дополнительное время для нагрева теплоносителя, что приводило бы к определенному проседанию теплового комфорта в помещении из-за инерции системы отопления. Так как котел только подогревает систему отопления до заданного значения, а не «разгоняет» ее в момент включения его термостатом, то дополнительная экономия составляет 10-15% даже с учетом уже установленного в доме комнатного терморегулятора.

Вообще работа отопительной системы зависит от многих факторов, и, в частности, от качества теплоизоляции конкретного здания. К системе применяются общие теплофизические законы, позволяющие рассчитать зависимость между уличной температурой и температурой теплоносителя. Но есть один неизвестный параметр, зависящий от конкретного помещения. Его выбирают экспериментально так, чтобы при определенной уличной температуре получилась ожидаемая температура теплоносителя. Раз есть неизвестный параметр, то и описать эту зависимость можно не одним графиком а целым семейством кривых. Основа алгоритма погодозависимой автоматики - это использование определенных заранее вычисленных кривых, которые связывают температуру вне дома и температуру теплоносителя. Выбор делается эмпирически, другими словами просто подбирается экспериментально. Так как дом - это объект с  большой тепловой инерцией, то и результат выбора может быть ясен примерно через сутки. Если выясняется, что дом недогрет, то выбирается более крутая кривая отопления и наоборот.

Например, рассмотрим ситуацию, когда пользователем выбран режим в помещении +21˚С при -15˚С "на улице" (вообще-то, рабочие параметры системы должны соответствовать расчётному самому холодному дню года). При таких условиях настройка котла, к примеру, будет выполняться так, чтобы температура теплоносителя в системе была на уровне +60˚С, а значит, необходимо выбрать такой график, в котором кривая будет проходить при указанных условиях через точку А (кривая 1. 0).
Возможна ситуация, когда настройка системы отопления будет такой, что при тех же -15˚С на улице понадобится температура теплоносителя на уровне +75˚С (например, дом плохо утеплён или в помещениях смонтировано недостаточное количество радиаторов). В этом случае кривая будет иметь более "крутой" характер, проходя через точку B (кривая 1.5). Ещё одной фиксированной точкой для всех кривых является температура в помещении +20˚С при +20˚С на улице. Принято считать, что при таких параметрах в отоплении помещения уже нет необходимости. Во все остальные дни погодозависимая автоматика будет выставлять температуру теплоносителя в соответствии с текущими потребностями по выбранной кривой.

Если же использовать только комнатный температурный датчик, то повысится инерционность системы терморегулирования, а точность регулировки снизится. Он просто не сможет "увидеть" изменение уличной температуры и температура в помещении будет изменяться с запозданием, поскольку автоматика начнет действовать лишь тогда, когда температура в доме, например, понизится, а это произойдет гораздо позже реального похолодания на улице. Погодозависимая автоматика в этом отношении намного более гибка и не потребует от пользователей постоянного внимания к себе. Наличие сразу двух датчиков, и комнатного и уличного, позволяет более точно отслеживать и оперативно корректировать температуру в помещениях.

На практике алгоритм ПЗА работает еще сложнее, так как одной зависимости температуры теплоносителя от уличной температуры бывает недостаточно. Например, помещение может нагреться солнцем (инсоляция) или, наоборот, охладиться из-за открытого окна. Наличие большого количества людей также повысит температуру в нем. Поэтому на практике выбирается такая кривая ПЗА, чтобы ее точно хватило на нагрев помещения, то есть с запасом. Далее, когда температура воздуха в доме становится близкой к заданной, то вступает в работу обычный алгоритм поддержания комнатной температуры. При этом вычисленная по кривой температура теплоносителя становится максимальным значением (верхним порогом). Работа по поддержанию комнатной температуры сводится к включению и выключению котла, но с учетом, что максимальная температура теплоносителя не превышает вычисленную по данным ПЗА.

Настройка параметров погодозависимой автоматики (температурный график или кривая) проводится монтажником на панели котла или контроллера, а уличный датчик устанавливается снаружи дома или коттеджа в местах, не подверженных попаданию солнечных лучей (инсоляция) и воздействию других тепловых приборов. Часто производители котельного оборудования предлагают для организации погодозависимой автоматики на свои котлы датчики собственного производства.

 

Контроллер управления котлом

Следующим этапом развития автоматики управления котлом является контроллер управления. Это своего рода компьютер - электронный блок управления котлом, системой отопления, горячего водоснабжения и теплыми полами (возможности контроллера зависят от конкретной модели). Так как функционал каждой модели и способы управления различны, в этой статье мы лишь кратко презентуем и опишем преимущества некоторых из них.
Как быть в случае, если в доме сложные системы отопления со многими контурами, если от одного котла ( а скорее всего от каскадной котельной) снабжаются теплом несколько объектов: сам дом, гараж, сауна с бассейном? Вручную управлять всем этим хозяйством невозможно и просто необходимо ставить полностью автоматическую систему управления отоплением. Ну или, как вариант, оплачивать работу штатного специалиста и не вникать во все тонкости работы отопления.

В отличии от работы термостатов котлов контроллеры позволяют регулировать температуру не только в одном (или в лучшем случае нескольких) помещениях, а и во всем доме. Достигается это за счет регулирования работы циркуляционных насосов и трехходовых кранов отопительных контуров (например, контур 1-го и 2-го этажа), управления насосом котлового контура (его еще называют сетевым насосом), включением/выключением котла и запуском работы насоса загрузки бойлера. В комплектацию контроллера обычно входит: система управления котлом и отоплением (блок контроллера), температурные датчики, управляющие кабели и крепления. Комнатные термостаты и уличные датчики в некоторых случаях докупаются отдельно. На пульте управления котлом пользователь может задать температуру теплоносителя, время включения, температуру горячей воды, выбрать график погодозависимого режима, настроить работу нескольких котлов в каскаде, уровень нагрева теплых полов и т. д. На выносных комнатных регуляторах устанавливается температура в помещениях каждого контура отдельно.

Пример: Пользователь на термостате выставляет температуру в спальне второго этажа дома (контроллер будет ориентироваться на эти данные при регулировании температуры всего контура второго этажа, включая и другие помещения), на втором терморегуляторе устанавливает температуру в столовой 1-го этажа (контроллер учитывает эти данные для отопительного контура первого этажа), далее выставляет температуру горячей воды в бойлере. В результате этих действий, контроллер, на основании данных от терморегуляторов, датчиков температуры теплоносителя и уличной температуры начинает при помощи трехходовых кранов производить подмес обратки в одно или другое направление потока теплоносителя (об этом подробнее в статье управление системой отопления), включает/отключает циркуляционные насосы (1-го или 2-го этажа), начинает нагрев воды в бойлере путем включения насоса загрузки бойлера.

С учетом вышесказанного, можно выделить преимущества использования контроллеров:

  • Автоматическое управление температурой различных контуров (отопления комнат и этажей)
  • Поддержание тепловой комфортности в разнотемпературных контурах (радиаторное отопление, теплый пол)
  • Возможность поддержания температуры горячего водоснабжения (в бойлере, а также в распределительном коллекторе горячей воды или полотенцесушителе)
  • Увязка всех элементов системы отопления в единый управленческий центр
  • Экономия на топливе и электроэнергии за счет сбалансированного температурного распределения теплоносителя и работы элементов системы.
  • Возможность управления каскадом котлов.

Экономия расходов на отопление до 20%

Если Вы не знаете, какой программатор Вам необходим - это не проблема! Поставьте задачу, опишите Вашу систему отопления – и наши специалисты помогут подобрать, а также смонтировать погодозависимую автоматику или контроллеры управления отоплением.

 

 

Одним из набирающих популярность на российском рынке является погодозависимый контроллер Salus WT100

Кратко о его возможностях WT100:

  • Управляет одним отопительным контуром (или контуром теплого пола).
  • Управляет работой котла и сетевого насоса.
  • Работает в погодозависимом режиме.
  • Поддерживает постоянную температуру горячего водоснабжения.
  • Защита температуры на обратке.
  • Оснащен программируемым таймером.
  • Идеально подходит для автоматизации и контроля работы отопления или системы теплых полов небольшого дома.

Купить погодозависимый контроллер Salus WT100

Примеры и фотографии выполненных работ

Специалисты компании «Термогород» Москва не понаслышке знакомы с системами управления котлами. Большой опыт работы, поиск инновационных продуктов, тщательный отбор технических предложений, прохождение обучающих семинаров производителей и ответственный подход в работе с нашими клиентами – позволили нашей компании собрать уникальный портфель предложений практически для любого клиента! Если Вы хотите купить управление для котла, то Вы находитесь на сайте компании, которая Вам действительно поможет это сделать.

Далее представлены фотографии и примеры выполненных нами работ:

Итак, подвелем итоги. Покупая и эксплуатируя котельное оборудование, пользователь должен знать, что технологии 21 века могут существенно облегчить ему жизнь, привнести в нее комфорт и сэкономить немалые деньги на, казалось бы, такой простой вещи, как управление котлом отопления. Сегмент автоматизации отопления не стоит на месте и радует нас все новыми и новыми инновационными и технологическими решениями.
Читайте, ищите, узнавайте, пишите нам и спрашивайте –  любопытство и пытливость в итоге вернутся комфортом и звонкой монетой 🙂

Удачных Вам покупок!

Погодозависимое регулирование мощности системы отопления

Нет плохой погоды

В недавнем прошлом вопрос тепла в доме решался незатейливо. Замёрз — подкинул дровишек, стало жарко — форточку открыл. По мере роста возможностей отопительного оборудования увеличился и уровень запросов владельцев.

Погодозависимое регулирование позволяет подстраивать параметры системы отопления к реальным погодным условиям. Контроллеры отопления помогают держать комфортный температурный режим в полностью автоматическом режиме.

 

Практически все современные котлы уже в базовой комплектации имеют стандартную автоматику, которая управляет горелкой, принимает сигналы от устройств безопасности котла, а также поддерживает заданную температуру теплоносителя.

Для этого используется встроенный непосредственно в котёл термостат с датчиком в подающей или обратной магистрали. Управление температурой теплоносителя производится путём включения/отключения котла в зависимости от величины отклонения текущей температуры от заданной.

Необходимо заметить, что таким образом происходит регулирование именно степени нагрева котла, а не температуры воздуха в доме. Поэтому не избавляет владельца от необходимости постоянно подстраивать работу котла в зависимости от потребности в тепле. При падении уличной температуры воду в системе необходимо будет нагреть сильнее, а когда потеплеет — понизить.

Следующий шаг к усовершенствованию системы — установка программируемого термостата, который позволяет управлять нагревом не только в заданных пределах, но и в зависимости от времени суток и дня недели.

Обеспечиваемый таким регулированием уровень комфорта весьма условен, ведь температура теплоносителя очень грубо зависит от реальных условий за окном. Дом сам по себе обладает огромной тепловой инерцией и изменения в тепловом фоне будут происходить с запозданием, поскольку автоматика начнёт действовать лишь тогда, когда температура в доме, например, понизится, а это произойдет уже немного позже реального похолодания на улице.

Микропроцессорные панели управления позволяют поддерживать разную температуру теплоносителя сразу в нескольких нагревательных контурах.

Под таким контуром понимается часть системы, работающая со своими температурными и гидравлическими характеристиками и имеющая возможность их регулировки. Например, когда котёл обеспечивает теплом не только радиаторную систему, но и низкотемпературную, водяной тёплый пол.

А если в доме несколько комнат и в каждой нужна разная температура воздуха, причём их окна выходят на разные стороны света?

Всё это означает, что регулировать температуру надо в каждой комнате отдельно, причём очень хорошим (и правильно установленным) терморегулятором. Только так можно учесть, светит или нет в окна этой комнаты солнце, обдувает ли её стену ветер и так далее. Если дом большой, могут быть комнаты и похолоднее (редко или вовсе не используемые в данный момент), и потеплее (постоянного нахождения людей).

 

Автоматизация отопительного газового котла

Применение комнатных терморегуляторов не снимает проблему полностью. Например, комнатный блок подал команду на отключение котла, в то время как за окном резко похолодало и следовало бы, учитывая большую инерционность системы отопления, включить котёл на полную мощность.

Для учёта подобных внешних факторов используется так называемая «погодозависимая автоматика», задача которой заключается в первую очередь в том, чтобы обеспечить максимальный комфорт в доме.

Подобное автоматическое регулирование происходит путём подстройки текущих параметров (мощности, температуры теплоносителя) отопительной системы или её отдельных контуров к реальным погодным условиям, которые сложились в данный момент.

Как правило, в качестве управляющих воздействий используется как внешняя (уличная) температура, так и температура воздуха в помещении. Основные преимущества такого решения — повышение комфортности отопления, более эффективное использование мощности котла и экономия топлива.

В современных контроллерах отопления всё это предусмотрено в качестве штатной функции или за счёт использования дополнительных модулей расширения. Последние способны воспринимать массу ответных сигналов от всевозможных датчиков и выстраивать параметры всех компонентов системы отопления исходя из предварительно заложенного в их память алгоритма, называемого кривой отопления.

Достаточно один раз настроить систему, а дальше только запустил котел и до выключения к нему можно не подходить, всё будет делать автоматика.

Крутизна наклона кривой и её смещение вдоль оси ординат определяются параметрами системы отопления (соотношением мощностей котла и радиаторов отопления, тепловым сопротивлением стен здания, наличием дополнительных внешних источников тепла). Они, как правило, находятся экспериментальным путём, посредством многочисленных наблюдений и анализа накопленного опыта.

Чем точнее будет задана кривая отопления, тем выше окажется эффективность работы системы и экономия энергии. В ряде погодозависимых контроллеров ещё и предусмотрена возможность автоматической подстройки параметров кривой отопления, если режим обогрева длительное время остаётся постоянным.

Датчик на улице позволяет спрогнозировать расход тепла в ближайшем будущем и компенсировать тепловую инерцию постройки.

В том случае, когда здание утеплено недостаточно, для компенсации тепловых потерь потребуется несколько большая температура теплоносителя в отопительном контуре. Соответственно, и наклон кривой будет более крутым. И наоборот, если с теплоизоляцией дома всё в порядке, необходимо выстраивать работу системы по более пологой кривой отопления.

При изготовлении контроллера в память прибора сразу вносят множество подобных кривых, что позволяет выбрать наиболее подходящий для условий конкретного объекта режим работы.

Как правило, для создания максимального уровня теплового комфорта, а также для экономии топлива одного-единственного уличного датчика бывает недостаточно. Поэтому часто монтируют дополнительный датчик внутри обогреваемого помещения. Наличие одновременно и комнатного, и уличного датчиков позволяет более точно отслеживать и оперативно корректировать максимально комфортный температурный фон в доме.

 

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ:
 

 

Современные контроллеры отопления не только следят за погодой, но и обладают достаточно большим количеством пользовательских и сервисных функций. Если первые стоят на страже комфорта, то вторые следят за состоянием системы и обеспечивают правильную и безопасную работу оборудования.

Выбор дополнительного регулирующего оборудования для отопительного котла, а тем более его правильная настройка, задача действительно непростая.

Например, в доме размером порядка 100 м2 с одним высокотемпературным контуром отопления куда проще окажется установить термостат на каждый радиатор.

Однако при увеличении площади дома или же количества контуров отопления, требующих персонального регулирования, установка интеллектуальных систем управления очень даже оправдана. С точки зрения как удобства пользования, так и экономии топлива.

 

Принцип погодозависимого управления | OOO "Клим-Эко"

Давайте рассмотрим как происходит регулирование комнатной температуры в зависимости от изменений температурных условий на улице. При программировании контролера управления отоплением, устанавливается температурная кривая. Она отражает зависимость температуры теплоносителя, находящегося в контуре системы отопления от температуры на улице. Так при +20°С на улице температура теплоносителя тоже равна +20°С (это первая точка кривой). Это значит что при таких условиях в отоплении нет необходимости. Соответственно, когда температура теплоносителя +70°С (вторая точка кривой), то даже в самую холодную погоду в помещении будет держатся заданная температура +23°С. Температурная кривая позволяет выставить номинальный режим работы автономной отопительной системы в зависимости от утепления здания. При производстве контроллера в память прибора задается много вариантов температурных кривых. Это позволяет выбрать подходящий вариант, который будет соответствовать для условий вашего здания.

Для максимальной экономии энергоресурсов и обеспечения теплового комфорта устанавливается два датчика температуры. Один с которых устанавливают внутри помещения, а другой на улице. Это позволяет точно и эффективно отслеживать, а также регулировать температуру в доме.

Датчик для контроля температуры в помещении устанавливается в комнате, температура в которой будет соответствует вашему восприятию теплового комфорта. В этой комнате не должно быть сквозняка и на неё не должны воздействовать прямые солнечные лучи. Когда система автоматического управления снимает данные с датчиков, она в соответствии с температурной кривой рассчитывает необходимое количество тепла. Также рядом с датчиком в удобном месте можно установить термостат, с помощью которого можно задавать необходимую температуру в помещении.

Могут возникать проблемы с комнатным датчиком, если в комнате где он установлен открыть на долго окно для проветривания или затопить камин. Это приведет к изменению общей температуры во всем здании. Чтобы такого не произошло в системе управления устанавливается коэффициент влияния комнатного датчика на характер кривой. Но в общем не рекомендуется устанавливать датчик в тех комнатах, где на него будут влиять посторонние факторы.

Если установить только комнатный датчик, не устанавливая наружный то существенно увеличится инерционность системы регулирования температуры. Изменения температуры будут происходить с запозданием по той причине, что система автоматики сработает лишь тогда, когда температура в помещении понизится, а это происходит значительно позже похолодания на улице.

В современных системах автоматического управления предусмотрено большое количество функций, которые позволяют не только регулировать параметры температуры, а также обеспечивают правильную, бесперебойную и безопасную работу системы отопления.

Отопительная терминология в понятном объяснении

Термозащита (ThermProtect)

Солнечный коллектор всегда генерирует тепло, даже если это тепло не требуется, так как солнечный свет падает на поглотитель. Это процесс может иметь место, например, в летнее время, когда жильцы находятся в отпуске. Если потери тепла через ГВС или через буферную емкость греющего контура больше невозможны, в случае их максимального нагрева, циркуляционный насос выключается и солнечные системы застаиваются.

Дальнейший нагрев за счет солнечного света приводит к повышению температуры коллектора до испарения теплоносителя и к высокой тепловой нагрузке на все конструктивные элементы, такие как уплотнения, насосы, клапаны и теплоноситель. В системах с ThermProtect при достижении температуры отключения надежно предотвращается парообразование.

Плоский солнечный коллектор с коммутационным поглощающим слоем

Была разработана и запатентована плоская пластина коллектора, которая предотвращает дальнейшее потребление энергии при достижении определенной температуры. Покрытие абсорбера Vitosol 200-FM основано на принципе "переключения слоев". Оно изменяется при изменении температуры коллектора, что приводит к изменению кристаллической структуры абсорбера и, следовательно, меняет производительность самого коллектора. Это приводит к постепенному уменьшению температуры торможения. При превышении температуры абсорбера более 75°С происходит изменение кристаллической структуры, что приводит к кратному увеличению количества отводимого тепла излучением. Это приводит к уменьшению производительность коллектора с ростом его температуры, температура торможения становится значительно ниже и образование паров не происходит.

Если температура коллектора снижается, кристаллическая структура возвращается в исходное состояние. При этом более 95% поступающей солнечной энергии поглощается и преобразуется в тепло, только часть энергии (менее 5%) излучается. Таким образом, выход нового коллектора выше, чем у обычных плоских коллекторов, так как он не переходит в застой и в любое время может обеспечить повторную выработку тепловой энергии. Изменение кристаллической структуры обратимо неограниченное количество раз и функционирование коллектора доступно на постоянной основе.

Кривая нагрева воды

| Введение в химию

Цель обучения
  • Обсудите кривую нагрева воды.

Ключевые моменты
    • Кривая нагрева графически представляет фазовые переходы, которым подвергается вещество при добавлении к нему тепла.
    • Плато на кривой отмечают фазовые изменения. Температура остается постоянной во время этих фазовых переходов.
    • Вода имеет высокую температуру кипения из-за сильных водородных связей между молекулами воды; он одновременно является донором и акцептором сильной водородной связи.
    • Первое изменение фазы - таяние, во время которого температура не меняется, а вода тает. Второе изменение фазы - кипение, так как при переходе в газ температура не меняется.

Условия
  • водородная связь Сильная межмолекулярная связь , в которой атом водорода в одной молекуле притягивается к сильно электроотрицательному атому (обычно азоту или кислороду) в другой молекуле.
  • удельная теплоемкость Количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 г вещества на 1 градус Цельсия.

Как и многие вещества, вода может существовать в различных фазах вещества: жидкой, твердой и газовой. Кривая нагрева показывает, как изменяется температура, когда вещество нагревается с постоянной скоростью.

Построение кривой нагрева

Температура откладывается по оси ординат, а по оси абсцисс отложено добавленное тепло. Предполагается постоянная скорость нагрева, так что ось абсцисс также можно рассматривать как количество времени, которое проходит, когда вещество нагревается.На измеренной кривой есть два основных наблюдения:

  • регионов, где температура повышается при добавлении тепла
  • плато, где температура остается постоянной.

Именно на этих плато происходит фазовый переход.

Кривая нагрева воды Фазовые переходы воды.

Анализ кривой нагрева

Если смотреть слева направо на график, можно увидеть пять отдельных частей кривой нагрева:

  1. Твердый лед нагревается, и температура повышается до тех пор, пока не будет достигнута нормальная точка замерзания / плавления, равная нулю градусов Цельсия.Количество добавленного тепла, q , можно рассчитать следующим образом: [латекс] q = m \ cdot C_ {H_2O (s)} \ cdot \ Delta T [/ latex], где m - масса пробы воды. , C - удельная теплоемкость твердой воды, или льда, а [latex] \ Delta T [/ latex] - это изменение температуры во время процесса.
  2. Первая фаза - таяние; при плавлении вещества температура не меняется. Для воды это происходит при 0 o C. Вышеприведенное уравнение (описанное в части 1 кривой) нельзя использовать для этой части кривой, потому что изменение температуры равно нулю! Вместо этого используйте тепла fusion ([latex] \ Delta H_ {fusion} [/ latex]), чтобы вычислить, сколько тепла было вовлечено в этот процесс: [latex] q = m \ cdot \ Delta H_ {fusion } [/ latex], где м масса пробы воды.
  3. После того, как все твердое вещество превратилось в жидкость, температура жидкости начинает повышаться по мере поглощения тепла. Затем можно рассчитать тепло, поглощаемое: [латексом] q = m \ cdot C_ {H_2O (l)} \ cdot \ Delta T [/ latex]. Обратите внимание, что удельная теплоемкость жидкой воды отличается от теплоемкости льда.
  4. Жидкость закипит, когда раствор поглотит достаточно тепла, чтобы температура достигла точки кипения, где снова температура остается постоянной, пока вся жидкость не станет газообразной водой.При атмосферном давлении 1 атм этот фазовый переход происходит при температуре 100 o C (нормальная температура кипения воды). Жидкая вода становится водяным паром или паром, когда переходит в газовую фазу. Используйте тепла испарения ([латекс] \ Delta H_ {vap} [/ latex]), чтобы вычислить, сколько тепла было поглощено в этом процессе: [латекс] q = m \ cdot C_ {H_2O (g)} \ cdot \ Delta T [/ latex], где м - масса пробы воды.
  5. После того, как вся жидкость будет преобразована в газ, температура будет продолжать повышаться по мере добавления тепла.Опять же, добавленное тепло, которое приводит к определенному изменению температуры, определяется следующим образом: [латекс] q = m \ cdot C_ {H_2O (g)} \ cdot \ Delta T [/ latex]. Обратите внимание, что удельная теплоемкость газообразной воды отличается от теплоемкости льда или жидкой воды.
  6. Вода имеет высокую температуру кипения из-за наличия обширных взаимодействий водородных связей между молекулами воды в жидкой фазе (вода является одновременно донором и акцептором водородных связей). Когда тепло впервые применяется к воде, она должна разорвать межмолекулярные водородные связи в образце.После разрыва связей тепло поглощается и преобразуется в увеличенную кинетическую энергию молекул для их испарения.

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

11.7: Кривая нагрева воды

Замораживание, конденсация и осаждение, противоположные плавлению, сублимации и испарению, являются экзотермическими.Таким образом, тепловые насосы, использующие хладагенты, по сути являются кондиционерами, работающими в обратном направлении. Тепло из окружающей среды используется для испарения хладагента, который затем конденсируется в жидкость в змеевиках внутри дома для обеспечения тепла. Изменения энергии, происходящие во время фазовых переходов, можно количественно оценить с помощью кривой нагрева или охлаждения.

Кривые нагрева

На рисунке \ (\ PageIndex {3} \) показана кривая нагрева, график зависимости температуры от времени нагрева для образца воды весом 75 г.Первоначально образец представляет собой лед при температуре 1 атм и температуре –23 ° C; по мере добавления тепла температура льда линейно увеличивается со временем. Наклон линии зависит как от массы льда, так и от удельной теплоемкости ( C s ) льда, которая представляет собой количество джоулей, необходимое для повышения температуры 1 г льда на 1 ° C. По мере того, как температура льда увеличивается, молекулы воды в кристалле льда поглощают все больше и больше энергии и вибрируют более энергично. В точке плавления у них достаточно кинетической энергии, чтобы преодолевать силы притяжения и перемещаться друг относительно друга.По мере добавления большего количества тепла температура системы , а не увеличивается, но остается постоянной на уровне 0 ° C до тех пор, пока весь лед не растает. Как только весь лед превратился в жидкую воду, температура воды снова начинает повышаться. Однако теперь температура увеличивается медленнее, чем раньше, потому что удельная теплоемкость воды на больше, чем у льда. Когда температура воды достигает 100 ° C, вода закипает. Здесь также температура остается постоянной на уровне 100 ° C до тех пор, пока вся вода не превратится в пар.В этот момент температура снова начинает повышаться, но на быстрее, чем на , чем в других фазах, потому что теплоемкость пара на меньше на , чем у льда или воды.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): кривая нагрева воды. Этот график температуры показывает, что происходит с образцом льда массой 75 г первоначально при 1 атм и -23 ° C, когда тепло добавляется с постоянной скоростью: A – B: нагрев твердого льда; B – C: тающий лед; C – D: нагрев жидкой воды; D – E: испаряющаяся вода; E – F: греющий пар.

Таким образом, температура системы не изменяется во время фазового перехода . В этом примере, пока присутствует даже небольшое количество льда, температура системы остается на уровне 0 ° C во время процесса таяния, и пока присутствует даже небольшое количество жидкой воды, температура системы остается при 100 ° C в процессе кипячения. Скорость добавления тепла , а не не влияет на температуру смеси лед / вода или вода / пар, потому что добавленное тепло используется исключительно для преодоления сил притяжения, которые удерживают вместе более конденсированную фазу.Многие повара думают, что еда будет готовиться быстрее, если увеличить температуру, чтобы вода закипела быстрее. Вместо этого кастрюля с водой быстрее закипит досуха, но температура воды не зависит от того, насколько сильно она кипит.

Температура образца не изменяется во время фазового перехода.

Если тепло добавляется с постоянной скоростью, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {3} \), то длина горизонтальных линий, представляющих время, в течение которого температура не изменяется, прямо пропорциональна величине энтальпии, связанные с фазовыми изменениями.На рисунке \ (\ PageIndex {3} \) горизонтальная линия при 100 ° C намного длиннее, чем линия при 0 ° C, потому что энтальпия испарения воды в несколько раз превышает энтальпию плавления.

Перегретая жидкость - это образец жидкости при той температуре и давлении, при которых он должен быть газом. Перегретые жидкости нестабильны; жидкость со временем закипит, иногда очень сильно. Явление перегрева вызывает «толчки», когда жидкость нагревается в лаборатории. Когда, например, пробирка с водой нагревается над горелкой Бунзена, одна часть жидкости может легко стать слишком горячей.Когда перегретая жидкость превращается в газ, она может вытолкнуть или «выбить» остальную жидкость из пробирки. Помещение палочки для перемешивания или небольшого кусочка керамики («кипящего куска») в пробирку позволяет пузырькам пара образовываться на поверхности объекта, так что жидкость кипит, а не перегревается. Перегрев - это причина, по которой жидкость, нагретая в гладкой чашке в микроволновой печи, может не закипеть, пока чашка не будет перемещена, когда движение чашки позволяет образовываться пузырькам.

Кривые охлаждения

Кривая охлаждения, график зависимости температуры от времени охлаждения, на рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показывает зависимость температуры от времени при охлаждении образца пара массой 75 г, первоначально при 1 атм и температуре 200 ° C.Хотя мы можем ожидать, что кривая охлаждения будет зеркальным отображением кривой нагрева на рисунке \ (\ PageIndex {3} \), кривая охлаждения - это , а не - идентичное зеркальное отображение. По мере отвода тепла от пара температура падает до 100 ° C. При этой температуре пар начинает конденсироваться в жидкую воду. Дальнейшего изменения температуры не происходит, пока весь пар не превратится в жидкость; затем температура снова понижается по мере охлаждения воды. Мы можем ожидать достижения другого плато при 0 ° C, где вода превращается в лед; в действительности, однако, это происходит не всегда.Вместо этого температура часто на некоторое время опускается ниже точки замерзания, о чем свидетельствует небольшой провал на кривой охлаждения ниже 0 ° C. Эта область соответствует неустойчивой форме жидкости - переохлажденной жидкости. Если жидкости дать постоять, если охлаждение продолжается, или если добавлен небольшой кристалл твердой фазы (затравочный кристалл), переохлажденная жидкость превратится в твердое вещество, иногда довольно внезапно. Когда вода замерзает, температура немного повышается из-за тепла, выделяемого в процессе замерзания, а затем остается постоянной на уровне точки плавления, пока остальная вода замерзает.Впоследствии температура льда снова снижается по мере удаления из системы большего количества тепла.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Кривая охлаждения воды. Этот график температуры показывает, что происходит с образцом пара массой 75 г первоначально при 1 атм и 200 ° C, когда тепло отводится с постоянной скоростью: A – B: охлаждающий пар; B – C: конденсационный пар; C – D: охлаждающая жидкая вода для получения переохлажденной жидкости; D – E: нагревание жидкости, когда она начинает замерзать; E – F: замерзающая жидкая вода; F – G: охлаждающий лед.

Эффекты переохлаждения оказывают огромное влияние на климат Земли.Например, переохлаждение водяных капель в облаках может предотвратить выпадение облаками осадков над регионами, которые в результате являются постоянно засушливыми. Облака состоят из крошечных капелек воды, которые в принципе должны быть достаточно плотными, чтобы выпадать дождем. На самом деле, однако, капли должны объединиться, чтобы достичь определенного размера, прежде чем они смогут упасть на землю. Обычно для агрегирования капель требуется небольшая частица (ядро , ); ядром может быть частица пыли, кристалл льда или частица йодида серебра, рассеянная в облаке во время засева (метод вызывания дождя).К сожалению, маленькие капельки воды обычно остаются переохлажденной жидкостью до температуры около -10 ° C, а не замерзают в кристаллах льда, которые являются более подходящими ядрами для образования капель дождя. Один из подходов к получению дождя из существующего облака заключается в охлаждении капель воды, чтобы они кристаллизовались и образовывали ядра, вокруг которых могут расти капли дождя. Лучше всего это сделать, диспергируя небольшие гранулы твердого CO 2 (сухой лед) в облаке с самолета. Твердый CO 2 сублимируется непосредственно в газ при давлении 1 атм или ниже, и энтальпия сублимации значительна (25.3 кДж / моль). По мере возгонки CO 2 он поглощает тепло из облака, часто с желаемыми результатами.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): Охлаждение горячего чая

Если 50,0 г кубика льда при температуре 0,0 ° C добавить к 500 мл чая при 20,0 ° C, какова температура чая, когда кубик льда только что растаял? Предположим, что тепло не передается в окружающую среду или из нее. Плотность воды (и холодного чая) составляет 1,00 г / мл в диапазоне 0–20 ° C, удельная теплоемкость жидкой воды и льда равна 4.184 Дж / (г • ° C) и 2,062 Дж / (г • ° C) соответственно, а энтальпия плавления льда составляет 6,01 кДж / моль.

Дано: масса, объем, начальная температура, плотность, удельная теплоемкость и \ (ΔH_ {fus} \)

Запрошено: конечная температура

Стратегия:

Подставьте полученные значения в общее уравнение, связывающее полученное тепло с потерянным теплом (уравнение 5.39), чтобы получить конечную температуру смеси.

Решение:

Когда два вещества или объекта с разными температурами соприкасаются, тепло переходит от более теплого к более холодному.Количество тепла, которое течет, определяется

\ [q = mC_sΔT \]

, где q - тепло, м, - масса, C s - удельная теплоемкость, а Δ T - изменение температуры. В конце концов, температуры двух веществ станут равными и составят значение где-то между их начальными температурами. Вычислить температуру чая со льдом после добавления кубика льда немного сложнее. Общее уравнение, связывающее накопленное и потерянное тепло, остается в силе, но в этом случае мы также должны учитывать количество тепла, необходимое для плавления кубика льда изо льда при 0.От 0 ° C до жидкой воды при 0,0 ° C.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \): смерть от замораживания

Предположим, вас накрыла метель во время ски-тура, и вы укрылись в палатке. Вы хотите пить, но забыли принести жидкую воду. У вас есть выбор: съесть несколько горстей снега (скажем, 400 г) при температуре −5,0 ° C сразу, чтобы утолить жажду, или установить пропановую печь, растопить снег и нагреть воду до температуры тела перед тем, как пить. Вы помните, что в руководстве по выживанию, которое вы пролистывали в отеле, говорилось что-то о том, чтобы не есть снег, но вы не можете вспомнить почему - в конце концов, это просто замерзшая вода.Чтобы понять рекомендации руководства, рассчитайте количество тепла, которое ваше тело должно будет отдать, чтобы довести 400 г снега при -5,0 ° C до внутренней температуры вашего тела 37 ° C. Используйте данные из примера \ (\ PageIndex {1} \)

Ответ

200 кДж (4,1 кДж для разогрева льда с -5,0 ° C до 0,0 ° C, 133,6 кДж для плавления льда при 0,0 ° C и 61,9 кДж для разогрева воды с 0,0 ° C до 37 ° C), что составляет энергия, которая не была бы израсходована, если бы вы сначала растопили снег.

8.1: Кривые нагрева и изменения фаз

Навыки для развития

  • Описать процессы, представленные типичными кривыми нагрева и охлаждения, и вычислить тепловые потоки и изменения энтальпии, сопровождающие эти процессы
  • Объясните устройство и использование типовой фазовой диаграммы
  • Используйте фазовые диаграммы для определения стабильных фаз при заданных температурах и давлениях и для описания фазовых переходов, возникающих в результате изменения этих свойств
  • Описать сверхкритическую жидкую фазу вещества

Кривые нагрева и охлаждения

В блоке термохимии была введена связь между количеством тепла, поглощенного или связанного веществом q, и сопровождающим его изменением температуры ΔT:

где m - масса вещества, а c - его удельная теплоемкость.Это отношение применимо к веществу, которое нагревается или охлаждается, но не изменяется в состоянии. Когда нагреваемое или охлаждаемое вещество достигает температуры, соответствующей одному из его фазовых переходов, дальнейшее накопление или потеря тепла является результатом уменьшения или усиления межмолекулярного притяжения, а не увеличения или уменьшения молекулярной кинетической энергии. Пока вещество претерпевает изменение состояния, его температура остается постоянной. На рисунке \ (\ PageIndex {1} \) показана типичная кривая нагрева.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) : Типичная кривая нагрева вещества отображает изменения температуры, которые возникают в результате того, что вещество поглощает все большее количество тепла. Плато на кривой (области постоянной температуры) проявляются при фазовых переходах вещества.

Рассмотрим пример нагрева кастрюли с водой до кипения. Горелка печи будет поставлять тепло примерно с постоянной скоростью; изначально это тепло служит для повышения температуры воды.Когда вода достигает точки кипения, температура остается постоянной, несмотря на постоянное поступление тепла от горелки печи. Такую же температуру поддерживает вода, пока она кипит. Если настройки горелки увеличиваются, чтобы обеспечить более высокую скорость нагрева, температура воды не повышается, а вместо этого кипение становится более интенсивным (быстрым). Такое поведение наблюдается и для других фазовых переходов: например, температура остается постоянной, пока происходит изменение состояния.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): Общее количество тепла, необходимое для изменения температуры и фазы для вещества

Сколько тепла требуется для превращения 135 г льда при –15 ° C в водяной пар при 120 ° C?

Решение

Описанный переход включает следующие шаги:

  1. Нагреть лед от −15 ° C до 0 ° C
  2. Тающий лед
  3. Нагревать воду от 0 ° C до 100 ° C
  4. Кипяток
  5. Нагреть пар от 100 ° C до 120 ° C

Теплота, необходимая для изменения температуры данного вещества (без изменения фазы), составляет: q = м × c × Δ T (см. Предыдущую главу по термохимии).Тепло, необходимое для того, чтобы вызвать заданное изменение фазы, равно q = n × Δ H .

Используя эти уравнения с соответствующими значениями удельной теплоты льда, воды и пара, а также энтальпий плавления и испарения, получаем:

\ [\ begin {align *}
q_ \ ce {total} & = (m⋅c⋅ΔT) _ \ ce {ice} + n⋅ΔH_ \ ce {fus} + (m⋅c⋅ΔT) _ \ ce {вода} + n⋅ΔH_ \ ce {vap} + (m⋅c⋅ΔT) _ \ ce {steam} \\ [7pt]
& = \ mathrm {(135 \: g⋅2.09 \: Дж / г ° C⋅15 ° C) + \ left (135⋅ \ dfrac {1 \: mol} {18.02 \: g} ⋅6.01 \: кДж / моль
\ right)} \\ [7pt]
& \ mathrm {+ (135 \: g⋅4.18 \: Дж / г⋅ ° C⋅100 ° C) + \ left (135 \: g⋅ \ dfrac {1 \: mol} {18.02 \: g} ⋅40.67 \: кДж / моль \ right)} \\ [7pt]
& \ mathrm {+ (135 \: g⋅1.84 \: Дж / г⋅ ° C⋅20 ° C)} \\ [7pt]
& = \ mathrm {4230 \: J + 45.0 \: кДж + 56,500 \: J + 305 \: кДж + 4970 \: J}
\ end {align *} \]

Преобразование величин из Дж в кДж позволяет суммировать их, получая общее необходимое количество тепла:

\ [\ mathrm {= 4,23 \: кДж + 45,0 \: кДж + 56,5 \: кДж + 305 \: кДж + 4,97 \: кДж = 416 \: кДж} \ nonumber \]

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Сколько всего тепла выделяется, когда 94.0 г воды при 80,0 ° C охлаждается с образованием льда при -30,0 ° C?

Ответ

40,5 кДж

В предыдущем блоке было описано изменение равновесного давления пара жидкости в зависимости от температуры. Учитывая определение точки кипения, графики зависимости давления пара от температуры показывают, как точка кипения жидкости изменяется с давлением. Также было описано использование кривых нагрева и охлаждения для определения точки плавления (или замерзания) вещества.Выполнение таких измерений в широком диапазоне давлений дает данные, которые могут быть представлены графически в виде фазовой диаграммы. Фазовая диаграмма объединяет графики зависимости давления от температуры для равновесия фазового перехода жидкость-газ, твердое тело-жидкость и твердое тело-газ в веществе. Эти диаграммы показывают физические состояния, которые существуют при определенных условиях давления и температуры, а также обеспечивают зависимость от давления температур фазовых переходов (точки плавления, точки сублимации, точки кипения).Типичная фазовая диаграмма чистого вещества показана на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Физическое состояние вещества и температуры его фазовых переходов графически представлены на фазовой диаграмме.

Чтобы проиллюстрировать полезность этих графиков, рассмотрим фазовую диаграмму для воды, показанную на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Оси давления и температуры на этой фазовой диаграмме воды приведены не в постоянном масштабе, чтобы проиллюстрировать несколько важных свойств.

Мы можем использовать фазовую диаграмму для определения физического состояния образца воды при определенных условиях давления и температуры. Например, давление 50 кПа и температура -10 ° C соответствуют области диаграммы, обозначенной «лед». В этих условиях вода существует только в твердом виде (лед). Области «воды» соответствуют давление 50 кПа и температура 50 ° C - здесь вода существует только в виде жидкости. При 25 кПа и 200 ° C вода существует только в газообразном состоянии.Обратите внимание, что на фазовой диаграмме H 2 O оси давления и температуры не приведены в постоянном масштабе, чтобы можно было проиллюстрировать некоторые важные особенности, как описано здесь.

Кривая BC на рисунке \ (\ PageIndex {3} \) представляет собой график зависимости давления пара от температуры, как описано в предыдущем модуле этой главы. Эта кривая «жидкость-пар» разделяет жидкую и газообразную области на фазовой диаграмме и обеспечивает точку кипения воды при любом давлении.Например, при 1 атм температура кипения составляет 100 ° C. Обратите внимание, что кривая жидкость-пар заканчивается при температуре 374 ° C и давлении 218 атм, что указывает на то, что вода не может существовать как жидкость выше этой температуры, независимо от давления. По физическим свойствам вода в этих условиях занимает промежуточное положение между ее жидкой и газообразной фазами. Это уникальное состояние вещества называется сверхкритической жидкостью, и эта тема будет описана в следующем разделе этого модуля.

Кривая твердое тело-пар, обозначенная AB на рисунке \ (\ PageIndex {3} \), показывает температуры и давления, при которых лед и водяной пар находятся в равновесии.Эти пары данных температуры и давления соответствуют точкам сублимации или осаждения воды. Если бы мы могли увеличить масштаб линии твердое тело-газ на рисунке \ (\ PageIndex {2} \), мы бы увидели, что у льда давление паров около 0,20 кПа при -10 ° C. Таким образом, если мы поместим замороженный образец в вакуум с давлением менее 0,20 кПа, лед возгонится. Это основа для процесса «сублимационной сушки», который часто используется для консервирования продуктов, таких как мороженое, показанное на рисунке \ (\ PageIndex {4} \).

>

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Лиофилизированные продукты, такие как это мороженое, обезвоживаются путем сублимации при давлении ниже тройной точки для воды.(кредит: ʺlwaoʺ / Flickr)

Кривая твердое тело-жидкость, обозначенная BD, показывает температуру и давление, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии, представляя точки плавления / замерзания воды. Обратите внимание, что эта кривая имеет небольшой отрицательный наклон (сильно преувеличенный для ясности), что указывает на то, что температура плавления воды немного снижается с увеличением давления. Вода - необычное вещество в этом отношении, так как большинство веществ демонстрируют повышение температуры плавления с увеличением давления.Такое поведение частично отвечает за движение ледников, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {5} \). Дно ледника испытывает огромное давление из-за своего веса, которое может растопить часть льда, образуя слой жидкой воды, по которому ледник может легче скользить.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Огромное давление под ледниками приводит к частичному таянию с образованием слоя воды, который обеспечивает смазку, помогающую движению ледников.На этом спутниковом снимке показан приближающийся край ледника Перито-Морено в Аргентине. (кредит: НАСА)

Точка пересечения всех трех кривых обозначена буквой B на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). При давлении и температуре, представленных этой точкой, все три фазы воды сосуществуют в равновесии. Эта пара данных температура-давление называется тройной точкой. При давлениях ниже тройной точки вода не может существовать в виде жидкости независимо от температуры.

Видео \ (\ PageIndex {1} \): Циклогексан в тройной точке.

Пример \ (\ PageIndex {2} \): определение состояния воды

Используя фазовую диаграмму для воды, приведенную на рисунке 10.4.2, определите состояние воды при следующих температурах и давлениях:

  1. −10 ° C и 50 кПа
  2. 25 ° C и 90 кПа
  3. 50 ° C и 40 кПа
  4. 80 ° C и 5 кПа
  5. −10 ° C и 0,3 кПа
  6. 50 ° C и 0,3 кПа

Решение

Используя фазовую диаграмму для воды, мы можем определить, что состояние воды при каждой заданной температуре и давлении следующее: (а) твердое; (б) жидкость; (c) жидкость; (г) газ; (д) твердые; (е) газ.

Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

Какие фазовые изменения могут претерпевать вода при изменении температуры, если давление поддерживается на уровне 0,3 кПа? Если давление удерживается на уровне 50 кПа?

Ответ:

При 0,3 кПа: с г при -58 ° C. При 50 кПа: с⟶ л при 0 ° C, л г при 78 ° C

Рассмотрим фазовую диаграмму для диоксида углерода, показанную на рисунке \ (\ PageIndex {6} \) в качестве другого примера. Кривая твердое тело-жидкость имеет положительный наклон, что указывает на то, что температура плавления CO 2 увеличивается с давлением, как и для большинства веществ (вода является заметным исключением, как описано ранее).Обратите внимание, что тройная точка намного выше 1 атм, что указывает на то, что диоксид углерода не может существовать в виде жидкости в условиях атмосферного давления. Вместо этого охлаждение газообразного диоксида углерода до 1 атм приводит к его осаждению в твердом состоянии. Точно так же твердый диоксид углерода не плавится при давлении 1 атм, а вместо этого сублимируется с образованием газообразного CO 2 . Наконец, обратите внимание, что критическая точка для углекислого газа наблюдается при относительно умеренных температуре и давлении по сравнению с водой.

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \) : Показана фазовая диаграмма для диоксида углерода. Ось давления нанесена в логарифмическом масштабе, чтобы учесть широкий диапазон значений.

Пример \ (\ PageIndex {3} \): определение состояния двуокиси углерода

Используя фазовую диаграмму для диоксида углерода, показанную на рисунке 10.4.5, определите состояние CO 2 при следующих температурах и давлениях:

  1. −30 ° C и 2000 кПа
  2. −60 ° C и 1000 кПа
  3. −60 ° C и 100 кПа
  4. 20 ° C и 1500 кПа
  5. 0 ° C и 100 кПа
  6. 20 ° C и 100 кПа

Решение

Используя приведенную фазовую диаграмму для диоксида углерода, мы можем определить, что состояние CO 2 при каждой заданной температуре и давлении является следующим: (a) жидкий; (б) твердые; (c) газ; (г) жидкость; е) газ; (е) газ.

Упражнение \ (\ PageIndex {3} \)

Определить фазовые изменения, которым диоксид углерода претерпевает при изменении его температуры, таким образом поддерживая его давление постоянным на уровне 1500 кПа? При 500 кПа? При каких примерных температурах происходят эти фазовые переходы?

Ответ

при 1500 кПа: s⟶ l при -45 ° C, l⟶ г при -10 ° C; при 500 кПа: с г при −58 ° C

Сверхкритические жидкости

Видео \ (\ PageIndex {2} \): Наблюдайте за поведением сверхкритических жидкостей.

Если мы поместим образец воды в герметичный контейнер при 25 ° C, удалим воздух и позволим установиться равновесию испарение-конденсация, у нас останется смесь жидкой воды и водяного пара под давлением 0,03 атм. Четко прослеживается четкая граница между более плотной жидкостью и менее плотным газом. По мере увеличения температуры давление водяного пара увеличивается, что описывается кривой жидкость-газ на фазовой диаграмме для воды (рис. \ (\ PageIndex {3} \)), а также двухфазным равновесием жидкости и газовая фаза остается.При температуре 374 ° C давление пара повысилось до 218 атм, и любое дальнейшее повышение температуры приводит к исчезновению границы между жидкой и паровой фазами. Вся вода в контейнере теперь находится в одной фазе, физические свойства которой являются промежуточными между газообразным и жидким состояниями. Эта фаза вещества называется сверхкритической жидкостью, а температура и давление, выше которых эта фаза существует, являются критической точкой (рис. \ (\ PageIndex {5} \)).Выше критической температуры газ не может быть сжижен независимо от того, какое давление приложено. Давление, необходимое для сжижения газа при его критической температуре, называется критическим давлением. Критические температуры и критические давления некоторых распространенных веществ приведены в таблице \ (\ PageIndex {1} \).

Таблица \ (\ PageIndex {1} \) : Критические температуры и критические давления некоторых веществ
Вещество Критическая температура (K) Критическое давление (атм.)
водород 33.2 12,8
азот 126,0 33,5
кислород 154,3 49,7
диоксид углерода 304,2 73,0
аммиак 405,5 111,5
диоксид серы 430.3 77,7
вода 647,1 217,7

Видео \ (\ PageIndex {3} \): Переход жидкости в сверхкритическую жидкость для диоксида углерода.

Подобно газу, сверхкритическая жидкость будет расширяться и заполнять контейнер, но ее плотность намного больше, чем типичная плотность газа, обычно близкая к плотности жидкости.Подобно жидкостям, эти жидкости способны растворять нелетучие растворенные вещества. Однако они практически не проявляют поверхностного натяжения и обладают очень низкой вязкостью, поэтому они могут более эффективно проникать в очень маленькие отверстия в твердой смеси и удалять растворимые компоненты. Эти свойства делают сверхкритические жидкости чрезвычайно полезными растворителями для широкого спектра применений. Например, сверхкритический диоксид углерода стал очень популярным растворителем в пищевой промышленности, который используется для удаления кофеина из кофе, удаления жиров из картофельных чипсов и экстракции вкусовых и ароматических соединений из цитрусовых масел.Это нетоксично, относительно недорого и не считается загрязняющим веществом. После использования CO 2 можно легко восстановить, снизив давление и собрав образовавшийся газ.

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): (a) Герметичный контейнер с жидким диоксидом углерода немного ниже его критической точки нагревается, что приводит к (b) образованию сверхкритической жидкой фазы. Охлаждение сверхкритической жидкости снижает ее температуру и давление ниже критической точки, что приводит к восстановлению отдельных жидких и газовых фаз (c и d).Цветные поплавки показывают разницу в плотности между жидким, газообразным и сверхкритическим состояниями текучей среды. (кредит: модификация работы «mrmrobin» / YouTube)

Пример \ (\ PageIndex {4} \): критическая температура диоксида углерода

Если встряхнуть углекислый огнетушитель в прохладный день (18 ° C), мы услышим, как внутри цилиндра плещется жидкий CO 2 . Однако в жаркий летний день (35 ° C) в этом же цилиндре нет жидкости. Объясните эти наблюдения.

Решение

В прохладный день температура CO 2 ниже критической температуры CO 2 , 304 K или 31 ° C (Таблица \ (\ PageIndex {1} \)), поэтому жидкий CO 2 присутствует в цилиндре. В жаркий день температура CO 2 превышает его критическую температуру 31 ° C. Выше этой температуры никакое давление не может привести к сжижению CO 2 , поэтому в огнетушителе нет жидкого CO 2 .

Упражнение \ (\ PageIndex {4} \)

Аммиак можно сжижать путем сжатия при комнатной температуре; кислород не может быть сжижен в этих условиях. Почему два газа ведут себя по-разному?

Ответ

Критическая температура аммиака составляет 405,5 К, что выше комнатной температуры. Критическая температура кислорода ниже комнатной; таким образом кислород нельзя сжижать при комнатной температуре.

Кофе без кофеина с использованием сверхкритического CO

2

Кофе - второй по популярности товар в мире после нефти.Во всем мире люди любят кофе за аромат и вкус. Многие из нас также зависят от одного компонента кофе - кофеина - который помогает нам двигаться утром или оставаться бодрым днем. Но в конце дня стимулирующий эффект кофе может помешать вам уснуть, поэтому вы можете пить кофе без кофеина вечером.

С начала 1900-х годов для обеззараживания кофе использовалось множество методов. У всех есть свои преимущества и недостатки, и все они зависят от физических и химических свойств кофеина.Поскольку кофеин представляет собой несколько полярную молекулу, он хорошо растворяется в воде, полярной жидкости. Однако, поскольку многие из более чем 400 соединений, которые влияют на вкус и аромат кофе, также растворяются в H 2 O, процессы декофеинизации в горячей воде также могут удалить некоторые из этих соединений, отрицательно влияя на запах и вкус кофе без кофеина. Дихлорметан (CH 2 Cl 2 ) и этилацетат (CH 3 CO 2 C 2 H 5 ) имеют аналогичную полярность с кофеином и поэтому являются очень эффективными растворителями для экстракции кофеина, но оба также удаляют некоторые компоненты вкуса и аромата, а их использование требует длительного времени экстракции и очистки.Поскольку оба эти растворителя токсичны, высказывались опасения по поводу воздействия остаточного растворителя, остающегося в кофе без кофеина.

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): (a) Молекулы кофеина имеют как полярные, так и неполярные области, что делает его растворимым в растворителях различной полярности. (b) На схеме показан типичный процесс удаления кофеина с участием сверхкритического диоксида углерода.

Сверхкритическая флюидная экстракция с использованием диоксида углерода в настоящее время широко используется как более эффективный и экологически безопасный метод удаления кофеина (Рисунок \ (\ PageIndex {8} \)).При температурах выше 304,2 К и давлениях выше 7376 кПа CO 2 представляет собой сверхкритическую жидкость, обладающую свойствами как газа, так и жидкости. Как газ, он проникает глубоко в кофейные зерна; как жидкость, он эффективно растворяет определенные вещества. Сверхкритическая экстракция углекислым газом из пропаренных кофейных зерен удаляет 97-99% кофеина, оставляя неизменными вкусовые и ароматические соединения кофе. Поскольку CO 2 представляет собой газ при стандартных условиях, его удаление из экстрагированных кофейных зерен легко осуществляется, как и извлечение кофеина из экстракта.Кофеин, полученный из кофейных зерен с помощью этого процесса, является ценным продуктом, который впоследствии можно использовать в качестве добавки к другим продуктам питания или лекарствам.

Сводка

Видео \ (\ PageIndex {4} \): Обзор фазовых переходов и фазовых диаграмм.

Температуры, при которых происходят фазовые переходы, определяются относительной силой межмолекулярного притяжения и, следовательно, зависят от химической идентичности вещества.Условия температуры и давления, при которых вещество находится в твердом, жидком и газообразном состояниях, суммированы на фазовой диаграмме для этого вещества. Фазовые диаграммы представляют собой комбинированные графики трех кривых равновесия давления-температуры: твердое тело-жидкость, жидкость-газ и твердое тело-газ. Эти кривые представляют отношения между температурами фазовых переходов и давлениями. Точка пересечения всех трех кривых представляет тройную точку вещества - температуру и давление, при которых все три фазы находятся в равновесии.{−ΔH_ \ ce {vap} / RT} \)

  • \ (\ ln P = - \ dfrac {ΔH_ \ ce {vap}} {RT} + \ ln A \)
  • \ (\ ln \ left (\ dfrac {P_2} {P_1} \ right) = \ dfrac {ΔH_ \ ce {vap}} {R} \ left (\ dfrac {1} {T_1} - \ dfrac {1} {T_2} \ справа) \)
  • Глоссарий

    критическая точка
    температура и давление, выше которых газ не может конденсироваться в жидкость
    фазовая диаграмма
    График давление-температура, обобщающий условия, при которых могут существовать фазы вещества
    сверхкритическая жидкость
    вещество при температуре и давлении выше его критической точки; обладает промежуточными свойствами между газообразным и жидким состояниями
    тройная точка
    температура и давление, при которых паровая, жидкая и твердая фазы вещества находятся в равновесии

    Авторы

    • Пол Флауэрс (Университет Северной Каролины - Пембрук), Клаус Теопольд (Университет Делавэра) и Ричард Лэнгли (Стивен Ф.Austin State University) с участвующими авторами. Учебный контент, созданный OpenStax College, находится под лицензией Creative Commons Attribution License 4.0. Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/[email protected]).

    • Аделаида Кларк, Технологический институт Орегона
    • Crash Course Physics: ускоренный курс является подразделением Complexly, и видео можно бесплатно транслировать в образовательных целях.

    Обратная связь

    Хотите оставить отзыв об этом тексте? Кликните сюда.

    Нашли опечатку и хотите получить дополнительный балл? Кликните сюда.

    Кривая нагрева

    - MyRank

    Кривая нагрева

    Если к заданной массе (м) твердого тела тепло подводится с постоянной скоростью P и строится график между температурой и временем, график будет таким, как показано на рисунке, и называется кривой нагрева. Из этой кривой видно, что:

    1) В области OA температура твердого тела изменяется со временем, поэтому Q = mc, ΔT ⇒ PΔt = mc, ΔT [как Q = PΔt].

    Но поскольку (ΔT / Δt) - это наклон кривой температура-время, c с α 1 / (Наклон линии OA), т.е. удельная теплоемкость обратно пропорциональна наклону кривой температура-время.

    2) В области АБ температура константа, поэтому она представляет собой изменение состояния, т.е. плавление твердого тела с плавлением точка Т 1 . В точке A начинается плавление, и в точке B все твердое вещество превращается в жидкость. Итак, между A и B вещество частично твердое, а частично жидкое. Если L F это скрытая теплота плавления.Q = mL F (или) L F = P (t₂ - t₁) / m [как Q = P (t₂ - t₁) ⇒ L F α Длина линии AB.

    т.е. скрытая слышимость слияния пропорциональна длина линии с нулевым наклоном в этой области Удельная теплоемкость α 1 / tan 0 = ∞.

    3) В этой области BC температура жидкости увеличивается, поэтому удельная теплоемкость жидкости будет обратно пропорциональна наклон линии BC. т.е. c₁ α 1 / (наклон прямой BC).

    4) В области CD температура постоянна, поэтому он представляет собой изменение состояния, т.е.е., кипение с температурой кипения T₂. В C все вещество находится в жидком состоянии, в то время как в D находится в парообразном состоянии и между C и D частично жидкость и частично газ. Длина линии CD пропорциональна скрытому теплота испарения.

    т.е. L V α Длина линии CD, дюйм удельная теплоемкость этой области α 1 / tan 0 = ∞.

    5) Линия DE представляет газообразное состояние вещество, температура которого линейно возрастает со временем. Взаимность наклон линии будет пропорционален удельной теплоемкости или теплоемкости вещество в парообразном состоянии.

    кривых нагрева | Эрик Ван Дорнсхульд


    Кривая нагрева вещества показывает соотношение температуры, состояния вещества и тепла (при добавлении с течением времени). Вещества претерпевают фазовые переходы при температурах плавления и кипения.

    Рассмотрим вещество в твердом состоянии ниже точки замерзания. Чтобы преобразовать вещество в газ с температурой выше точки кипения, должно произойти следующее:

    • Нагреть твердое вещество до точки плавления
    • Расплавить твердое вещество из твердого в жидкое (плавление)
    • Нагреть жидкость до точки кипения
    • Превратить жидкость в газ (испарение)
    • Нагреть газ до конечной температуры

    Ниже приведена иллюстрация процесса нагрева твердого вещества при некоторой начальной температуре ( T начальная ) до газа при некоторой конечной температуре ( T конечная ).

    Вещества изменяют температуру при нагревании, кроме случаев, когда происходит фазовый переход. Во время фазового перехода температура не меняется (Δ T = 0).

    Когда определенное количество вещества испытывает изменение температуры, количество тепла ( q ), необходимое для изменения температуры этого вещества, определяется как:

    \ [\ begin {уравнение} q = mc \ Delta T \ end {Equation} \]

    , где q - количество тепла, m - масса вещества, c - удельная теплоемкость вещества для данной фазы, а Δ T - изменение температуры.

    Количество тепла, необходимое для определенного количества вещества, претерпевающего фазовый переход, составляет

    \ [\ begin {уравнение} q = n \ Delta H \ end {Equation} \]

    , где q - количество тепла, n - количество молей вещества, а Δ H - энтальпия этого фазового перехода (обычно выражается в кДж / моль –1 ).

    Как правило, удельная теплоемкость вещества в какой-либо фазе, энтальпия плавления и энтальпия испарения даются для этих типов задач, требующих определения q .

    Данные о веществе

    Энтальпии плавления и испарения (в кДж / моль –1 ) для некоторых веществ, измеренные при их соответствующих (приблизительных) нормальных точках замерзания и кипения ( T f и T b при o C) . Удельная теплоемкость ( c ) дана в Дж г -1 o C -1 .

    Вещество T f T b Δ H фус Δ H пар c s c л c г
    вода 0 100 6.02 44,01 2,09 4,184 1,865
    бензол 5,53 80,1 9,87 30,77 1,1 1,741 1,16
    метанол −97,6 64,7 3,18 38,2 ··· 2,531 1.376
    ацетон −95 56 5,7 31,3 1,653 2,409 1,283
    бутан −138 -1 4,66 21 ··· 2,062 1,639
    аммиак −77,73 −33.34 5,66 23,35 ··· 2,061 1,703
    пропан 188 −42 1,96 15,7 ··· 2,025 1,669

    Практические задачи


    Проблема 1

    Сколько тепла (в кДж / моль –1 ) требуется для нагрева 300 г воды с –40 o C до 130 o C?

    Решение

    \ [\ begin {align *} q_1 & = mc_ {solid} \ Delta T \\ & = 300 ~ \ text {g} \ left (2.3 ~ \ mathrm {J}} \ right) \\ & = 16,56 ~ \ mathrm {кДж} \\ [2ex] q _ {\ mathrm {tot}} & = 25,08 + 100,2 + 125,5 + 732,7 + 16,56 = 1000 ~ \ mathrm {кДж} \ end {align *} \]

    Проблема 2

    Сколько тепла (в кДж / моль –1 ) требуется для нагрева 2,45 моль воды с –40 o C до 130 o C?

    Решение

    \ [\ begin {align *} q_1 & = mc_ {solid} \ Delta T \\ & = 2. 3 ~ \ mathrm {J}} \ right) \\ & = 25.3 ~ \ mathrm {J}} \ right) \\ & = 87,86 ~ \ mathrm {кДж} \\ [2ex] q _ {\ mathrm {tot}} & = 25,08 + 100,2 + 87,86 = 213,14 ~ \ mathrm {кДж} \ end {align *} \]

    Проблема 4

    Сколько тепла (в кДж / моль –1 ) требуется для нагрева 2,45 моль воды с –40 o C до 70 o C?

    Решение

    \ [\ begin {align *} q_1 & = mc_ {solid} \ Delta T \\ & = 2.45 ~ \ mathrm {mol} \ left (\ dfrac {18.02 ~ \ mathrm {g}} {\ mathrm {mol}} \ right) \ left (2.3 ~ \ mathrm {J}} \ right) \\ & = 12,93 ~ \ mathrm {кДж} \\ [2ex] q _ {\ mathrm {tot}} & = 3,961 + 14,75 + 12,93 = 31,6 ~ \ mathrm {кДж} \ end {align *} \]

    Кривые нагрева - AP ХИМИЯ: Свойства жидкостей

    Кривая нагрева дает вам сводку по энергии и фазовым изменениям, а также другую информацию. Кривые нагрева получены при постепенном нагревании вещества из твердого состояния в газообразное при постоянном атмосферном давлении.Позже вы увидите, что изменение давления приведет к изменению состояния вещества, но пока мы сохраним его постоянным. В одной из ваших лабораторий вы можете построить кривую нагрева воды. Вы должны начать с получения куска льда при температуре ниже нуля градусов по Цельсию и медленно нагревать его, внимательно следя за температурой. Кривые нагрева отображаются в зависимости от температуры от тепла или температуры от времени. Мы будем использовать рисунок ниже, чтобы проследить общий путь кривой нагрева.

    Когда лед приближается к нулю по Цельсию, он начинает таять.Есть период времени (B-C на графике), когда тепло добавляется, но изменения температуры не происходит; он достиг плато. Это явление происходит потому, что вся энергия, добавляемая к системе, используется для разрушения сильных сил притяжения, которые блокируют частицы в твердом твердом состоянии. Количество энергии, необходимое для полного превращения твердого вещества в жидкость, известно как теплота плавления . После того, как все частицы были разрушены из твердого состояния, добавленное тепло вызовет повышение температуры, которое будет с фиксированной скоростью и зависит от вещества и движения частиц.Как только вода в этом случае достигнет точки кипения (100 градусов Цельсия при 1,00 атм), произойдет испарение. На диаграмме испарение показано в виде отрезка "DE", и вы заметите, что оно снова вышло на плато. Пока присутствует жидкость, температура смеси жидкость / пар будет оставаться на уровне температуры кипения. Добавляемое тепло используется для разрушения межмолекулярного притяжения между частицами в жидком состоянии. Количество тепла, необходимое для полного превращения жидкости в газ, известно как теплота испарения .Чем больше межмолекулярное притяжение между частицами, тем больше будет теплота испарения. На экзамене AP вам должно быть комфортно определять все части не только кривой нагрева, но также кривой охлаждения . Кривая охлаждения точно такая же, как кривая нагрева, но в обратном порядке.

    Кривая нагрева / фазовая диаграмма Видео

    Кривые нагрева и охлаждения | Протокол

    11.12: Кривые нагрева и охлаждения

    Когда вещество, изолированное от окружающей среды, подвергается тепловым изменениям, наблюдаются соответствующие изменения температуры и фазы вещества; это графически представлено кривыми нагрева и охлаждения.

    Например, добавление тепла повышает температуру твердого тела; количество поглощенного тепла зависит от теплоемкости твердого тела ( q = м3 твердое тело Δ T ).Согласно термохимии, соотношение между количеством тепла, поглощаемого или выделяемого веществом, q , и сопровождающим его изменением температуры, Δ T , составляет:

    , где m - масса вещества, а c - его удельная теплоемкость. Это отношение применяется к веществу, которое нагревается или охлаждается, но не меняет своего состояния.

    Когда температура достаточно высока, твердое вещество начинает плавиться (Рисунок 1, точка A) . Поглощенное тепло зависит от теплоемкости твердого тела ( q = м3 твердое тело Δ T ), и при его температуре плавления наблюдается плато.Плато указывает на изменение состояния с твердого на жидкое, во время которого температура не повышается из-за теплоты плавления ( q = м Δ H плавление ). Другими словами, дальнейший приток тепла является результатом уменьшения межмолекулярного притяжения, а не увеличения молекулярной кинетической энергии. Следовательно, пока вещество меняет состояние, его температура остается постоянной.

    Как только твердое вещество полностью расплавится (Рис. 1, точка B) , жидкость начинает нагреваться, и ее температура повышается.Поглощенное тепло зависит от теплоемкости жидкости ( q = м3 жидкость Δ T ). Когда жидкость достигает точки кипения, она начинает испаряться (Рис. 1, точка C) , и температура остается постоянной, несмотря на продолжающийся подвод тепла. Другое плато (постоянная температура) наблюдается в точке кипения жидкости во время перехода жидкости в газ из-за теплоты испарения ( q = m Δ H vap ).

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *