В данной статье речь пойдет о том, в каких единицах измеряется теплота и ее разновидности.
Основные понятия
Прежде чем говорить о единицах измерения, дадим определения основным понятиям:
- Теплота - это энергия, которая передается от одного тела к другому в результате разности их температур.
- Удельная теплота - количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на 1 градус.
- Удельная теплота плавления - количество теплоты, необходимое для плавления единицы массы твердого тела.
Единицы измерения теплоты
Согласно системе СИ (международная система единиц), теплота измеряется в джоулях (Дж). Также используются производные единицы:
- 1 килоджоуль (кДж) = 1000 Дж
- 1 мегаджоуль (МДж) = 1000000 Дж
- 1 гигаджоуль (ГДж) = 1000000000 Дж
Помимо джоуля, в чем измеряется теплота? Иногда применяется внесистемная единица - калория. Соотношения таковы:
- 1 калория = 4,19 джоуля
- 1 килокалория (ккал) = 4190 Дж
- 1 мегакалория (Мкал) = 4,19 МДж
- 1 гигакалория (Гкал) = 4,19 ГДж
Измерение удельной теплоты
В чем измеряется удельная теплота? Она измеряется в тех же единицах, что и теплота, то есть в джоулях на килограмм (Дж/кг) или в калориях на килограмм (кал/кг).
Измерение удельной теплоты плавления
Для в чем измеряется удельная теплота плавления используются те же единицы, что и для удельной теплоты:
- Дж/кг
- кДж/кг
- кал/кг
- ккал/кг
Таким образом, в системе СИ основной единицей количества теплоты является джоуль. Удельная теплота и теплота плавления измеряются в тех же или производных единицах.
Теплоемкость
Помимо теплоты, важной характеристикой является теплоемкость. Она показывает, какое количество теплоты необходимо сообщить телу, чтобы нагреть его на 1 градус.
Различают удельную и молярную теплоемкости. В чем измеряется удельная теплоемкость? Она измеряется в джоулях на килограмм-градус (Дж/кг*К).
Теплота химических реакций
При протекании химических реакций также происходят тепловые эффекты - выделение или поглощение теплоты. Эта теплота называется теплотой реакции.
В чем измеряется теплота химической реакции? Как и любая другая теплота - в джоулях или калориях. Также может использоваться понятие "удельная теплота реакции" - количество теплоты, выделившееся при реакции 1 моль вещества.
Способы определения теплоты
Существует несколько способов определения количества теплоты:
- Расчет по формулам термодинамики на основе параметров процесса.
- Калориметрический метод - измерение количества теплоты специальными приборами-калориметрами.
- Оценка тепловых эффектов при фазовых переходах и химических реакциях.
Применение знаний о теплоте
Понимание законов теплопередачи, умение рассчитывать количество теплоты имеет большое практическое значение. Эти знания применяются:
- При проектировании и эксплуатации нагревательных и охладительных установок.
- В энергетике для выбора оптимального топлива и расчета тепловых балансов.
- В химической промышленности для учета и регулирования тепловых эффектов.
- При исследовании фазовых переходов веществ.
Измерение теплопроводности
Важной характеристикой при описании процессов теплопередачи является теплопроводность - способность материала проводить тепло.
В чем измеряется теплопроводность? В системе СИ теплопроводность измеряется в Ваттах на метр-Кельвин (Вт/м*К).
Конвекция и излучение
Помимо теплопроводности, перенос тепла может осуществляться конвекцией и излучением. Конвективный теплообмен происходит за счет перемешивания горячих и холодных частей жидкости или газа. При теплообмене излучением тепло переносится электромагнитными волнами инфракрасного диапазона.
Термодинамические циклы
При описании работы тепловых машин используется понятие термодинамического цикла - замкнутой последовательности термодинамических процессов. Важнейшими характеристиками цикла являются количество подведенной теплоты и совершенной работы.
Тепловые балансы
Для описания преобразования энергии в тепловых установках используются тепловые балансы - балансы энергии, в которых учитываются все виды подвода и отвода теплоты.
Теплотехнические расчеты
На основе теоретических знаний о теплопередаче производятся инженерные теплотехнические расчеты - расчет теплообменных аппаратов, выбор изоляционных материалов, расчет топливных затрат и т.д. Для этого используются справочные данные по теплофизическим свойствам веществ.
Тепловое расширение тел
Одним из важных эффектов, связанных с нагреванием тел, является их тепловое расширение. Под действием теплоты размеры тел увеличиваются. Это свойство используется в различных технических устройствах.
Коэффициент теплового расширения показывает, на какую долю удлиняется тело при нагревании на 1 градус. В чем измеряется коэффициент теплового расширения? Он измеряется в градусах в минус первой степени (1/°C или 1/K).
Теплообменники
Для эффективной передачи теплоты от одной среды к другой используются теплообменные аппараты - теплообменники. Они могут выполнять функции подогревателей, охладителей, конденсаторов, испарителей и т.д. Примеры теплообменников: кожухотрубные, пластинчатые, с погружной гильзой.
Тепловое излучение
Любые нагретые тела испускают электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне - тепловое излучение. Его интенсивность описывается законом Стефана-Больцмана. Полное тепловое излучение абсолютно черного тела определяется по закону смещения Вина.
Тепловые насосы
Для эффективного использования низкопотенциального тепла применяются тепловые насосы - устройства, которые переносят теплоту от источника низкой температуры к потребителю с более высокой температурой.
Тепловая защита зданий и сооружений
Для обеспечения оптимального теплового режима внутри зданий необходима надежная теплоизоляция наружных ограждающих конструкций. Это позволяет снизить теплопотери зимой и перегрев летом.
Основные современные теплоизоляционные материалы для строительства: полистирол, минеральная вата, пенополиуретан, пенопласт. Выбор материала зависит от требуемых показателей по теплопроводности, влагостойкости и долговечности.
Особенности теплообмена в различных средах
Механизм и интенсивность переноса теплоты будут различны в твердых телах, жидкостях и газах. Определяющим фактором является агрегатное состояние вещества. Например, в жидкостях и газах возможна газо- и гидродинамика, влияющая на конвективный теплообмен.
Расчет тепловых потерь
Для оптимизации работы систем отопления и горячего водоснабжения важно уметь рассчитывать тепловые потери зданиями. Для этого учитывают теплофизические характеристики материалов, особенности конструкции, климатические параметры.
Альтернативная энергетика
Перспективным направлением является использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии, основанных на солнечном излучении, геотермальном тепле, теплоте фазовых переходов и др. Развитие альтернативной энергетики позволит экономить органическое топливо и снизить вредные выбросы в атмосферу.
