Расчет остывания воды в емкости: Расчет остывания воды в емкости – “График остывания воды t, мин t°Ct°C График получился нелинейным. Чем больше разность температуры воды и окружающей среды, тем скорость остывания воды выше.”. Скачать бесплатно и без регистрации.

Содержание

Время охлаждения (нагрева). Расчет в Excel.

Опубликовано 14 Июл 2018
Рубрика: Теплотехника | 57 комментариев

Нестационарный режим теплообмена – это режим, когда температура тел или сред, участвующих в  процессе обмена тепловой энергией изменяется во времени. При этом время охлаждения (нагрева) – это аргумент функции температуры тела. Зависимость температуры от времени…

…характеризуется скоростью теплового обмена, которая пропорциональна разности температур тела и окружающего пространства. В отличие от стационарного режима, при котором температуры всех точек системы остаются неизменными длительное время, нестационарный теплообмен возникает, например, при помещении тела в среду с более низкой или более высокой температурой. Если среда – это условно бесконечное пространство (например, атмосферный воздух или вода в «большой» ёмкости), то влияние тела на температуру среды ничтожно, поэтому охлаждение (нагрев) тела происходит при условно постоянной температуре окружающего газа или жидкости.

Заметим, что охлаждение тела сточки зрения математики – это нагрев со знаком «минус». И нагрев, и охлаждение описываются одними и теми же формулами!

О каких задачах может идти речь? Представим небольшой перечень вопросов, на которые можно попытаться ответить, используя предложенный далее расчет в Excel:

  • Сколько времени будет нагреваться деталь в печи?
  • Сколько времени остывает отливка после выбивки из формы?
  • Сколько времени требуется для нагрева воды в бочке на даче?
  • Через какое время перемерзнет наружный водопровод при отсутствии разбора?
  • Сколько времени нужно на охлаждение банки пива в холодильнике?

Расчет в Excel времени охлаждения (нагрева).

Алгоритм расчета базируется на законе Ньютона-Рихмана и на теоретических и практических исследованиях регулярного теплового режима советскими учеными Г.М. Кондратьевым («Регулярный тепловой режим», Москва, 1954г.) и М.А. Михеевым («Основы теплопередачи», Москва, 1977 г.

).

Для примера выбран расчет времени нагрева до +22 °C в комнате с температурой воздуха +24 °C пивной алюминиевой банки с водой, предварительно охлажденной до +13 °C.

Исходные данные:

Параметров, необходимых для выполнения расчета времени охлаждения (нагрева) – 12 (см. скриншот).

Ориентировочные сведения о значениях коэффициента теплоотдачи α приведены в примечании к ячейке D3.

Теплофизические характеристики материала тела λ, a, ρ, c легко можно найти в справочниках или по запросу в Интернете. В нашем примере – это параметры воды.

В принципе, для выполнения расчета достаточно знать значения любой из пар характеристик:  λ, a или ρ, c. Но для возможности выполнения проверки и минимизации вероятности ошибки рекомендую заполнить значениями все 4 ячейки.

Вводим значения исходных данных в соответствующие ячейки листа Excel и считываем результат: нагрев воды от +13 °C до +22 °C в спокойном воздухе комнаты с постоянной температурой +24 °C   будет длиться 3 часа 25 минут.

Для справки в самом конце таблицы вычислено время нагрева без учета формы тела – 3 часа 3 минуты.

Алгоритм расчета:

  • 13.1. F=2·H·L+2·B·L+2·H·B – для параллелепипеда;
  • 13.2. F·D·
    L
    +2·π·D2/4 – для цилиндра;
  • 13.3. F=π·D2 – для шара.
  • 14.1. V=H·L·B – для параллелепипеда;
  • 14. 2. V=L·π·D2/4 – для цилиндра;
  • 14.3. V=π·D3/6 – для шара.
  • 15. G=
    ρ·V
  • 16.1 K=((π/H)2+(π/L)2+(π/B)2)-1 – для параллелепипеда;
  • 16.2 K=((2,405/(D/2))2+(π/L)2)-1 – для цилиндра;
  • 16. 3 K=((D/2)/π)2
    – для шара.
  • 17. m=a/K
  • 18. Bi=α·K·F/(λ·V)
  • 19. Ψ=(1+1,44·Bi+Bi2)-0,5
  • 20. M=Ψ·Bi
  • 21. mαλ=M·m
  • 22. m=Ψ·α·F/(c
    ·
    ρ·V)
  • 23. Δ=ABS (1-mαλ/m100
  • 24. t=(LN (ABS (tc-t1)) -LN (ABS (tc-t2))/mαλ
  • 25. tN=(LN (ABS (tc-t1)) -LN (ABS (tc-t2)))·c·ρ·V/(α·F)

Проверка расчета опытом.

Как не трудно догадаться такой несколько странный пример выбран не случайно, а для возможности проведения простого опыта и последующего сравнения результатов. Были взяты термометр, часы и произведены замеры температуры воды в банке в процессе нагревания. Результаты расчетов и опыта отражены на графиках.

Результаты проведенного опыта показали, что нагрев банки с водой от +13 °C до +22 °C в комнате (+24 °C) продолжался примерно 3 часа 20 минут. Это на 5 минут меньше расчетного времени по Кондратьеву и на 17 минут дольше времени по классическому закону Ньютона-Рихмана.

Близость результатов и радует, и удивляет. Но не стоит переоценивать полученные итоги! Время охлаждения (нагрева), вычисленное по предложенной программе расчета в Excel, можно использовать лишь для приблизительных оценок продолжительности процессов! Дело в том, что принятые в расчете константами теплофизические характеристики тела и коэффициент теплоотдачи таковыми на самом деле не являются. Они зависят от изменяющейся температуры! К тому же регулярный режим теплообмена устанавливается не сразу после помещения тела в среду, а спустя какое-то время.

Обратите внимание, что полученные из опыта значения температур банки с водой в течение первого часа расположены выше теоретической расчетной кривой (см. графики). Это означает, что коэффициент теплоотдачи в этом периоде времени был больше выбранного нами значения α=8,3 Вт/(м2·К).

Определим среднее значение α в первые 58 минут из результатов опыта. Для этого:

  • Запишем t2=17,5 °C в ячейку D6.
  • Активируем («встанем мышью») ячейку D28.
  • Выполним: Сервис – Подбор параметра.
  • И установим в D28 значение 58 минут, изменяя ячейку D3.

α=9,2 Вт/(м2·К)!!!

Проделав ту же процедуру для t2=22,5 °C и t=240 мин, получим α

=8,3 Вт/(м2·К).

Выбранное при теоретическом расчете значение α (по рекомендации СП 50.13330.2012 и формуле из Справочника по физике – см. примечание к ячейке D3) чудесным образом, хотя и совершенно случайно, совпало со значением α, вычисленным по опытным данным.

Рассмотренным способом можно определять реальные точные средние значения коэффициента теплоотдачи тел с любой формой поверхности по практическим замерам всего двух значений температуры тела и промежутка времени между этими замерами.

Остается добавить, что температура банки с водой после рассмотренных 4-х часов в последующее время будет асимптотически приближаться к 24 °C.

Прошу уважающих труд автора  скачивать файл с программой расчетов после подписки на анонсы статей!

Ссылка на скачивание файла: vremya-ohlazhdeniya (xls 55,5KB).

P.S.

Так сколько часов составит время охлаждения алюминиевой банки с пивом 0,45 л от +20 °C до +8 °C в  холодильнике (+3°C)? По расчету в программе – 2,2…2,4 часа. Опытом не проверял… 🙂

P.P.S.

Любопытный (возможно, только для меня) факт обнаружился при работе над статьей. И у куба с размером ребер a, и у цилиндра с диаметром а и длиной а, и у шара с диаметром а отношение объема к площади поверхности одинаковое: V/F=a/6!!!

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Расчет чиллера и его подбор.

Здесь вы найдете решение этого вопроса
Подробности

   Как правильно сделать расчет чиллера, на что в первую очередь надо полагаться чтобы, среди множества предложений, произвести качественный подбор чиллера?

   На этой странице мы дадим несколько рекомендаций, прислушавшись к которым вы приблизитесь к тому, чтобы сделать правильный выбор чиллера.

Расчет холодопроизводительности чиллера. Расчет мощности чиллера – его мощности охлаждения.

   В первую очередь по формуле расчет холодопроизводительности чиллера, в которой участвует объем охлаждаемой жидкости; изменение температуры жидкости, которое надо обеспечить охладителем; теплоемкость жидкости; ну и конечно время за которое этот объем жидкости надо охладить – определяется мощность охлаждения:

Формула охлаждения, т.е. формула вычисления необходимой холодопроизводительности:

Q = G*(Т1- Т2)*Cрж*pж / 3600

Q – холодопроизводительность, кВт/час

G – объёмный расход охлаждаемой жидкости, м3/час

Т2 – конечная температура охлаждаемой жидкости, оС

Т1 – начальная температура охлаждаемой жидкости, оС

Cрж -удельная теплоёмкость охлаждаемой жидкости, кДж/(кг* оС)

– плотность охлаждаемой жидкости,  кг/м3

* Для воды Cрж*pж = 4,2

По данной формуле определяется необходимая мощность охлаждения и она является основной при выборе чиллера.

  • Формулы пересчета размерностей чтобы рассчитать холодопроизводительность водоохладителя:

1 кВт = 860 кКал/час

1 кКал/час = 4,19 кДж

1 кВт = 3,4121 кБТУ/час

Подбор чиллера

   Для того, чтобы произвести подбор чиллера – очень важно выполнить правильное составление технического задания на расчет чиллера, в котором участвуют не только параметры самого водоохладителя, но и данные о его размещении и условии его совместной работы с потребителем. На основании выполненных вычислений можно – выбрать чиллер.

Не нужно забывать про то, в каком регионе Вы находитесь. Например, расчет для города Москва будет отличаться от расчета для города Мурманск так как максимальные температуры двух данных городов отличается.

   По таблицам параметров водоохлаждающих машин делаем первый выбор чиллера и знакомимся с его характеристиками. Далее, имея на руках основные характеристики выбранной машины, такие как: – холодопроизводительность чиллера, потребляемая им электрическая мощность, есть ли в его составе гидромодуль и его – подача и напор жидкости, объём проходящего через охладитель воздуха (который нагревается) в куб. метрах в секунду – Вы сможете проверить возможность установки охладителя воды на выделенной площадке. После того, как предполагаемый охладитель воды удовлетворит требованиям технического задания и вероятнее всего сможет работать на подготовленной для него площадке рекомендуем обратиться к специалистам, которые проверят Ваш выбор.

Выбор чиллера – особенности, которые надо предусмотреть при подборе чиллера.

   Основные требования к месту будущей установки охладителя воды и схемы его работы с потребителем:

  • Если запланированное место в помещении, то – возможно ли в нем обеспечить большой обмен воздуха, возможно ли в это помещение внести охладитель воды, возможно ли в нем будет его обслуживать ?
  • Если будущее размещение охладителя воды на улице – будет ли необходимость его работы в зимний период, возможно ли использование незамерзающих жидкостей, возможно ли обеспечить защиту охладителя воды от внешних воздействий (анти-вандальная, от листьев и веток деревьев, и т. д.) ?
  • Если температура жидкости, до которой её надо охлаждать ниже +6 оС или она выше + 15 оС – чаще всего такой диапазон температур не входит в таблицы быстрого выбора. В этом случае рекомендуем обратиться к нашим специалистам.
  • Следует определиться с расходом охлаждаемой воды и необходимым давлением, которое должен обеспечить гидромодуль охладителя воды – необходимое значение может отличаться от параметра выбранной машины.
  • Если температуру жидкости необходимо понизить более чем на 5 градусов, то схема прямого охлаждения жидкости водоохладителем не применяется и необходим расчет и комплектация дополнительным оборудованием.
  • Если охладитель будет использоваться круглосуточно и круглогодично, а конечная температура жидкости достаточно высока – на сколько целесообразно будет применение установки с фрикулингом?
  • В случае применения незамерзающих жидкостей высоких концентраций требуется дополнительный расчет производительности испарителя водоохладителя.

Программа подбора чиллера

   К сведению: программа подбора чиллера даёт только приближённое понимание о необходимой модели охладителя и соответствия его техническому заданию. Далее необходима проверка расчетов специалистом. При этом Вы можете ориентироваться на полученную в результате расчетов стоимость +/- 30% (в случаях с низкотемпературными моделями охладителей жидкости – указанная цифра ещё больше). Оптимальная модель и стоимость будут определены только после проверки расчетов и сопоставления характеристик разных моделей и производителей нашим специалистом.

Подбор чиллера ОнЛайн

   Вы можете сделать обратившись к нашему онлайн консультанту, который быстро и технически обоснованно даст ответ на Ваш вопрос. Также консультант может выполнить исходя из кратко написанных параметров технического задания расчет чиллера онлайн и дать приблизительно подходящую по параметрам модель.

   Расчеты, произведённые не специалистом часто приводят к тому, что выбранный водоохладитель не соответствует в полной мере ожидаемым результатам.

   Компания Питер Холод специализируется на комплексных решениях по обеспечению промышленных предприятий оборудованием, которое полностью удовлетворяет требования технического задания на поставку системы водоохлаждения. Мы производим сбор информации для наполнения технического задания, расчет холодопроизводительности чиллера, определение оптимально подходящего охладителя воды, проверку с выдачей рекомендаций по его установке на выделенной площадке, расчет и комплектацию всех дополнительных элементов для работы машины в системе с потребителем (расчет бака аккумулятора, гидромодуля, дополнительных, при необходимости теплообменников, трубопроводов и запирающей и регулирующей арматуры).

   Накопив многолетний опыт расчетов и последующих внедрений систем охлаждения воды на различные предприятия мы обладаем знаниями, по решению любых стандартных и далеко не стандартных задач связанных с многочисленными особенностями установки на предприятие охладителей жидкости, объединения их с технологическими линиями, настройке специфических параметров работы оборудования.

   Самым оптимальный и точный расчет мощности чиллера и соответственно определение модели водоохладителя можно сделать очень быстро, позвонив или послав заявку инженеру нашей компании. 

Дополнительные формулы для расчета чиллера и определения схемы его подключения к потребителю холодной воды (расчет мощности чиллера) 

  • Формула расчёта температуры, при смешении 2-х жидкостей (формула смешения жидкостей):

Тсмеш = (М1*С1*Т1+М2*С2*Т2) / (С1*M1+С2*М2)

Тсмеш – температура смешанной жидкости, оС

М1 – масса 1-ой жидкости, кг

C1 – удельная теплоёмкость 1-ой жидкости, кДж/(кг* оС)

Т1 – температура 1-ой жидкости, оС

М2 – масса 2-ой жидкости, кг

C2 – удельная теплоёмкость 2-ой жидкости, кДж/(кг* оС)

Т2 – температура 2-ой жидкости, оС

Данная формула используется, если применяется аккумулирующая емкость в системе охлаждения, нагрузка непостоянна по времени и температуре (чаще всего при расчете необходимой мощности охлаждения автоклав и реакторов)

Мощность охлаждения чиллера.

Москва ….. Воронеж ….. Белгород ….. Нижневартовск ….. Новороссийск …..
Екатеринбург ….. в Ростове-на-Дону ….. Смоленск ….. Киров ….. Ханты-Мансийск …..
Ростов-на-Дону ….. Пенза ….. Владимир ….. Астрахань ….. Брянск …..
Казань ….. Самара ….. Набережные Челны ….. Рязань ….. Нижний Тагил …..
Краснодар ….. Тольятти ….. Чебоксары ….. Волжский ….. Нижегородская область …..
Нижний Новгород ….. Ростов на Дону . …. Саратов ….. Сургут ….. Краснодарский край …..
в Ростове на Дону ….. Оренбург ….. Калуга ….. Ульяновск ….. Томск …..
Волгоград ….. Тверь ….. Марий Эл ….. Тюмень ….. Омск …..
Уфа ….. Сочи ….. Ярославль ….. Орел ….. Новгородская область …..

Установки индукционного нагрева, ТВЧ установки, кузнечные и закалочные комплексы :: Вопросы водоподготовки :: Заказ по телефону +7-499-6413840

Технология индукционного нагрева интересна тем, что способно сконцентрировать высокую мощность (выделение энергии) в небольшом объеме. Однако, всякая концентрация требует усиленной утилизации тепла. По этому практически все установки индукционного нагрева, несмотря на высокий КПД имеют водяное охлаждение, так как вода имеет высокую теплоемкость и низкую стоимость.

Качество воды

Установки индукционного нагрева производимые компанией Амбит не требуют специальной, дистиллированной воды, так как вода не взаимодействует непосредственно с силовыми элементами, а минимальный внутренний диаметр трубок используемых при производстве не менее 9мм.

Достаточно использовать обычную водопроводную воду.

Нагрев воды не превышает 70°С поэтому не возникает накипи внутри системы охлаждения оборудования.

Не рекомендуется

Не рекомендуется применять ржавую воду так как ржавчина со временем создает проводящий слой в рукавах.

Так как системы водоподготовки довольно громоздки, часто дорогостоящие. Наши клиенты решают задачу водоподготовки самостоятельно. Это возможно с использованием распространенных узлов, бак, насос, трубы, радиатор, вентелятор, чиллер, градирня.

Расчет отводимой мощности

Тепловые потери при индукционном нагреве (те которые следует утилизировать) складываются из следующих потерь:

  1. Потри в преобразователе частоты ориентировочно 2% от мощности нагрева.
  2. Потери в трансформаторе.
  3. Потери в индукторе электрические.
  4. Поглощение индуктором тепловой энергии от нагреваемого тела.

Максимальные потри в преобразователе частоты можно упрощенно принять 2% от максимальной установленной мощности, таким образом для IHM 30-8-50 они составят 30000Вт*0,02=600Вт.

Потри в трансформаторе и в индукторе сильно зависят от частоты и тока развиваемого в индукторе, чаще всего от 10% максимальной установленной мощности. Ориентировочно определить потери можно включив установку с пустым индуктором, установив регулятором максимальную мощность, та выходная мощность которую покажет установка и будет мощностью потерь в трансформаторе и индукторе. При просмотре видео фильмов работы оборудования видна мощность нагрева с пустым (без детали) индуктора, это и есть потри в индукторе и трансформаторе. Для IHM 30-8-50 примим данные потри 3кВт.

Для минимизации поглощения тепловой энергии от нагреваемого тела индуктор следует теплоизолировать, в связи с тем, что расчет крайне сложен, данные потери не рассматриваются.

Часто оборудование работает в прерывистом режиме, например при пайки резцов оператор устанавливает резец в течении 15сек, нажимает педаль включения нагрева паяет резец 20сек, выключает нагрев и убирает резец в песок еще 5 секунд, таким образом оборудование работает всего 20сек из цикла 40сек, ПВ 50%, следовательно получившиеся потери необходимо умножить на 0,5.

В результате получаем (3кВт+0,6кВт) *0,5= 1,8кВт, эта мощность будет нагревать воду в системе охлаждения.

Расчет температуры нагрева воды

Предположим, что для охлаждения установки индукционного нагрева применяется вода из теплоизолированной емкости объемом 100литров, с начальной температурой 20°С.

Определить на сколько нагреется вода можно пользуясь стандартными физическими формулами расчета мощности как скорости изменения энергии, c=Q/(m ΔT), где  с – удельная теплоёмкость воды, равна 4183 Дж•кг−1•K−1;Q – количество теплоты, полученное веществом при нагреве, Дж; m — масса воды, кг; ΔT — разность конечной и начальной температур воды.

При этом Q=P*t, где t время нагрева, сек.

Таким образом, в течении часа при воздействии мощности P, вода в объеме 100 литров нагреется на температуру:

ΔT=(P*t)/cm,

ΔT=(1800*3600) / (100*4183)=15,49°С.

При начальной температуре 20°С, через 1 час работы вода будет 35°С, при этом для установки IHM 30-8-50 допустима температура 40°С.

Если масса воды будет 1000кг (1м3) вода нагреется, за час работы на 1,55°С.

Охлаждение воды

При организации замкнутого контура водоохлаждения тепловую энергию, получаемую при охлаждении установки индукционного нагрева, необходимо утилизировать (для поддерживания температуры необходимой температуры охлаждающей жидкости). Проще всего передать тепловую энергию окружающей среде, в воздух.

В редких случая достаточно изготовить большую стальную емкость, при этом передача тепловой энергии будет производится через стенки этой емкости.

Для усиления эффекта можно в линию возврата нагретой воды поставить радиатор с принудительным охлаждением, мощность теплового рассеивания для этих устройств указываются в паспортных данных.

 

Рис. – Схема охлаждения ТВЧ установки, с использованием теплообменника

Рис. – Пример теплообменника для установки индукционного нагрева, ТВЧ установки

Рис. – Станция водоохлаждения СВО 2,5 компании Амбит

При высокоинтенсивных потерях необходимо применять градирни либо чиллеры, мощность теплового рассеивания для этих устройств указываются в паспортных данных.

Градирни значительно дешевле чиллеров, однако при использовании градирни происходит потеря воды, необходима подпитка.

 

Рис. – Схема охлаждения ТВЧ установки, с использованием градирни

Подача воды

Подачу воды в установку индукционного нагрева следует осуществлять насосом создающим давление до 6атм, рекомендуем поверхностный центробежный насос мощностью от 370 до 550Вт.

Рис. – Внешний вид рекомендуемых насосов

Забор воды из емкости производить на высоте 20-30см от дна, для исключения попадания сора.

В линию подачи воды рекомендуем поставить фильтр грубой очистки, что позволит исключить засор системы охлаждения ТВЧ установки типа IHM и индукторов.

Рис. – Пример фильтра грубой очистки для применения в системе охлаждения установки индукционного нагрва, ТВЧ установки

Остывание воды. Расчет количества теплоты при охлаждении и нагревании

Цель урока: дать представление об измерениях, проводимых с помощью термометра, выявить особенности остывания воды, используя метод научного познания, закрепить умение решению задач на расчёт количества теплоты.

Задачи урока.

Образовательные:

знания: учащиеся должны из опыта сделать выводы о зависимости остывания воды от разности температуры воды и окружающей среды.

умения: провести самостоятельное исследование, оформить результаты исследования в виде графика, самостоятельное решение задач на расчёт количества теплоты

Развивающие: развитие речи, восприятия внешнего мира, способность наблюдать, выдвигать гипотезы, строить план эксперимента

Воспитательные: работа в парах, требования техники безопасности при проведении эксперимента.

Основная дидактическая цель – формирование умений: наблюдать, анализировать, сравнивать, обобщать.

- закрепление умения решения задач

Форма урока – лабораторная работа

– решение задач

Основное содержание – лабораторная работа № 1 “Исследование изменения температуры остывающей воды со временем”

– решение задач на расчёт количества теплоты (рабочая тетрадь к учебнику)

Оборудование для лабораторной работы: калориметры – 10, термометры – 10, чайник с горячей водой, калориметр -1, железный стакан калориметра – 1, термометры – 2
ИКТ к уроку – презентация

Раскрытие содержания этапов урока

I. Организационный

Какие явления мы изучаем? (Тепловые)

Запишите в тетради тему урока.Остывание воды.

Расчёт количества теплоты при охлаждении и нагревании”.

На уроке вы познакомитесь с первой лабораторной работой по тепловым явлениям, и закрепим умения по решению задач на расчёт количества теплоты при охлаждении и нагревании.

II. Изучение нового материала

1. Актуализация знаний.

На экране слайды презентации урока.

Учитель Ученик
1. Что характеризует физическая величина – температура?

2. Какая величина одинакова у тел в состоянии теплового равновесия?

3. Какую систему можно назвать теплоизолированной?

4. Назовите единицы измерения температуры.

5.В чём заключается процесс измерения температуры?

6. Какое явление лежит в принципе работы термометра?

7. Из приведённого ниже списка укажите прибор, не имеющий отношения к тепловым процессам

1. Термометр.
2. Спидометр.
3. Калориметр.
4. Термос

8. Стр. 287 учебника найдите сведения об устройстве калориметра

9. Объект, с которым мы будем работать- вода.

Назовите причину широкого использования воды в системах отопления

низкая теплопроводность

высокая теплопроводность

низкая удельная теплоемкость

высокая удельная теплоемкость

Назовите причину широкого использования воды в системах охлаждения

низкая теплопроводность

высокая теплопроводность

низкая удельная теплоемкость

высокая удельная теплоемкость

Какая из физических величин измеряется в Дж/кг•°С?

Теплоёмкость

Удельная теплоёмкость

Удельная теплота парообразования

Удельная теплота плавления

10. Удельная теплоёмкость воды – 4200 Дж/кг•°С

11. При остывании горячей воды у её молекул

1) увеличилась кинетическая энергия

2) уменьшилась кинетическая энергия

3) увеличилась потенциальная энергия

4) уменьшилась потенциальная энергия

Вода – удивительное вещество в природе.

Имеет самую большую удельную теплоёмкость.

Имеет плотность наибольшую при температуре + 4°С.

На уроке мы исследуем особенности остывания воды.

Ответы с использованием

Стр. 55-57 учебника

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Что такое калориметр?

Стр. 287 учебника

 

 

 

 

 

 

2. Техника безопасности при проведении лабораторной работы.

Изучение правила измерения температуры лабораторным жидкостным термометром.

1. Термометр привести в соприкосновение с телом, температуру которого следует измерить. С термометром обращаться бережно. Не встряхивать!
2. Выждать, пока показания термометра перестанут изменяться, то есть температура термометра сравняется с температурой исследуемого тела.
3. Произвести отсчет по шкале термометра. Все это время контакт термометра с телом следует сохранять.
4. Убрать термометр в футляр. Если измерялась температура жидкости, то термометр нужно предварительно вытереть.

Инструктаж и запись в журнале.

3. Лабораторная работа № 1. “Исследование изменения температуры остывающей воды во времени”.

Записи в тетради для лабораторной работы.

Цели работы: установить зависимость изменения температуры от разности температур воды и окружающей среды

Оборудование: калориметр, термометр, горячая вода.

Выполнение.

1. Определяю цену делений шкалы термометра. Ц.д. =

Температура воздуха в комнате…

2. Произвожу измерение температуры воды через каждые 5минут. Измеренные значения заношу в таблицу.

Таблица 1. Результаты измерений

Время в мин 0 5 10 15 20
Температура воды в калориметре в °С          

3. По данным таблицы построить график зависимости температуры остывающей воды от времени. Выбираю масштабы по осям: 1 клетка – 1 минута; 5 клеток – 10 градусов Цельсия.

График 1. Зависимость температуры остывающей воды от времени.

4. Анализ данных графика

Подсчитать скорость изменения температуры воды на этапах:

Этап 0-5 мин. Скорость остывания

Этап 5-10 мин. Скорость остывания

Этап 10-15 мин. Скорость остывания

Этап 15-20 мин. Скорость остывания

5. Выводы. Скорость изменения температуры воды уменьшается с течением времени.

Объясните, почему так происходит. Обсуждение объяснений учащихся.

III. Закрепление.

Олимпиадные задачи из рекомендации МИОО.

У Кати и Маши в чашках горячий кофе. Катя сразу добавила в него холодное молоко и подождала 5 минут, чтобы напиток остыл.

Маша подождала 5 минут и добавила холодное молоко.

Одинаковой ли температуры оказались напитки у девочек?

Масса и начальная температура напитков у девочек одинаковы. Чашки одинаковы, и находятся на одинаковом столе.

Ответ. У Маши в чашке оказался более холодный напиток. Теплообмен шёл интенсивнее, так как в течение 5 минут разность температур кофе и окружающего воздуха была больше, чем у Катиной кружки и воздуха

Задачи на закрепление.

  1. Как рассчитать количество теплоты, отданное водой при охлаждении? При нагревании?
  2. Рассчитайте, какое количество теплоты отдала вода массой 1,5 кг при остывании от 70°С до комнатной температуры? На сколько градусов нагрелся воздух в комнате, если бы всё количество теплоты, отданное водой пошло на его нагревание?
  3. Работа с таблицей 2 стр. 64. Какая ложка – из алюминия или из меди нагреется больше при сообщении ложкам одинакового количества теплоты?
  4. Задачи из рабочей тетради стр. 33 № 6 и № 7.

Рефлексия.

Задачи 10-11 из рабочей тетради.

Домашнее задание § 14 , упр. стр. 67 № 1-3, индивид.: Из сб. Кирик – высокий уровень.

Итоги урока. Оценки.

РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ЧИЛЛЕРА. КАЛЬКУЛЯТОР ХОЛОДОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОНЛАЙН

Холодопроизводительность чиллера и любой холодильной установки охлаждения жидкости сильно зависит от температуры, до которой необходимо охлаждать жидкость. Чем выше конечная температура жидкости, тем выше холодопроизводительность. Это связано с тем, что хладагент способен отобрать больше тепла у жидкости, при более высокой температуре кипения.

Для расчета необходимой мощности чиллера Вы можете воспользоваться нашим онлайн калькулятором расчета требуемой мощности охлаждения чиллера.  

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!

Рекомендуемое значение разности температур на чиллере составляет 3-5 °С. При необходимости большей разницы используют промежуточную емкости или теплообменник.

Справочные данные по теплофизическим свойства жидкостей.

Удельная теплоемкость и плотность жидкостей.

Удельной теплоемкостью вещества называется отношение количества тепла, сообщенного единице массы этого вещества в каком-либо процессе, к соответствующему изменению его температуры.

Удельная теплоемкость веществ зависит от их химического состава, термодинамического состояния и способа сообщения им тепла. В Международной системе единиц эта величина измеряется в Дж/(кг·К).

Жидкость (%, объемная доля) Теплоемкость, кДж/(кг*К) Плотность, кг/м3 Температура
Вода 4,19 1000 при t=20°С
20% раствор этиленгликоля 3,87 1036  при t=0°С
34% раствор этиленгликоля 3,56 1063 при t=0°С
40% раствор этиленгликоля 3,43 1070 при t=0°С
45% раствор этиленгликоля

3,34

 1074

 при t=-10°С
52% раствор этиленгликоля 3,19  1092 при t=0°С
25% раствор пропиленгликоля

3,95 

1030

при t=0°С
38% раствор пропиленгликоля 3,72 

1045

при t=0°С

Этиленгликоль C2H4(ОН)– совершенно прозрачная жидкость. Бесцветное вязкое вещество, лишено запаха. Токсичен. Респираторное отравление сопровождается сладковатым привкусом. Используется там, где его утечка не будет опасной для людей, животных и продовольственных товаров. Он значительно дешевле пропиленгликоля и потери на трение намного ниже при низких температурах, чем у пропиленгликоля. Раствор этиленгликоля нашел применение в тепловых насосах, отопительных контурах. Так же он используется в кондиционировании воздуха, и в холодильных установках. 

Пропиленгликоль С3Н6 (ОH)2 – бесцветная вязкая жидкость со слабым характерным запахом, сладковатым вкусом, обладающая гигроскопическими свойствами. Нетоксичен, поэтому находит также применение в пищевой промышленности (в качестве пищевых добавок).

Пропилен гликоль и этилен гликоль имеют молекулярный размер меньший, чем у чистой воды. Это свойство может привести к образованию утечек в уплотнениях и требует более внимательного подхода к выбору насоса.  Стандартные насосы рассчитаны на воду и на содержание гликоля 20-30%. В случае необходимости использования гликолей более высокой концентрации необходимо использовать специальные гликолевые насосы. 

Таблица удельной теплоемкости жидкостей

В таблице ниже представлены значения удельной теплоемкости Cp распространенных жидкостей при температуре 10…25°С и нормальном атмосферном давлении.

Таблица удельной теплоемкости жидкостей

Жидкости Cp, Дж/(кг·К)
Азотная кислота (100%-ная) NH3 1720
Вода H2O 4182
Вода морская 3936
Вода тяжелая D2O 4208
Водка (40% об.) 3965
Водный раствор хлорида натрия (25%-ный) 3300
Глицерин C3H5(OH)3 2430
Кефир 3770
Масло АМГ-10 1840
Масло ВМ-4 1480
Масло касторовое 2219
Масло кукурузное 1733
Масло МС-20 2030
Масло подсолнечное рафинированное 1775
Масло трансформаторное 1680
Масло хлопковое рафинированное 1737
Молоко сгущенное с сахаром 3936
Молоко цельное 3906
Пиво 3940
Сливки (35% жирности) 3517
Сок виноградный 2800…3690
Спирт метиловый (метанол) CH3OH 2470
Спирт этиловый (этанол) C2H5OH 2470
Сыворотка молочная 4082
Толуол C7H8 1130
Топливо дизельное (солярка) 2010
Эфир этиловый C4H10O 2340

Теплофизические характеристики чистых сахарных растворов

Таблица теплофизических свойств чистых сахарных растворов (концентрация сахара от 20 до 60%) в зависимости от температуры (интервал температуры от 50 до 80ºС).
Представлены следующие теплофизические свойства сахарного раствора:

  • теплопроводность;
  • удельная (массовая) теплоемкость;
  • кинематическая вязкость;
  • Число Прандтля.

 

Техническая информация о компенсаторах

Охлаждающий пруд (охладительный пруд) или пруд-охладитель – естественный или искусственный открытый водоем, служащий для охлаждения нагретой циркуляционной воды в системах оборотного водоснабжения ТЭС или промышленного предпри­ятия. Вода охлаждается в пруде-охладителе главным образом вследствие испарения и конвективной теплоотдачи (вода – воздух). Температура охлажденной воды зависит от метеорологических условий (температуры и влажности атмосферного воздуха, общей облачности и скорости ветра) и температуры поступающей нагретой воды.

Пруды-охладители сравнительно просты в эксплуатации, они могут обеспечить в течение большей части года (особенно в зимний период) более низкую температуру во­ды, чем другие охладители (бассейны брызгальные, градирни). Наличие пруда-охладителя исключает необходимость подачи воды на значительную высоту (как, например, в градирнях), что сокращает расход электроэнергии на привод циркуляционных насосов Недостаток прудов-охладителей – сравнительно низкая удельная теплоотдача с его поверхности, требующая создания значительной площади зеркала пруда. Для устройства прудов-охладителей используются поймы рек, перекрываемые плотинами, а также озера и участки вне водотоков, ограждаемые дамбами.

Водохранилища-охладители надлежит применять при невысоких требованиях к эффекту охлаждения воды, наличии свободных малоценных земельных площадей вблизи предприятий, наличии естественных водоемов или искусственных водохранилищ.

Глубина водохранилищ-охладителей при летних уровнях воды должна быть не ме­нее 3,5 м на 80% площади зоны циркуляции водохранилища. Следует предусматривать мероприятия по ликвидации мелководий, удалению всплывающего торфа, а также обес­печению требуемого качества воды.

Плотины, дамбы, водосбросы, водовыпуски и каналы для водохранилищ-охладителей надлежит проектировать по нормативным документам на проектирование гидротех­нических сооружений.

Водохозяйственные расчеты водохранилищ-охладителей надлежит выполнять ана­логично водохозяйственным расчетам водохранилищ с учетом потерь на дополнитель­ные испарения.

Коэффициенты использования водохранилищ-охладителей должны определяться по аналогам на основании модельных лабораторных исследований, а при расширении предприятий – на основании натурных исследований.

Расположение и конструкции водозаборных и водовыпускных сооружений, а также сооружений, повышающих охлаждение воды (струераспределительные сооружения, струенаправляющие дамбы), необходимо принимать с учетом ветрового влияния, гид­рологических особенностей водоемов (стоковых, ветровых, плотностных и других тече­ний), а также возможностей использования и создания вертикальной циркуляции ох­лаждаемой воды.

С целью снижения температуры, повышения качества забираемой воды и защиты рыб­ной молоди следует рассматривать целесообразность устройства глубинных водозаборов.

Для водохранилищ-охладителей с притоком свежей воды следует предусматривать сброс части отработавшей воды в нижний бьеф водохранилища.

При проектировании водохранилищ надлежит предусматривать мероприятия по подгонке их ложа (расчистка от деревьев, кустарников). Состав и объем мероприятий определяются в каждом конкретном случае.

Для предотвращения размыва берегов водохранилища-охладителя и его заиления должны предусматриваться: укрепление берегов, организация стока поверхностных вод, устройство в устьях оврагов дамб, установление запретных зон запашки, травосея­ние, насаждение кустарника на склонах водохранилища.

При заболачивании прилегающих к водохранилищу территорий необходимо преду­сматривать мелиоративные мероприятия.

Для уменьшения концентраций солей в воде водохранилища в случае необходимо­сти надлежит предусматривать устройство сброса воды из нижних слоев водохранили­ща и подачу воды из других водотоков.

Охлаждение нагретого потока воды в прудах-охладителях происходит за счет теп­лоотдачи с площади зеркала пруда. В качестве прудов-охладителей используются искус­ственные или естественные водоемы.

Охлаждение воды происходит при движении ее от места выпуска до места водоза­бора, но не весь пруд участвует в охлаждении. Величина активной зоны пруда меньше площади зеркала пруда.

Активная площадь пруда, участвующая в охлаждении, определяется по следующей формуле

Fакт=Fтр + α*Fвод

Где Fтр – площадь, занятая транзитным потоком, м; Fвод – пл-дь водоворотных зон ; α – коэффициент, учитывающий охлаждающую способность водоворотных юн, смежных с транзитным потоком, α = 0,1 – 0,5.

Отношение площади активной зоны к площади зеркала пруда называется коэффициентом использования площади пруда

KH=Fакт/F;

Оптимальной является вытянутая форма пруда с плавным очертанием берегом и рассеивающим выпуском.

Для увеличения коэффициента использования площади пруда применяются рассеивающие выпуски и другие струераспределительные сооружения, водосборные гале­реи, применяются струенаправляющие дамбы. Чаще всего применяются струенаправляющие дамбы, смысл которых заключается в удлинении пути движения воды и устране­нии водоворотных зон.

Расчет прудов-охладителей состоит из гидравлического и теплового расчетов.

Гидравлический расчет заключается в определении плана течения распределении температур по глубине пруда, объемов транзитных и водоворотных зон, степени их участия в процессах теплообмена, определении коэффициента использования площади пруда.

Удельная площадь активной зоны пруда-охладителя определяется по формулe

wуд=Qсут/Fакт, м23 * cут

Qсут -суточный расход охлаждаемой воды, м3/сут; Faкт– площадь активной зоны пруда-охладителя, м2.

Тепловой расчет состоит в определении температуры охлаждения воды при извеа ной площади и конфигурации пруда или в определении необходимой площади активной зоны пруда, обеспечивающей получение заданной температуры в месте водозабора.

Расчет производится для наиболее неблагоприятной по метеорологическим условиям для охлаждения воды декады наиболее жаркого месяца. Для расчета используется уравнение теплового баланса для пруда-охладителя.

Q1Ct1+ QpCtp – Q2Ct2 + Qc6pCtc6p = Faкm[ac(кtcp– T) + β(eт – e) – R],

где Q1Ct1 – количество тепла, поступающее в пруд-охладитель с нагретой водой, ккал/сут; QPCtP– количество тепла, приносимого с речной водой, ккал/сут; Q2Ct2 – количество тепла, забираемого из пруда-охладителя с охлажденной водой, ккал/сут; Qc6pCtc6p– количество тепла, сбрасываемого из пруда-охладителя, ккал/cyт, [ac(кtcp– T)- количество тепла, отдаваемого поверхностью за счет сопротивления, ккал/м2 сут; β(eт – e) – количество тепла, отдаваемого поверхностью пруда за счет испарения, ккал/м2 сут; к – коэффициент, учитывающий неравномерность распределении температур воды по глубине пруда; eт  – средняя температура активной юны пруда охладителя, °С; К – радиационный баланс, ккал/м2,сут; Faкm – площадь активной зоны пру­да-охладителя, м2.

Значение коэффициентов ас и β определяют по зависимостям:

αс= 0,11 (1 + 0,135 w),  ккал/м2 сут мм вод. ст.

β = 0,231 (1 +0,135 w)  ккал/м2 сут мм вод. ст.,

Из уравнения теплового баланса определяется температура tcp воды в пределах ак­тивной зоны пруда-охладителя. Температура охлажденной воды tу водозабора находит­ся из выражения

где t и t2–  температура сбрасываемой в пруд-охладитель нагретой и забираемой охлаж­денной воды, С; te– естественная температура на поверхности пруда-охладителя без учета подогрева ее теплом нагретой воды, °С.

Температура te– принимается по аналогии с температурой воды естественных во­доемов, расположенных в районе проектируемого пруда-охладителя, или определяется расчетом по уравнению

αc(Kte-Т) + β(еТ-e)-R=0.

К достоинствам прудов-охладителей следует отнести:

  • возможность получения в течение значительной части года более низких тем­ператур охлажденной воды, чем на брыз­гальных бассейнах и градирнях;
  • отсутствие напора на сбросе;
  • простоту устройства.

Недостатками прудов-охладителей являются:

  • сложность эксплуатации, связанная с заилением, зарастанием прудов и цветением воды в них; при глубине прудов более 4 м цветение и зарастанием прудов проявляются в меньшей степени;
  • необходимость больших площадей из-за малой гидравлической нагрузки и значи­тельные капитальные затраты на строительство;
  • нежелательные экологические последствия, связанные с повышением уровня грунтовых вод, приводящие к изменению флоры и фауны, и также усложнению и удоро­жанию строительства промышленных и гражданских объектов в зонах подтопления.

Пруды-охладители целесообразно применять при расположении предприятия вблизи естественных водоемов или рек, на которых имеются благоприятные условия для создания водохранилищ или уже существующие водохранилища.

Вернуться к списку

Проектная работа “Исследование зависимости скорости остывания жидкости от формы, размера и цвета сосуда”

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Верхне-Матигорская средняя школа»

Школьные Ломоносовские чтения

Исследовательская работа на тему

«Исследование влияния формы, размера и цвета сосуда на скорость остывания воды»

Подготовила ученица 8Б класса

Прокопьева Юлия

Руководитель: учитель физики

Короткая Ксения Алексеевна

2020 год

Оглавление

Введение……………………………………………………………………. 3

1 Способы тепловой потери………………….……………………………4

1.1 Теплопроводность……………………………………………….4

1.2 Конвекция………………………………………………………..4

1.3 Излучение…………………………………………………………5

1.4 Испарение…………………………………………………………5

2 Исследование зависимости скорости остывания воды…………………7

2.1 Исследование зависимости скорости остывания воды от размера сосуда………………………………………………………………8

2.2 Исследование зависимости скорости остывания воды от формы сосуда……………………………………………………………….9

2.3 Исследование зависимости скорости остывания воды от цвета сосуда………………….……………………………………………………10

Заключение………………………………………………………………..12

Список использованных источников……………………………………13

Приложение 1……………………………………………………………..14

Приложение 2……………………………………………………………. .15

Приложение 3……………………………………………………………..16

Введение

Бывают такие случаи, когда нальешь себе чай, сядешь за компьютер, отвлечешься на минуту, а чай уже остыл. На уроках физики мы проходили различные способы тепловых потерь, и мне стало интересно, будут ли зависеть эти потери от различных факторов, и можно ли подобрать идеальную кружку для чая?

Цель: Исследовать зависимость скорости остывания воды от различных факторов.

Задачи:

1. Изучить возможные способы тепловых потерь в жидкости.

2. Исследовать зависимость скорости остывания воды от размера сосуда.

3. Исследовать зависимость скорости остывания воды от формы сосуда.

4. Исследовать зависимость скорости остывания воды от цвета сосуда.

5. Сделать вывод о том, в каком из сосудов вода будет дольше сохранять тепло.

1 Способы тепловой потери

Для того, чтобы понять, каким образом теряет тепло жидкость в открытом сосуде, необходимо рассмотреть все возможные способы тепловых потерь. Внутренняя энергия жидкости может быть изменена путем совершения работы при переходе в другое агрегатное состояние или теплопередачей, которая может совершаться посредством теплопроводности, конвекции и излучения. В случае с остыванием жидкости в открытом сосуде происходит процесс перехода в газообразное состояние – испарение, а также различные виды теплопередачи.

1.1 Теплопроводность

Теплопроводностью называется способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью называется также явление передачи тепла от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

Различные вещества имеют разную теплопроводность. Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур.

1.2 Конвекция

Конвекцией называется вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками самого вещества. Существует так называемая естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова.

Конвекция в жидкостях или газах может происходить не только при нагреве вещества снизу. При неравномерном остывании жидкости в сосуде более теплые слои стремятся наверх, перемешиваясь с более холодными слоями, что также способствует потере тепла жидкостью.

1.3 Излучение

Излучением называется процесс теплопередачи при помощи электромагнитных волн. Эти волны возбуждаются электрическими зарядами, которые движутся с ускорением. На микроскопическом уровне при увеличении температуры объектов, частицы, из которых состоят эти объекты, начинают колебаться все сильнее и сильнее, вызывая все большее ускорение электрических зарядов. Все тела излучают энергию, которая поглощается или отражается другими телами, находящимися вокруг.

Окружающие нас тела поглощают излучение по-разному. Тела черного цвета поглощают все электромагнитные волны, попадающие на поверхность, а тела белого цвета наоборот, отражают эти волны. Это показывает, что тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.

1.4 Испарение

Испарением называется процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). При испарении с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом их кинетическая энергия должна быть достаточна для совершения работы, необходимой для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости. В результате испарения общая кинетическая энергия молекул жидкости снижается, из-за чего понижается температура жидкости. Испарение зависит от рода жидкости, от её температуры, от площади поверхности и от некоторых внешних факторов.

2 Исследование зависимости скорости остывания воды

Для исследования зависимости скорости остывания воды от различных факторов были использованы ёмкости различной формы, объема и цвета (Рисунок 1). В каждую из ёмкостей была налита вода температурой примерно 100 ⁰С (только что вскипевший чайник). При помощи датчика температуры, измерительного блока и специальной программы-лаборатории L-Micro были записаны данные о температуре воды за 5 минут с промежутком в 0,1 секунды (Рисунок 2). Данные для каждого из исследований в виде графиков и таблиц представлены ниже.

Рисунок 1 – Ёмкости, используемые в исследовании

Рисунок 2 – Работа с датчиком температуры

2.1 Исследование зависимости скорости остывания воды от размера сосуда

Для исследования зависимости скорости остывания воды от размера сосуда были использованы два сосуда из одинакового материала, в данном случае из стекла (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Два сосуда разного размера

В таблице 1 приведены значения максимальной температуры воды, температуры, до которой вода охладилась и время, за которое произошел данный процесс. Была посчитана разница начальной и конечной температур, а также найдена средняя скорость остывания воды.

Таблица 1 – Зависимость скорости остывания воды от размера сосуда

Максимальная температура

tmax, ⁰C

Минимальная температура

tmin, ⁰C

Разница температур

∆t, ⁰C

Время остывания

t, c

Средняя скорость остывания

vср, ⁰C/c

Большой сосуд

82,556

70,274

12,282

278,9

0,044

Малый сосуд

83,306

68,915

14,391

278,8

0,052

Для наглядности был построен график зависимости температуры от времени для двух сосудов (Приложение 1). В данном случае основным процессом теплопередачи является теплопроводность, а также большую роль играет испарение. Тогда, скорость остывания будет больше в том случае, когда меньше отношение массы воды к площади поверхности теплопередачи и испарения. Сосуды были выбраны таким образом, чтобы они были подобными фигурами, значит, отношение массы к площади будет пропорционально линейному размеру сосуда. Следовательно, быстрее остынет вода в малом сосуде, что подтвердилось на практике (0,052 0,044).

2.2 Исследование зависимости скорости остывания воды от формы сосуда

Для исследования зависимости скорости остывания воды от формы сосуда были использованы два сосуда одинакового цвета и материала, но разной формы (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Два сосуда разной формы

В таблице 2 приведены значения максимальной температуры воды, температуры, до которой вода охладилась и время, за которое произошел данный процесс. Была посчитана разница начальной и конечной температур, а также найдена средняя скорость остывания воды.

Таблица 2 – Зависимость скорости остывания воды от формы сосуда

Максимальная температура

tmax, ⁰C

Минимальная температура

tmin, ⁰C

Разница температур

∆t, ⁰C

Время остывания

t, c

Средняя скорость остывания

vср, ⁰C/c

Большая площадь

77,811

61,76

16,051

289,7

0,055

Малая площадь

82,63

74,772

7,858

279,8

0,028

Для наглядности был построен график зависимости температуры от времени для двух сосудов (Приложение 2). Для данных сосудов главную роль при тепловых потерях играет испарение. Скорость испарения больше в том случае, когда больше площадь поверхности испарения, что наглядно показано на опыте – скорости испарения отличаются почти в два раза (0,055 0,028).

2.3 Исследование зависимости скорости остывания воды от цвета сосуда

Для исследования зависимости скорости остывания воды от формы сосуда были использованы два сосуда одинаковой формы и размера, но разного цвета (Рисунок 5).

Рисунок 5 – Два сосуда разного цвета

В таблице 3 приведены значения максимальной температуры воды, температуры, до которой вода охладилась и время, за которое произошел данный процесс. Была посчитана разница начальной и конечной температур, а также найдена средняя скорость остывания воды.

Таблица 3 – Зависимость скорости остывания воды от формы сосуда

Максимальная температура

tmax, ⁰C

Минимальная температура

tmin, ⁰C

Разница температур

∆t, ⁰C

Время остывания

t, c

Средняя скорость остывания

vср, ⁰C/c

Тёмный сосуд

83,506

74,57

8,936

283,1

0,031

Светлый сосуд

82,63

74,772

7,858

279,8

0,028

Для наглядности был построен график зависимости температуры от времени для двух сосудов (Приложение 3). Для данных сосудов большую роль при тепловых потерях играет испарение, но так как площади испарения и площади телопроводности практически одинаковы, скорость остывания воды будет зависеть от потери тепла при конвекции. При конвекции темные тела поглощают тепло, а светлые – отражают его, что подтвердилось на опыте (0,031 0,028).

Заключение

В ходе проведения данной работы были изучены такие способы потери тепла жидкостью как теплопроводность, конвекция, излучение и испарение. Уменьшить теплопроводность можно только при использовании материалов с низким коэффициентом теплопроводности, либо при использовании прослойки в виде такого материала (например, в термосе или термокружке). Уменьшить конвекцию и испарение можно уменьшив площадь поверхности жидкости. Излучение можно уменьшить с помощью светлых или зеркальных материалов. Получается, идеальная кружка для чая должна быть белой, а также иметь минимальную площадь испарения.

Список использованных источников

1. Перышкин А. В. Физика. 8 кл. : учебник – 6-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2018. – 238 с.

2. Интернет-источник: https://ru.wikipedia.org/wiki

3. Интернет-источник: https://yourtutor.info

7. Расчеты и примеры для изотермических контейнеров и рыбных трюмов

7. Расчеты и примеры для изотермических контейнеров и рыбных трюмов


В этой главе приведены некоторые примеры основных расчетов для выдаются изотермические контейнеры и трюмы для рыбы. Также есть раздел о расчет потребности во льду для охлаждения свежей рыбы и раздел о методах определение объемов рыбных трюмов.

7.1 расчет удельного льда скорость таяния изотермического контейнера или трюма для рыбы

Существует несколько методов расчета скорости таяния льда ставка для изотермической тары, например:

а) теоретические математические и числовые методы;
b) практические методы, основанные на испытаниях на таяние льда.

Теоретические математические и численные методы являются доступны для расчета скорости таяния льда для контейнеров на основе коэффициент теплопередачи (U), площадь, через которую передается тепло (A) и скрытая теплота плавления льда (L), которая составляет 80 ккал/кг для чистого пресноводные и 77.8 ккал/кг для морской воды. Удельная скорость таяния льда контейнер (K 1 ), выраженный в кг льда/ч °C, можно рассчитать из следующего уравнения:


(уравнение 1)

Коэффициент теплопередачи (U) (ккал·м -2 h -1 °C -1 ) – скорость проникновения тепла через стенок контейнера на м 2 площади поверхности на градус Цельсия разница температур внутри и снаружи.Это значение зависит от коэффициент теплопроводности материалов, используемых в стенке контейнера (l), толщина этих материалов и скорость, с которой тепло может передаваться из внешней среды в внешней стенки контейнера, а также от внутренней стенки к содержимому (например, смесь рыбы и льда).

Для изотермического контейнера, состоящего из различных слоев различных материалов, коэффициент теплопередачи можно рассчитать из следующее уравнение:


(уравнение 2)

где:

a1 = коэффициент теплопередача снаружи стены

a2 = тепловой коэффициент трансмиссия на внутренней стороне стены

di = толщина материала слои используемые в стене

л = теплопроводность коэффициент материалов, использованных в стене

f = коэффициент, учитывающий учитывать влияние ребер жесткости, используемых в конструкции корабля а также несущие конструкции для теплоизоляционной стены (каркасы, палубные балки, различные элементы и т.д., которые могут создавать мосты утечки тепла)

Для простоты коэффициенты a1 и a2 иногда не учитывать, так как эти факторы могут иметь относительно небольшое влияние на результат. Однако все эти методы требуют адекватных знаний о теплопередаче, лабораторное оборудование, компьютерное оборудование и программное обеспечение, которые обычно отсутствует в маломасштабном рыболовстве.

Утечку тепла через элемент можно рассчитать с помощью следующее уравнение:

Q = A × U × (t o – t i )
(уравнение 3)

где:

Q = общая скорость теплопередачи через элемент (ккал/ч)
A = площадь элемента (м 2 )
U = тепловой коэффициент передача на элемент (ккал м -2 ч -1 °C -1 )
t o = наружная температура элемента (°C)
t i = внутренняя температура элемента (°C)

Пример : Для стальное рыболовное судно с изолированным CSW трюмом или цистернами.Расчет скорость теплопередачи (значение U) для рыбного трюма судна требует знание коэффициентов теплопередачи для всех задействованных элементов. В Следующее соотношение получено из уравнения 1.

где:

h2 = внешний коэффициент теплопередачи (ккал h -1 m -2 °C -1 )
h3 = внутренний теплообмен коэффициент (ккал ч -1 м -2 °C -1 )
K1 = теплопроводность стального листа борта судна (ккал ч -1 m -1 °C -1 )
K2 = теплопроводность полиуретановая изоляция (ккал ч -1 м -1 °C -1 )
K3 = теплопроводность стального листа, облицовка резервуара (ккал ч -1 м -1 °C -1 )
X1 = толщина стальной лист борта судна (м)
X2 = толщина полиуретановой изоляции (м)
X3 = толщина облицовки резервуара (м)

После расчета коэффициентов теплопередачи для каждый элемент рыбного трюма (палуба, настил рыбного трюма, машинное отделение переборка, носовая переборка, борта над водой и борта судна под водой) утечку тепла через каждую поверхность можно рассчитать, используя уравнение 3. Необходимо определить площадь каждого элемента и спроектировать температуры для внутри и снаружи выбраны.

Для рыбного трюма или рыбного контейнера в целом общее тепловыделение обменный курс будет получен из суммы индивидуальных расчетов Q ценности. В таблице 7.1 приведены расчетные потери тепла (ккал ч -1 м -2 ) в рыболовном судне со стальным корпусом, установленным со стальным баком CSW с полиуретановым утеплителем толщиной 100 мм и один без утеплителя.Этот расчет основан на идеальных условиях (без рам или вешалок, проникающих изоляция, таким образом, нет мостов утечки тепла). Основные районы ловли Сосуд, через который поступает тепло в неизолированный бак CSW: палуба, борта корабля над ватерлинией и борта корабля ниже ватерлинии, с габаритными коэффициентами теплопередачи 27,6, 27,6 и 374 ккал м -2 ч -1 °С -1 . Другие области судно, такое как переборка двигателя и днище танка, имеют общий теплообмен коэффициенты 7. 03 и 7,73 ккал м -2 ч -1 °С -1 . Однако средний общий коэффициент теплопередачи для рассчитано, что полностью изолированный резервуар CSW (в идеальных условиях) составляет всего 0,21 ккал м -2 ч -1 °С -1 . Температура отличия внутренней поверхности бака CSW (0 °C) от других площади корпуса и утечки тепла соответствовали таблице 7.1.

Так как 1 кг льда при таянии поглотит 80 ккал, общая нагрузка по утечке тепла в нашем примере для полностью изолированного резервуара CSW потребует около 7.7 кг/ч льда (185 кг/сутки). Поэтому для четырехдневного похода лед необходимая для поглощения инфильтрационной теплоты нагрузка составит 740 кг. Однако для вышеупомянутый пример, в практических обстоятельствах мосты утечки тепла в аналогичные резервуары CSW изолированы по коммерческому стандарту (за счет частичной изоляции баков CSW) можно оценить примерно в 7 процентов от общего количества тепла. протечка в утепленном баке CSW.

Практичный и простой метод расчета экспериментальная удельная скорость таяния льда контейнера (K exp ), основанная на по данным о массе льда, растаявшего за данный период времени, была разработана и признаны пригодными для мелкомасштабного рыболовства.Предлагаемая модель основана на предположение, что существует линейная зависимость между скоростью таяния льда в емкость и время, когда температура окружающей среды остается постоянной. Однако в На практике существуют различия в скорости таяния льда для контейнеров, хранящихся в тени и на солнце.

ТАБЛИЦА 7.1
Утечки тепла в стальном корпусе рыболовного судна устанавливается со стальным баком CSW

Поверхность

D
Температура

Утечка тепла

Неизолированный бак CSW

Полностью изолированный бак CSW

(°С)

(ккал/ч)

(%)

(ккал/ч)

(%)

Палуба

30

24 543

18. 8

186

30,3

Пол резервуара

25

5 744

4,4

152

24.8

Переборка машинного отделения

35

4 700

3,6

137

22,4

Передняя перегородка

8

1 044

0. 8

31

5.1

Борта судна выше ватерлинии

30

7 702

5,9

58

9.5

Борта судна ниже ватерлинии

25

86 814

66,5

49

8,0

Всего


130 548

100

613

100. 0

Примечание: толщина листа из низкоуглеродистой стали: судовая сторона: 6 мм; Футеровка резервуара CSW: 5 мм.

Источник : ФАО, 1992b.

Удельная скорость таяния льда (K 1 ) может быть рассчитывается по следующему уравнению:

M i (t) = M i (0) – K 1 × T e (a) × т
(уравнение 4)

где:

M i (т) = масса льда внутри контейнер в момент времени t (кг)
M i (0) = начальная масса льда внутри контейнер в момент времени t = 0 (кг)
K 1 = удельная скорость таяния льда контейнер (кг льда/ч °C)
T e (a) = средняя температура вне контейнера (°C)
t = время, прошедшее с момента обледенения в контейнер (ч)

Эта методология, описанная Люпином (ФАО, 1986 г.), состоит из следующие шаги:

1. Определить технические характеристики изолированный контейнер, подлежащий испытанию.

2. Точно взвесьте термоконтейнер (пустой и сухой).

3. Полностью заполните изотермический контейнер льдом и взвесьте его. контейнер снова.

4. Запишите время заполнения термоконтейнера. со льдом, а также вес льда, помещенного внутрь (рассчитывается по весу разница).

5. Храните и обращайтесь с контейнерами в тени, аккуратно зафиксировать преобладающие условия труда.

6. Регулярно контролируйте температуру окружающей среды, чтобы можно определить среднюю температуру. Рекомендуется следить за воздухом температура каждый час в дневное время (для коротких испытаний от шести до восьми часов долго) и использовать максимально-минимальные термометры для наблюдения за ночными экспериментальными работает. Тем не менее, время-температурные регистраторы также могут быть использованы для лучшего результатов, если они доступны.

7. Для емкостей, обеспечивающих слив талой воды, потери веса можно измерять через регулярные промежутки времени (скажем, каждые два часа), чтобы точно контролировать скорость, с которой масса льда помещается внутрь контейнера тает.

8. Этот тип испытания на таяние льда следует проводить с использованием только, хотя этот метод может быть в равной степени действителен для смесей рыбы и льда (при условии что учитывается лед для охлаждения партии рыбы). Кроме того, некоторые из начальное таяние льда будет результатом отвода тепла для охлаждения емкость и, в некоторых случаях, некоторое количество талой воды может быть поглощено емкостью (в зависимости от типа материала).

9. Данные о массе растаявшего льда (потеря веса) должны быть нанесены на график в зависимости от времени.Эти данные должны дать более или менее прямое линейный график (однако это будет зависеть от изменчивости наружного воздуха температура).

На рис. 7.1 показаны типичные экспериментальные данные таяния льда. график зависимости от времени для изотермического контейнера емкостью 90 литров, хранящегося в оттенок. Экспериментальное значение удельной скорости таяния льда (K exp ) представляет собой значение наклона построенной линии. В примере на рисунке 7.1 наклон линии равен 0.1498, поэтому K exp = 0,1498 кг льда/ч (3,6 кг льда/сутки) при средней температуре окружающего воздуха 28 °С.

РИСУНОК 7.1 Типичный экспериментальный данные о таянии льда в изотермическом контейнере в зависимости от времени (средний температура: 28 °C)

Для определения удельной скорости таяния льда (K exp ) для одного и того же контейнера при разной температуре окружающей среды потребуется провести несколько испытаний при желаемой температуре.Таблица 7.2 показывает получены экспериментальные значения удельных скоростей таяния льда (K exp ) при испытаниях, проводимых при различных температурах окружающей среды. Рисунок 7.2 показывает построен график зависимости между экспериментальными данными K exp для того же изотермического контейнера, что и на рис. 7.1, полученные при различных температурах окружающей среды. Результаты на рис. 7.2 могут быть выражается уравнением полученной прямой y = 0,1233x и скорректировано следующим образом:

K exp (кг льда/день) = 0. 1233 Т е (а)
(уравнение 5)

Следующий пример иллюстрирует применение результаты, полученные из рисунка 7.2.

Пример : Определите, сколько льда будет потребляться в изолированный контейнер, описанный на рисунке 7.1, если он хранится в тени в рыбацкой лодке в течение пяти дней при средней температуре окружающего воздуха 40 °C (без учета количества льда, необходимого для охлаждения рыбы).

ТАБЛИЦА 7.2
Экспериментальные значения удельного таяния льда скорости (Kexp) при разных температурах

К эксп

Средняя температура окружающей среды

(кг льда/день)

(°С)

4,8

40

4. 2

35

3,6

28

3,0

23

2,4

20

2,0

16

1.6

12

1,2

10

0,9

5

Примечание: данные основаны на тестах, проведенных с изотермический контейнер, описанный на рисунке 7. 1.

РИСУНОК 7.2 Пример связь между экспериментальными данными удельных скоростей таяния льда и различные средние температуры окружающей среды для изолированной рыбы контейнер

Из уравнения 5 можно определить удельную скорость таяния льда рассчитано:

K exp (кг льда/день) = 0.1233 Т е (a)
K exp = 0,1233 × 40 °C = 4,932 кг/сутки

Таким образом, общее количество льда, потребленного в изотермическом контейнере на компенсацию потерь тепла составит: 4,932 кг/сут × 5 сут = 24,660 кг @ 25 кг льда.

На практике проще использовать рисунок 7.2 напрямую. В диаграмма показывает, что при температуре окружающей среды 40 °C расплавится около 5 кг в сутки, что составит 25 кг за пять дней.

Примечание : Данные, полученные в результате вышеуказанных испытаний на таяние льда. для изотермических контейнеров следует использовать с осторожностью. Если контейнеры не могут быть защищенным от прямого солнечного света или другого излучаемого источника тепла во время условиях полевых работ приведенные выше расчетные значения удельного таяния льда ставки должны быть повышены. На практике лучше всего хранить и обращаться с изолированными контейнеры в тени и по возможности дополняются накрытием контейнера каким-либо образом (например, мокрое изоляционное одеяло или брезент, уложенный на контейнер) чтобы свести к минимуму воздействие излучаемого тепла.

7.2 Методика расчета потребность во льду для охлаждения свежей рыбы

Общее количество льда, необходимое для охлаждения свежей рыбу от любой начальной температуры до конечной температуры (в идеале до 0 °C) с использованием льда можно рассчитать по следующему уравнению:

M i × L = M f × Cp f × (T fi – Т или )
(уравнение 6)

где:

M i = масса тающего льда (кг)
л = скрытая теплота плавления льда (80 ккал/кг)
M f = масса рыбы до охлаждаться (кг)
Cp f = удельная теплоемкость свежей рыбы (ккал/кг °C)
T fi = начальная температура свежей рыбы (°C)
T fo = конечная температура свежей рыбы (°C), обычно 0 °C

Из уравнения 6 потребность во льду для охлаждения свежей рыбы до 0 °C будет:

Удельная теплоемкость рыбы зависит от ее химического состава. сочинение; например, для нежирной рыбы это значение составляет около 0.8 (ккал/кг °С) а для жирной рыбы около 0,75 (ккал/кг °С). В практических целях, однако допустимо использовать значение 0,8 (ккал/кг°C) во всех расчеты на свежую рыбу. Это даст упрощенное уравнение:

Пример : определение потребности во льду для охлаждения 40 кг свежей рыбы при начальной температуре 40°С.

кг лед

На рис. 7.3 показано другое представление отношения между начальной температурой и льдом, необходимым для охлаждения 1 кг рыбы до 0 °С.Из графика видно, что при начальной температуре 40 °C, на каждый кг рыбы потребуется около 0,45 кг льда. Это дает общее количество льда 18 кг на 40 кг рыбы.

На практике в тропических условиях требуется гораздо больше льда, чтобы компенсировать потери охлаждающей способности льда из-за таяния при хранении льда при комнатной температуре. Имеются данные о том, что при хранении льда при температуре 27 °C на поверхности частиц чешуйчатого льда находится определенное количество воды при устойчивых условиях, что составляет около 12-16 процентов от общего веса. За дробленый глыбовый лед, этой воды на поверхности может быть около 10-14 процентов от общий вес. Количество воды, находящейся в равновесии на частицах льда, будет зависеть от тип льда и температура хранения.

Дополнительные потери льда при охлаждении и хранении рыбы из-за неправильной практики обращения, например, из-за потери льда во время операций по обледенению. Эти потери оцениваются примерно в 3-5 процентов от общего количества льда. использовал.

Общая потребность льда для охлаждения 40 кг рыбы из 40 °C до 0 °C и выдерживают в охлажденном состоянии в течение пяти дней в 90-литровой емкости. изотермического контейнера представлены в таблице 7.3. Как видно, искомое количество, 50 кг, немного выше «эмпирического минимума» в 1 кг льда на 1 кг рыбы.

РИСУНОК 7.3 График быстрого расчет теоретического веса льда, необходимого для охлаждения 1 кг свежей рыбы до 0 °C от различных начальных температур

Источник : FAO, 1981.

ТАБЛИЦА 7.3 рыба в изотермическом контейнере 90 л

Коэффициент расхода/потери

Требования к льду
(кг)

Для компенсации потерь тепла в изотермическом контейнере

24.7 (4,932 кг/день × 5 дней)

Для охлаждения 40 кг рыбы с 40°С до 0°С

16

Для компенсации плохого обращения со льдом

2,5 (оценивается как 5% от общего количества используемого льда)

Для компенсации равновесной воды во льду

7 (оценивается как 14% от общего количества используемого льда)

Общее потребление

50. 2

Примечание: все значения основаны на предыдущей работе Примеры.

7.3 Расчет общего количества рыбы volume

Знание объема рыбного трюма полезно, особенно если трюм должен быть оснащен изоляцией или дополнительной изоляцией, так как позволит рассчитать потерю объема в трюме после утепления работа выполняется. Это также позволит рассчитать количество льда и лед/рыба, которые можно хранить и, таким образом, прогнозировать оптимальную длину пути и рыбу ловит.

Ниже приведены некоторые простые методы расчета удержания рыбы. объемы в допустимом диапазоне точности.

7.3.1 Кубическое число метод

Департамент рыболовства ФАО разработал относительно точный метод, полученный за более чем 30 лет проектирования рыболовных судов и операции, для определения объемов рыбных трюмов, просто используя кубическое число (CUNO) для рыболовных судов нормальной формы. В основе метода CUNO лежит серия из трех измерений на рассматриваемом судне. Кубическое число рассчитывается как:

Лоа × Б × Дм

где:

Loa = Общая длина
B = Ширина по миделю на уровне палубы
Dm = расстояние от палубы до киля (линия шпунта) на миделе

На рис. 7.4 показано, как и где сделать эти измерения.

Применение фигуры CUNO, полученной в результате измерения судна, чтобы получить приблизительный объем трюма, показан на рисунке 7.5. Эти цифры обычно точны в пределах 10 процентов.

Как видно на рис. 7.5, объем рыбного трюма соответствует до CUNO × 0,14 ± 10 процентов. Например, номер CUNO 150. м 3 означает, что объем рыбного трюма составляет около 20 м 3 .

РИСУНОК 7.4 Определение кубического номер

Источник : FAO, 1980b

РИСУНОК 7.5 Объем рыбного трюма в м 3 по кубатуре малых траулеров

Источник : ФАО, 1980b.

7.3.2 Трапециевидная линейка

Для тех, кто хочет использовать прямое измерение для получения объем конкретного рыбного трюма, можно сделать относительно простой расчет используя простую формулу, применяемую к сделанным измерениям. Метод измерения выбранный для этого примера, известен как «правило трапеций», которое используется из-за относительной простоты применения в полевых условиях и считается достаточно точным для этих целей.Должны ли читатели требуют большей точности, они могут предпочесть использовать «правила Симпсона» которые несколько точнее, хотя и на очень небольшой процент. Однако правила Симпсона требуют четного числа делений и слегка больше расчетов с риском непреднамеренных ошибок.

Чтобы лучше понять терминологию, используемую в этих измерения, обратитесь к рисунку 7.6, который иллюстрирует различные термины, используемые для следующие расчеты.

Для этого примера способ и места получения необходимые измерения показаны на рис. 7.7 (а) и (б). Здесь только три используются точки измерения продольно (в разрезах), одна на передней переборке, одна в продольном центре трюма и третья в корме переборка. Если требуется большая точность, просто увеличьте количество продольные деления, сохраняя их на равном расстоянии друг от друга. Большинство рыбных трюмов, как правило, размещается в области корпуса, дающей максимальный объем; подошва вообще плоская в области, близкой к центральной линии, и обычно имеет уклон вверх к после переборки; стороны имеют тенденцию идти более или менее параллельно вперед и назад.За суда с трюмами впереди машинного отделения, подошва стремится быть ровной. За для большинства приложений должно быть достаточно трех разделов; только если рыбный трюм чрезвычайно радикальной формы потребуется больше секций, чтобы получить объем.

РИСУНОК 7.6 Терминология для областей сечений по правилу трапеции

Правило трапеций требует равномерного распределения ординат для точек измерения – их может быть четное или нечетное количество, но должно быть равномерно разнесены. Первое и последнее измерения ординаты делятся на два; все цифры затем складываются и умножаются на общий интервал, или расстояние между метками ординаты. Используя измерения на рис. 7.8, площадь сечения можно рассчитать. Обратите внимание, что полученную площадь необходимо умножить на два, так как это только половина полного раздела.

РИСУНОК 7.7 Измерения для трапециевидная линейка

В этом случае шаг по ординате равен одной единице измерения.Единицы измерения могут быть имперскими или метрическими, в зависимости от того, какие из них являются предпочтительными или общими. использовать.

Измерение одной площади должно сочетаться с другой области сечения для того, чтобы разработать объемную меру по мере необходимости. В В этом случае должны быть рассчитаны носовая и кормовая площади переборок рыбного отсека. таким же образом, как и в средней части трюма, всего три разделы.

Ниже показан пример расчета площади с использованием измерения, показанные на рисунке 7. 8.

Рыболовный трюм, район передней переборки

Порядковый номер

Фактические единицы измерения

Размер для формулы

0

1,5

0,75

1

4.8

4,8

2

5,5

5,5

3

5,65

5,65

4

5,65

2,83

Сумма


19. 53

ОБЩАЯ ПЛОЩАДЬ = Сумма × Шаг ординат × 2
= 19,53 × 1,125 × 2
= 43,9 единицы 2

Рыболовный отсек, средняя часть

Порядковый номер

Фактические единицы измерения

Размер для формулы

0

4.7

2,35

1

4,7

4,7

2

4,6

4,6

3

3,8

3,8

4

1. 0

0,5

Сумма


18,8

ОБЩАЯ ПЛОЩАДЬ = Сумма × Шаг ординат × 2
= 18,8 × 1,0 × 2
= 37,6 шт. 2 в средней части держать

Рыболовный трюм, район кормовой переборки

Порядковый номер

Фактические единицы измерения

Размер для формулы

0

0.5

0,25

1

3,75

3,75

2

4,3

4,3

3

4,5

2,25

Сумма


10. 55

ОБЩАЯ ПЛОЩАДЬ = Сумма × Шаг ординат × 2
= 10,55 × 1,0 × 2
= 21,1 шт. 2 у кормовой переборки держать

Получив площади для трех секций, их необходимо обработаны для получения объемной фигуры для трюма. В этом случае три области сечения просто складываются вместе, а затем делятся на три, что является количество секций, чтобы дать среднюю площадь. Если бы использовалось больше секций, число будет соответствующим образом скорректировано.Полученная цифра в единиц 2 затем просто умножается на длину трюма для рыбы дать объем.

РИСУНОК 7.8 Измерения для трапециевидная линейка

Площадь носовой переборки = 43,9
Площадь середины секция трюма = 37,6
Площадь кормовой переборки = 21,1

Объем трюма = 513 единиц 3

Для получения более точных цифр необходимо увеличить количество поперечных сечений, измеренных в трюме. Для большинства приложений в малые рыболовные суда, считается, что три секции обычно достаточно для достаточно точного расчета объема.

7.3.3 Множитель для удержания volume

Еще один менее точный метод оценки объемов рыбных трюмов. который довольно хорошо работает с рыбными трюмами нормальной формы, заключается в использовании множитель, применяемый к объему, полученному путем измерения глубины и ширину трюма в продольном центре и умножить на длину.В полученная цифра объема представляет собой коробку, а не истинное представление фактического объема. Затем коэффициент множителя применяется к объему коробки. Этот фактор может варьироваться от 0,70 до 0,95 в зависимости от кривизны сечения. Резко перевернутые трюмы будет использовать более высокий коэффициент, в то время как довольно слабая кривая трюма будет использовать более низкий цифры. Это не жесткая и быстрая формула, и она требует здравого суждения со стороны лицо, производящее измерения. По мере того, как пользователь знакомится с методом, он станет точнее.

Использование набора фигур из средней части в трапециевидного правила выше, следующий объем коробки будет получено:

Полубалка × глубина × 2

= 4,7 × 5 × 2


= 47 шт. 2

Длина захвата × 47

= 15 × 47


= 705 шт. 3

Отмечая, что секции в этом примере имеют довольно слабый превратить в трюм, множитель 0.75 выбрано:

Том

= 705 × 0,75


= 528,75 шт. 3

Сравнивая эту цифру (529) с первоначальным расчетом (513) дает погрешность в 3% в большую сторону. Если коэффициент 0,8 используется, ошибка по-прежнему будет в пределах 10 процентов, что для начального грубые оценки допустимы.

7.4 Потери объема рыбных трюмов на установка изоляции

Возможно, потребуется рассчитать объемные потери, произойдет при добавлении изоляции внутрь трюма для рыбы. Для этого это необходимо измерить общую площадь поверхности существующего трюма и умножить это по толщине изоляционного материала.

В качестве примера предположим, что трюм судна имеет измеренную площадь поверхности 40 м 2 и известный объем 14 м 3 и составляет с утеплением пенополистиролом толщиной 100 мм.Какая потеря объема что можно ожидать?

Том

= Площадь × Толщина изоляции


= 40 м 2 × 0,1 м


= 4 м 3

Это почти треть имеющегося объема рыбных трюмов. Если потеря объема является серьезной проблемой, возможность использования лучшего изолирующего следует исследовать материал с более высоким значением R.Это позволит сделать тоньше изоляция, которая должна быть установлена, обеспечивая такое же значение изоляции и уменьшая потери объем в трюме. В качестве альтернативы может быть уместна более тонкая изоляция, в то время как признавая, что во время хранения может потребоваться больше льда, чтобы компенсировать повышенное проникновение тепла.

7.5 Потери объема рыбных трюмов при доски, полки и/или ящики

Некоторая потеря полезного пространства для хранения неизбежна, когда в рыбном трюме установлены доски и стеллажи, 10-15 процентов от общего количества объем является разумной оценкой.Можно предположить, что любая потеря прибыль от этого объема рыбы будет компенсирована более высокими рыночными ценами. для улучшения качества улова. Также есть потери в весе из-за дробления рыбы на донные слои, если высота штабеля рыбы превышает 600 мм. Эти потери могут составить до 15 процентов.

Очевидно, есть точка равновесия в дополнительном занимаемом пространстве. больше стеллажей, дополнительный труд, необходимый для ледяной рыбы на большем количестве полок и лучшее качество, которое можно ожидать от рыбы, уложенной на высоте менее 600 мм, и потери качества и веса от дробления в насыпных ручках.

Для сырой рыбы, охлажденной льдом, потрошеной и обескровленной рыбы в коробках дают оптимальное качество. Трудно улучшить качество без тратить довольно большие суммы денег на охлаждение или CSW.

Для хранения рыбы в боксе требуется больше места для хранения, чем навалом на льду – примерно на 40 процентов больше, но выигрыш в качестве и простоте выгрузки на доки вообще с лихвой компенсируют эту потерю, по крайней мере на больших сосуды.


Учебное пособие по физике

На предыдущей странице мы узнали, что тепло делает с объектом, когда оно получено или высвобождено. Притоки или потери тепла приводят к изменениям температуры, изменениям состояния или производительности труда. Тепло – это передача энергии. Когда объект получает или теряет, в этом объекте будут происходить соответствующие энергетические изменения. Изменение температуры связано с изменением средней кинетической энергии частиц внутри объекта. Изменение состояния связано с изменением внутренней потенциальной энергии, которой обладает объект. И когда работа выполнена, происходит общая передача энергии объекту, над которым выполняется работа.В этой части урока 2 мы исследуем вопрос . Как можно измерить количество тепла, полученного или отданного объектом?

Удельная теплоемкость

Предположим, что несколько предметов, состоящих из разных материалов, нагреваются одинаковым образом. Будут ли объекты нагреваться с одинаковой скоростью? Ответ: скорее всего нет. Различные материалы будут нагреваться с разной скоростью, потому что каждый материал имеет свою удельную теплоемкость. Под удельной теплоемкостью понимается количество теплоты, необходимое для того, чтобы заставить единицу массы (скажем, грамм или килограмм) изменить свою температуру на 1°C. Удельная теплоемкость различных материалов часто приводится в учебниках. Стандартными метрическими единицами являются Джоули/килограмм/Кельвин (Дж/кг/К). Чаще используются единицы измерения Дж/г/°C. Используйте виджет ниже для просмотра удельной теплоемкости различных материалов. Просто введите название вещества (алюминий, железо, медь, вода, метанол, дерево и т. д.).) и нажмите кнопку «Отправить»; результаты будут отображаться в отдельном окне.


Удельная теплоемкость твердого алюминия (0,904 Дж/г/°C) отличается от удельной теплоемкости твердого железа (0,449 Дж/г/°C). Это означает, что для повышения температуры данной массы алюминия на 1°С потребуется больше тепла, чем для повышения температуры той же массы железа на 1°С.Фактически, для повышения температуры образца алюминия на заданное количество потребовалось бы примерно в два раза больше тепла, чем для того же изменения температуры того же количества железа. Это связано с тем, что удельная теплоемкость алюминия почти в два раза выше, чем у железа.

Теплоемкость указана на основе за грамм или за килограмм . Иногда значение указывается на основе на моль , и в этом случае оно называется молярной теплоемкостью. Тот факт, что они перечислены на основе на количество , указывает на то, что количество тепла, необходимое для повышения температуры вещества, зависит от количества вещества.Всякий человек, который кипятил на плите кастрюлю с водой, несомненно, знает эту истину. Вода кипит при 100°С на уровне моря и при несколько более низких температурах на возвышенностях. Чтобы довести кастрюлю с водой до кипения, ее температуру нужно сначала поднять до 100°C. Это изменение температуры достигается за счет поглощения тепла от горелки печи. Нетрудно заметить, что для доведения до кипения полной кастрюли воды требуется значительно больше времени, чем для доведения до кипения половины воды. Это связано с тем, что полная кастрюля с водой должна поглощать больше тепла, чтобы привести к такому же изменению температуры. На самом деле, требуется вдвое больше тепла, чтобы вызвать такое же изменение температуры в удвоенной массе воды.

Удельная теплоемкость также указана на основе на K или на °C . Тот факт, что удельная теплоемкость указана из расчета на градус , указывает на то, что количество теплоты, необходимое для нагревания данной массы вещества до определенной температуры, зависит от изменения температуры, необходимого для достижения этой конечной температуры.Другими словами, важна не конечная температура, а общее изменение температуры. Для изменения температуры воды с 20°С до 100°С (изменение на 80°С) требуется больше тепла, чем для повышения температуры того же количества воды с 60°С до 100°С (изменение на 40°С). °С). Фактически, для изменения температуры данной массы воды на 80°С требуется в два раза больше тепла, чем для изменения на 40°С. Человек, который хочет быстрее довести воду до кипения на плите, должен начать с теплой водопроводной воды, а не с холодной.

Это обсуждение удельной теплоемкости заслуживает одного заключительного комментария. Термин « удельная теплоемкость » является чем-то вроде неправильного употребления . Термин подразумевает, что вещества могут иметь способность содержать вещь , называемую теплом. Как обсуждалось ранее, тепло не является чем-то, что содержится в объекте. Тепло — это то, что передается объекту или от него. Объекты содержат энергию в различных формах. Когда эта энергия передается другим объектам с другой температурой, мы называем переданную энергию теплом или тепловой энергией .Хотя это вряд ли приживется, более подходящим термином будет удельная энергетическая емкость.


Связь количества тепла с изменением температуры

Удельная теплоемкость обеспечивает средство математической связи количества тепловой энергии, полученной (или потерянной) образцом любого вещества, с массой образца и его результирующим изменением температуры. Связь между этими четырьмя величинами часто выражается следующим уравнением.

Q = м•C•ΔT

, где Q — количество тепла, переданного объекту или от него, m — масса объекта, C — удельная теплоемкость материала, из которого состоит объект, а ΔT — результирующее изменение температуры объекта. Как и во всех ситуациях в науке, значение дельта (∆) для любой величины рассчитывается путем вычитания начального значения величины из конечного значения величины. В этом случае ΔT равно T final – T initial .При использовании приведенного выше уравнения значение Q может оказаться как положительным, так и отрицательным. Как всегда, положительный и отрицательный результат расчета имеет физическое значение. Положительное значение Q указывает на то, что объект получил тепловую энергию из своего окружения; это будет соответствовать повышению температуры и положительному значению ΔT. Отрицательное значение Q указывает на то, что объект выделяет тепловую энергию в окружающую среду; это будет соответствовать снижению температуры и отрицательному значению ΔT.

Знание любых трех из этих четырех величин позволяет вычислить четвертую величину. Распространенной задачей на многих уроках физики является решение задач, связанных с соотношениями между этими четырьмя величинами. В качестве примеров рассмотрим две задачи ниже. Решение каждой проблемы разработано для вас. Дополнительную практику можно найти в разделе «Проверьте свое понимание» внизу страницы.

Пример задачи 1
Какое количество теплоты потребуется, чтобы нагреть 450 г воды с 15°С до 85°С? Удельная теплоемкость воды равна 4.18 Дж/г/°С.

Как и любая задача в физике, решение начинается с определения известных величин и связывания их с символами, используемыми в соответствующем уравнении. В этой задаче мы знаем следующее:

м = 450 г
С = 4,18 Дж/г/°С
T начальная = 15°C
Т окончательная = 85°С

Мы хотим определить значение Q – количество теплоты. Для этого воспользуемся уравнением Q = m•C•ΔT. m и C известны; ΔT можно определить по начальной и конечной температурам.

T = T окончательная – T начальная = 85°C – 15°C = 70°C

Зная три из четырех величин соответствующего уравнения, мы можем подставить и решить Q.

Q = м•C•ΔT = (450 г)•(4,18 Дж/г/°C)•(70°C)
Q = 131670 Дж
Q = 1.3×10 5 Дж = 130 кДж (округлено до двух значащих цифр)

Пример задачи 2
Образец неизвестного металла весом 12,9 г при температуре 26,5°C помещают в чашку из пенопласта, содержащую 50,0 г воды при температуре 88,6°C. Вода охлаждается, а металл нагревается до достижения теплового равновесия при 87,1°С. Предполагая, что все тепло, отдаваемое водой, передается металлу и что чаша идеально изолирована, определите удельную теплоемкость неизвестного металла. Удельная теплоемкость воды составляет 4,18 Дж/г/°С.


По сравнению с предыдущей задачей, это гораздо более сложная задача. На самом деле эта проблема как две проблемы в одной. В основе стратегии решения проблем лежит признание того, что количество тепла, потерянного водой (Q вода ), равно количеству тепла, полученного металлом (Q металл ). Поскольку значения m, C и ΔT воды известны, можно рассчитать Q воды .Это значение Q воды равно значению Q металла . Как только значение Q металл известно, его можно использовать со значением m и ΔT металла для расчета Q металла . Использование этой стратегии приводит к следующему решению:

Часть 1. Определение потерь тепла с водой

Дано:

м = 50,0 г
С = 4,18 Дж/г/°С
T исходная = 88,6°C
Т финал = 87.1°С
ΔT = -1,5°C (T окончательная – T исходная )

Решить для воды Q :

Q вода = m•C•ΔT = (50,0 г)•(4,18 Дж/г/°C)•(-1,5°C)
Q вода = -313,5 Дж (не округлено)
(Знак – означает, что вода теряет тепло)

Часть 2: Определение стоимости металла C

Дано:

Q металл = 313. 5 Дж (используйте знак +, так как металл нагревается)
m = 12,9 г
T исходная = 26,5°C
Т окончательная = 87,1°С
ΔT = (T окончательный – T начальный )

Решить для металла C :

Переставить Q металл = m металл •C металл •ΔT металл для получения C металл = Q металл / (m металл •ΔT 80 3) 80 металл

C металл = Q металл / (m металл • ΔT металл ) = (313.5 Дж)/[(12,9 г)•(60,6°C)]
C металл = 0,40103 Дж/г/°C
C металл = 0,40 Дж/г/°C (округлено до двух значащих цифр)

 


Нагрев и изменения состояния

Приведенное выше обсуждение и сопровождающее его уравнение (Q = m•C•∆T) связывают тепло, полученное или потерянное объектом, с результирующими изменениями температуры этого объекта. Как мы узнали, иногда тепло приобретается или теряется, но температура не изменяется.Это тот случай, когда вещество претерпевает изменение состояния. Итак, теперь мы должны исследовать математику, связанную с изменениями состояния и количеством теплоты.

Чтобы начать обсуждение, давайте рассмотрим различные изменения состояния, которые можно наблюдать для образца материи. В приведенной ниже таблице перечислены несколько изменений состояния и указаны имена, обычно связанные с каждым процессом.

Процесс

Изменение состояния

Плавление

Твердое вещество в жидкое

Замораживание

Из жидкого в твердое

Испарение

Жидкость в газ

Конденсат

Газ в жидкость

Сублимация

Твердое тело в газ

Депонирование

Газ в твердое тело


В случае плавления, кипения и сублимации к образцу вещества необходимо добавить энергию, чтобы вызвать изменение состояния. Такие изменения состояния называются эндотермическими. Замерзание, конденсация и осаждение экзотермичны; энергия высвобождается образцом материи, когда происходят эти изменения состояния. Таким образом, можно заметить, что образец льда (твердая вода) тает, когда его помещают на горелку или рядом с ней. Тепло передается от горелки к образцу льда; лед получает энергию, вызывая изменение состояния. Но сколько энергии потребуется, чтобы вызвать такое изменение состояния? Существует ли математическая формула, которая могла бы помочь в определении ответа на этот вопрос? Наверняка есть.

Количество энергии, необходимое для изменения состояния образца материи, зависит от трех факторов. Это зависит от того, что представляет собой вещество, от того, насколько вещество претерпевает изменение состояния и от того, какое изменение состояния происходит. Например, для плавления льда (твердой воды) требуется разное количество энергии по сравнению с плавлением железа. И для таяния льда (твердой воды) требуется разное количество энергии, чем для испарения того же количества жидкой воды. И, наконец, для плавления 10 требуется разное количество энергии.0 граммов льда по сравнению с таянием 100,0 граммов льда. Вещество, процесс и количество вещества — это три переменные, влияющие на количество энергии, необходимое для того, чтобы вызвать конкретное изменение состояния. Используйте виджет ниже, чтобы исследовать влияние вещества и процесса на изменение энергии. (Обратите внимание, что теплота плавления — это изменение энергии, связанное с изменением состояния твердого и жидкого состояния.)


Значения удельной теплоты плавления и удельной теплоты парообразования приведены на основе на количество .Например, удельная теплота плавления воды равна 333 Дж/г. Чтобы растопить 1 г льда, требуется 333 Дж энергии. Чтобы растопить 10,0 г льда, требуется в 10 раз больше энергии — 3330 Дж. Рассуждения таким образом приводят к следующим формулам, связывающим количество теплоты с массой вещества и теплотой плавления и парообразования.

Для плавления и замораживания: Q = m•ΔH плавление
Для испарения и конденсации: Q = m•ΔH испарение

, где Q представляет собой количество энергии, полученной или высвобожденной во время процесса, m представляет собой массу образца, ΔH плавления представляет собой удельную теплоту плавления (в расчете на грамм), а ΔH парообразования представляет собой удельную теплоту плавления. испарения (в пересчете на грамм).Подобно обсуждению Q = m•C•ΔT, значения Q могут быть как положительными, так и отрицательными. Значения Q положительны для процесса плавления и парообразования; это согласуется с тем фактом, что образец вещества должен получить энергию, чтобы расплавиться или испариться. Значения Q отрицательны для процессов замерзания и конденсации; это согласуется с тем фактом, что образец вещества должен терять энергию, чтобы замерзнуть или сконденсироваться.

В качестве иллюстрации того, как можно использовать эти уравнения, рассмотрим следующие два примера задач.

Пример задачи 3
Элиза кладет в свой напиток 48,2 грамма льда. Какое количество энергии будет поглощено льдом (и выделено напитком) в процессе таяния? Теплота плавления воды 333 Дж/г.

Уравнение, связывающее массу (48,2 г), теплоту плавления (333 Дж/г) и количество энергии (Q), имеет вид Q = m•ΔH плавление . Подстановка известных значений в уравнение приводит к ответу.

Q = м•ΔH плавление = (48,2 г)•(333 Дж/г)
Q = 16050,6 Дж
Q = 1,61 x 10 4 Дж = 16,1 кДж (округлено до трех значащих цифр)

Пример Задача 3 включает в себя довольно простой расчет типа «подключи и пыхни». Теперь мы попробуем решить примерную проблему 4, которая потребует значительно более глубокого анализа.

Пример задачи 4
Каково минимальное количество жидкой воды на 26.5 градусов, которые потребуются, чтобы полностью растопить 50,0 граммов льда? Удельная теплоемкость жидкой воды 4,18 Дж/г/°С, удельная теплота плавления льда 333 Дж/г.

В этой задаче лед тает, а жидкая вода остывает. Энергия передается от жидкости к твердому телу. Чтобы растопить твердый лед, необходимо передать 333 Дж энергии на каждый грамм льда. Эта передача энергии от жидкой воды льду охлаждает жидкость.Но жидкость может охлаждаться только до 0°C — точки замерзания воды. При этой температуре жидкость начнет застывать (замерзать) и лед полностью не растает.

Мы знаем о льду и жидкой воде следующее:

Данная информация о льду:

м = 50,0 г
ΔH сплав = 333 Дж/г

Данная информация о жидкой воде:

С = 4.18 Дж/г/°С
T исходная = 26,5°C
T окончательная = 0,0°C
ΔT = -26,5°C (T окончательная – T исходная )

Энергия, полученная льдом, равна энергии, потерянной водой.

Q лед = -Q жидкая вода

Знак – указывает на то, что один объект получает энергию, а другой объект теряет энергию. Мы можем вычислить левую часть приведенного выше уравнения следующим образом:

Q лёд = m•ΔH сплав = (50. 0 г)•(333 Дж/г)
Q лед = 16650 Дж

Теперь мы можем положить правую часть уравнения равной m•C•ΔT и начать подставлять известные значения C и ΔT, чтобы найти массу жидкой воды. Решение:

16650 J = -Q жидкая вода
16650 Дж = -m жидкая вода •C жидкая вода •ΔT жидкая вода
16650 Дж = -м жидкая вода •(4.18 Дж/г/°C)•(-26,5°C)
16650 Дж = -м жидкая вода •(-110,77 Дж/°C)
m жидкая вода = -(16650 Дж)/(-110,77 Дж/°C)
м жидкая вода = 150,311 г
м жидкая вода = 1,50×10 2 г (округлено до трех значащих цифр)


Новый взгляд на кривые нагрева и охлаждения

На предыдущей странице Урока 2 обсуждалась кривая нагрева воды.Кривая нагревания показывала, как температура воды повышалась с течением времени при нагревании образца воды в твердом состоянии (т. е. льда). Мы узнали, что добавление тепла к образцу воды может вызвать либо изменение температуры, либо изменение состояния. При температуре плавления воды добавление тепла вызывает переход воды из твердого состояния в жидкое состояние. А при температуре кипения воды добавление тепла вызывает переход воды из жидкого состояния в газообразное.Эти изменения состояния происходили без каких-либо изменений температуры. Однако добавление тепла к образцу воды, которая не находится при температуре фазового перехода, приведет к изменению температуры.

Теперь мы можем подойти к теме кривых отопления на более количественной основе. На приведенной ниже диаграмме представлена ​​кривая нагрева воды. На линиях графика имеется пять помеченных участков.


Три диагональных участка представляют изменения температуры образца воды в твердом состоянии (участок 1), жидком состоянии (участок 3) и газообразном состоянии (участок 5).Два горизонтальных участка отображают изменения состояния воды. В секции 2 происходит таяние пробы воды; твердое тело переходит в жидкое. В секции 4 образец воды подвергается кипячению; жидкость переходит в газ. Количество теплоты, переданной воде в секциях 1, 3 и 5, связано с массой образца и изменением температуры по формуле Q = m•C•ΔT. А количество теплоты, переданной воде на участках 2 и 4, связано с массой образца и теплотой плавления и парообразования формулами Q = m•ΔH плавления (участок 2) и Q = m•ΔH парообразование (раздел 4).Итак, теперь мы попытаемся рассчитать количество теплоты, необходимое для перевода 50,0 граммов воды из твердого состояния при -20,0°С в газообразное состояние при 120,0°С. Для расчета потребуется пять шагов — по одному шагу на каждый участок приведенного выше графика. Поскольку удельная теплоемкость вещества зависит от температуры, в наших расчетах мы будем использовать следующие значения удельной теплоемкости:

Твердая вода: C=2,00 Дж/г/°C
Жидкая вода: C = 4,18 Дж/г/°C
Газообразная вода: C = 2. 01 Дж/г/°С

Наконец, мы будем использовать ранее опубликованные значения ΔH плавления (333 Дж/г) и ΔH испарения (2,23 кДж/г).

Раздел 1 : Изменение температуры твердой воды (льда) с -20,0°C до 0,0°C.

Использование Q 1 = m•C•ΔT

, где m = 50,0 г, C = 2,00 Дж/г/°C, T начальная = -200°C и T конечная = 0,0°C

Q 1 = m•C•ΔT = (50.0 г)•(2,00 Дж/г/°C)•(0,0°C – -20,0°C)
Q 1 = 2,00 x 10 3 Дж = 2,00 кДж

Раздел 2 : Плавление льда при 0,0°C.

Использование Q 2 = m•ΔH сплавление

где m = 50,0 г и ΔH сплав = 333 Дж/г

Q 2 = m•ΔH сплав = (50,0 г)•(333 Дж/г)
Q 2 = 1,665 x 10 4 Дж = 16. 65 кДж
Q 2 = 16,7 кДж (округлено до 3 значащих цифр)

Раздел 3 : Изменение температуры жидкой воды с 0,0°C до 100,0°C.

Использование Q 3 = m•C•ΔT

, где m = 50,0 г, C = 4,18 Дж/г/°C, T начальная = 0,0°C и T конечная = 100,0°C

Q 3 = м•C•ΔT = (50,0 г)•(4,18 Дж/г/°C)•(100,0°C – 0,0°C)
Q 3 = 2.09 x 10 4 Дж = 20,9 кДж

Раздел 4 : Кипячение воды при 100,0°C.

Использование Q 4 = m•ΔH испарение

где m = 50,0 г и ΔH испарение = 2,23 кДж/г

Q 4 = м•ΔH испарение = (50,0 г)•(2,23 кДж/г)
Q 4 = 111,5 кДж
Q 4 = 112 кДж (округлено до 3 значащих цифр)

Раздел 5 : Изменение температуры жидкой воды от 100. от 0°С до 120,0°С.

Использование Q 5 = m•C•ΔT

, где m = 50,0 г, C = 2,01 Дж/г/°C, T начальная = 100,0°C и T конечная = 120,0°C

Q 5 = m•C•ΔT = (50,0 г)•(2,01 Дж/г/°C)•(120,0°C – 100,0°C)
Q 5 = 2,01 x 10 3 Дж = 2,01 кДж

Общее количество тепла, необходимое для превращения твердой воды (льда) при температуре -20°C в газообразную воду при 120°C, представляет собой сумму значений Q для каждого участка графика.То есть

Q всего = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5

Суммирование этих пяти значений Q и округление до нужного количества значащих цифр приводит к значению 154 кДж в качестве ответа на исходный вопрос.


В приведенном выше примере есть несколько особенностей решения, над которыми стоит задуматься:

  • Во-первых: длинная задача была разделена на части, каждая из которых представляла одну из пяти секций графа. Поскольку вычислялось пять значений Q, они были помечены как Q 1 , Q 2 и т. д. Такой уровень организации требуется в такой многошаговой задаче, как эта.
  • Второй: внимание было уделено знаку +/- на ΔT. Изменение температуры (или любой величины) всегда рассчитывается как конечное значение величины минус начальное значение этой величины.
  • Третье: Внимание уделялось юнитам на протяжении всей проблемы.Единицы Q будут либо в джоулях, либо в килоджоулях, в зависимости от того, какие величины умножаются. Пренебрежение вниманием к единицам измерения является распространенной причиной сбоев в подобных задачах.
  • Четвертое: внимание уделялось значащим цифрам на протяжении всей задачи. Хотя это никогда не должно становиться основным акцентом любой проблемы в физике, это, безусловно, деталь, на которую стоит обратить внимание.

Здесь, на этой странице, мы узнали, как рассчитать количество тепла, задействованного в любом процессе нагрева/охлаждения и в любом процессе изменения состояния. Это понимание будет иметь решающее значение, когда мы перейдем к следующей странице урока 2 по теме калориметрии. Калориметрия — это наука, связанная с определением изменений энергии системы путем измерения теплообмена с окружающей средой.

Проверьте свое понимание

1. Вода обладает необычно высокой удельной теплоёмкостью. Какое из следующих утверждений логически следует из этого факта?

а.По сравнению с другими веществами горячая вода вызывает сильные ожоги, потому что она хорошо проводит тепло.
б. По сравнению с другими веществами вода при нагревании быстро нагревается до высоких температур.
c. По сравнению с другими веществами, пробе воды требуется значительное количество тепла, чтобы изменить ее температуру на небольшое количество.

2. Объясните, почему большие водоемы, такие как озеро Мичиган, могут быть довольно холодными в начале июля, несмотря на то, что температура наружного воздуха около или выше 90°F (32°C).

3. В таблице ниже описывается термический процесс для различных объектов (обозначены красным жирным шрифтом). Для каждого описания укажите, получает или теряет тепло объект, является ли процесс эндотермическим или экзотермическим, и является ли Q для указанного объекта положительным или отрицательным значением.

  Процесс

Получение или потеря тепла?

Эндо- или экзотермический?

В: + или -?

а.

Кубик льда кладут в стакан с лимонадом комнатной температуры, чтобы охладить напиток.      

б.

Стакан холодного лимонада стоит на столе для пикника под жарким полуденным солнцем и нагревается до 32°F.      

в.

Горелки на электроплите выключаются и постепенно остывают до комнатной температуры.      

д.

Учитель достает из термоса большой кусок сухого льда и кладет его в воду. Сухой лед возгоняется, образуя газообразный углекислый газ.      

эл.

Водяной пар в увлажненном воздухе попадает на окно и превращается в каплю росы (капли жидкой воды).      

4. Образец металлического цинка весом 11,98 г помещают в баню с горячей водой и нагревают до 78,4°C. Затем его удаляют и помещают в чашку из пенопласта, содержащую 50,0 мл воды комнатной температуры (T=27,0°C, плотность = 1,00 г/мл). Вода прогревается до температуры 28.1 ° С. Определить удельную теплоемкость цинка.

5. Джейк берет из шкафа банку газировки и наливает ее в чашку со льдом. Определить количество теплоты, отдаваемое газировкой комнатной температуры при плавлении 61,9 г льда (ΔH сплав = 333 Дж/г).

6. Теплота возгонки (ΔH сублимация ) сухого льда (твердая двуокись углерода) составляет 570 Дж/г. Определите количество теплоты, необходимое для превращения 5,0-фунтового мешка сухого льда в газообразный диоксид углерода.(Дано: 1,00 кг = 2,20 фунта)

7. Определите количество теплоты, необходимое для повышения температуры образца твердого пара-дихлорбензола массой 3,82 грамма с 24°C до его жидкого состояния при 75°C. Пара-дихлорбензол имеет температуру плавления 54°С, теплоту плавления 124 Дж/г и удельную теплоемкость 1,01 Дж/г/°С (твердое состояние) и 1,19 Дж/г/°С (жидкое состояние).

Как рассчитать время, необходимое для охлаждения продуктов

  • Насколько холодным должен быть ваш морозильник, чтобы заморозить этот кусок рыбы менее чем за 2 минуты?
  • Как быстро должна течь ваша охлаждающая вода, чтобы поддерживать температуру супа в трубе?

Если вы разрабатываете процессы производства продуктов питания, то для успешного выполнения процесса необходимо контролировать температуру. Вы же не хотите, чтобы суп подгорел или молоко замерзло. Очень важно правильно спроектировать производственный процесс, чтобы температура контролировалась. Даже в меньших масштабах на вашей кухне важен контроль температуры, ведь вы же не хотите сжечь или случайно заморозить еду.

В небольших помещениях, таких как кухня, контролировать температуру довольно просто. Обратная связь, которую вы получаете от процесса, почти мгновенная. Если вы видите, что ваша еда начинает подрумяниваться или остается слишком горячей, вы можете быстро приспособиться.Учитывая, что у вас есть довольно небольшие количества, с которыми вы работаете, они могут достаточно быстро менять температуру. Но как только вы начинаете работать с большими объемами, все становится сложнее. Вот здесь и пригодятся некоторые базовые расчеты.

В этой статье мы рассмотрим два упрощенных примера охлаждения продуктов: идеально перемешанную кастрюлю с едой и рыбу, которую мы собираемся заморозить.

Наука о контроле температуры

Прежде чем углубляться в расчеты, вам необходимо знать некоторые основные принципы передачи энергии и тепла, которые всегда будут применимы:

  1. Сохранение энергии – Энергия не может теряться внутри системы. Однако тип энергии может измениться, поэтому движение (кинетическая энергия) может превратиться в тепло.
  2. Температура является мерой энергии – Чем теплее объект (или пища), тем больше энергии он содержит.
  3. Тепловые потоки от горячего к холодному – Быстро движущиеся (горячие) молекулы сталкиваются с более медленными, передавая свою энергию.
  4. Системы всегда стремятся к минимальному энергетическому состоянию – В результате системы будут стремиться к равновесию. Для тепла это означает, что все имеет одинаковую температуру.

Областью изучения, которая фокусируется на этом типе проблем, является область транспортных явлений. В явлениях переноса вы изучаете потоки массы и энергии (и некоторые другие).

Типы теплопередачи

Теперь мы знаем, что энергия не может теряться и что, если она не находится в равновесии, энергия будет течь от горячих мест к холодным. Когда тепло перемещается, оно может двигаться тремя различными способами:

  1. Проводимость : два объекта соприкасаются друг с другом и передают тепло, это может быть кастрюля, стоящая на горячей плите. Сами объекты не двигаются, внутреннее движение молекул — это то, что передает энергию.
  2. Конвекция : тепло передается через потоки материала. Движение молекул обеспечивает перемещение тепла, например, воздуха, пара или сильно кипящей воды.
  3. Излучение : здесь не обязательно должна быть среда, которая на самом деле перемещает тепло, солнце является примером лучистой теплопередачи. Мы не будем больше фокусироваться на этом сценарии.

Для каждого из этих трех механизмов способ расчета теплопередачи очень разный! Для теплопроводности очень важны свойства материала, через который проходит тепло. Тогда как для конвекции скорость потока материалов может быть существенной.

В большинстве реальных случаев очень сложно рассчитать теплопередачу в любом из этих сценариев. Как правило, действуют сразу несколько механизмов. Например, на горячую плиту на плите может влиять то, что находится внутри кастрюли, а также воздух вокруг нее.

Тем не менее, упростив ситуацию и сделав некоторые допущения, мы можем провести приличные расчеты. Для крупномасштабной обработки, когда система хорошо контролируется с четко заданными условиями, это позволяет выполнять необходимые расчеты. Здесь мы сосредоточимся на одном сценарии: охлаждении хорошо перемешанной кастрюли с едой.

Информационный бюллетень

Хотите быть в курсе новых статей о пищевых продуктах? Подпишитесь на нашу еженедельную рассылку

Заметили, как чай кружится из пакетика, не шевелясь? Это чистая естественная конвекция, горячая вода движется сама по себе.

Охлаждение хорошо перемешанной кастрюли с едой

Итак, давайте посмотрим на горячую кастрюлю с едой, которая стоит у вас на плите. Вы хотите знать, как быстро эта кастрюля с едой остывает после того, как вы выключили огонь на плите. Для этого мы можем использовать закон охлаждения Ньютона, но мы должны сделать несколько предположений:

  1. Тепло легче распространяется по пище, чем покидает ее . Итак, мы предполагаем, что пища имеет однородную температуру (ученые используют для этого число Био, см. ниже).Помешивая что-то очень хорошо, вы можете приблизиться к этой идеальной ситуации.
  2. Температура снаружи пищи постоянна и полностью однородна . Чтобы это было правдой, вам либо нужно много места вокруг кастрюли с едой (например, кухня с комнатной температурой), либо вы используете приемы, чтобы поддерживать постоянную температуру окружающей среды (например, непрерывный поток охлаждающей воды вокруг кастрюли).
  3. Температура вашей пищи не сильно отличается от того, что вы охлаждаете с помощью , к счастью, еда обычно не нагревается до такой степени.
  4. Все процессы передачи тепла одинаковы при любой температуре . То есть при охлаждении продукта все физические механизмы остаются прежними. Таким образом, мы предполагаем, что ваша пища, находящаяся при более низкой или более высокой температуре, не делает ее более или менее хорошей при передаче тепла.

В этом конкретном случае мы можем использовать упрощенную формулу для расчета изменений температуры в нашей пище: закон охлаждения Ньютона. Мы можем записать это как:

поток энергии во времени (в джоулях/с, ватт)
=
dQ/dt
=
– ч * A * (T продукт – T окружающая среда )
=
-k * (T продукт – Т окружающая среда )

Где:

  • H = коэффициент теплообмена ( Вт / (M 2 K) )
  • A = площадь поверхности, над которой происходит трансфер на тепловыделениях ( м 2 )
  • T = температура в любом произведении окружающей среды ( K )
  • k = иногда k используется как постоянное значение, которое представляет собой комбинацию влияния площади поверхности и коэффициента теплопередачи ( Вт/k )

Даже без подстановки цифр в эту формулу можно сделать несколько выводов. Большинство из них будут звучать очень интуитивно понятно!

  • Чем больше площадь поверхности нашей кастрюли с едой, тем быстрее она остывает (А больше)
  • Большая разница температур между нашей едой и окружающей средой приводит к более быстрому охлаждению.

Давайте применим это к возможному сценарию: чашка горячего чая.

Пример 1: охлаждение чашки чая

Чашка горячего чая — достойный пример, к которому мы можем применить закон охлаждения Ньютона. Поставив чашку чая в большой комнате, можно предположить, что чашка чая не повлияет на температуру помещения.Помешивая чашку, мы поддерживаем однородную температуру. У вас есть некоторое количество испаряющейся воды, которая повлияет на изменения температуры, что может усложнить расчеты, но пока мы этим пренебрежем.

Мы довели воду до кипения, налили в нее чашку чая и потом смотрели, как со временем падает температура этой воды.

На графике ниже вы можете увидеть наши наблюдения за чашкой чая во время охлаждения. Вы можете видеть, что сначала он быстро остывает, но затем выравнивается.Другими словами, чем больше движущая сила (разница температур чашки и окружающего воздуха), тем больше передается тепла. Чем холоднее чашка чая, тем меньше движущая сила, тем медленнее идет дальнейшее снижение тепла.

Эксперимент по охлаждению чашки чая в комнате при комнатной температуре. Синие точки — экспериментальные наблюдения, оранжевая линия — соответствие закону охлаждения Ньютона
Пример 2. Охлаждение напитков

Охлаждение вина, газированных напитков, пива или воды до нужной температуры для питья может оказаться непростой задачей.Вы можете опоздать, желая выпить его поскорее, а можете оказаться довольно рано, боясь переохладить свой напиток. Вот почему два студента (Альваро Диес и Тибор Пал) составили для вас руководство по расчету. Он также использует закон охлаждения Ньютона. Опять же, это не идеальный сценарий. Напитки не идеально однородны по температуре. Тем не менее, это достаточно близко, чтобы получить некоторые приличные приближения к закону Ньютона (и на самом деле разница в несколько градусов, как правило, не имеет большого значения!).

Еще немного теории

Теорий явления теплопередачи гораздо больше, чем мы могли бы охватить в одной статье. Мы упоминали число Био ранее. Это не обязательно для понимания вычислений, но полезно понять, что происходит.

Биот номер

Инженеры склонны использовать множество «чисел», чтобы определить, с каким типом сценария они имеют дело. Эти числа представляют собой отношения свойств системы, которую вы оцениваете, часто называемые безразмерными числами (поскольку они не имеют измерения).

Одно из этих чисел, число Био, говорит вам, находится ли этап ограничения скорости охлаждения пищи внутри или снаружи пищи. Чем меньше число Био (обычно <0,1), тем проще математические расчеты.

В качестве примера предположим, что у вас есть огромная кастрюля с чили, которую вы не перемешиваете. Вы, вероятно, можете себе представить, что тепло из внутренней части этого горшка уходит наружу. Как только тепло выходит наружу, оно может легко уйти.Однако, если вы сейчас возьмете небольшую кастрюлю, которую будете постоянно помешивать, теплу будет намного легче выйти наружу. В большом горшке с чили будет большое число Био, в маленьком хорошо перемешанном – намного меньшее.

Этот горшочек с рисом для ризотто будет иметь большее число Био, чем чашка чая!
Формула

Инженеры будут использовать следующую формулу для расчета числа Био (Bi).

Bi = L c * h/k

Где:

  • L c = характерная длина продукта
  • h = коэффициент теплопередачи (мера количества тепла, переносимого по площади поверхности на разность температур в градусах)
  • k = теплопроводность продукта (насколько хорошо продукт проводит тепло)

Даже не полностью понимая формулу, вы можете узнать несколько вещей:

  1. Более крупный продукт будет иметь большее число Био при прочих равных условиях
  2. Если трудно передать тепло от продукта во внешний мир (представлено в ч), число Био больше не может легко путешествовать (т.г. неперемешиваемый перец чили) имеет более высокое число Био (поскольку значение k будет низким)

Источники

Альфа Лаваль, Теория теплопередачи, ссылка

Неф, Р. , Теплообмен, Гиперфизика, ссылка

Википедия, закон охлаждения Ньютона, ссылка

Liquid Cooling – обзор

7.3 Испарители жидкостного охлаждения

Испарители жидкостного охлаждения могут быть с непосредственным расширением или затопленного типа. Геотермальные тепловые насосы обычно используют рассол в грунтовом коллекторе.Испаритель охлаждает рассол, после чего его снова отправляют обратно в землю для сбора тепла. Более подробно это рассматривается в главе: Тепловые насосы и интегрированные системы. Затопленные испарители (рис. 7.2) имеют корпус хладагента, кипящий беспорядочно, при этом пар выходит вверху. В случае аммиака любое присутствующее масло упадет на дно и будет слито из сливного бака или штуцера для слива масла.

Рисунок 7.2. Затопленные испарители. (а) Кожухотрубный, (б) с рубашкой, (в) дорожка качения.

В кожухотрубном типе охлаждаемая жидкость обычно находится в трубах, а кожух примерно на три четверти заполнен кипящим хладагентом (рис. 7.2а). Ряд трубок отсутствует в верхней части кожуха, чтобы дать пространство для выхода всасываемого газа над поверхностью без увлечения жидкостью. Дополнительные функции, такие как несколько выпускных коллекторов, купола всасывающих ловушек и перегородки, помогут избежать попадания капель жидкости в основную всасывающую трубу. Скорость газа не должна превышать 3 м/с, и некоторые разработчики используют более низкие значения.

Схема затопленного кожухотрубного типа в разрезе показана на рис. 7.3. Скорость жидкости внутри трубок должна быть около 1 м/с или более, чтобы способствовать внутренней турбулентности и хорошей теплопередаче.Перегородки на торцевой крышке ограничивают поток несколькими проходами, как и в кожухотрубном конденсаторе.

Рисунок 7.3. Кожухотрубный испаритель, затопленный.

Испарители жидкостного охлаждения могут включать змеевик в открытом баке и могут иметь схему затопления или прямого испарения. Затопленные змеевики будут соединены с комбинированным накопителем жидкости и всасывающим сепаратором (обычно называемым уравнительным барабаном) в виде горизонтального или вертикального барабана (см. рис. 7.2c и 7.4). Расширительный клапан поддерживает уровень жидкости в этом барабане, и создается естественная циркуляция за счет выхода пузырьков из жидкого хладагента на поверхности теплообменника.

Рисунок 7.4. Затопленный бак испарителя.

В кожухотрубных испарителях с контурами прямого испарения хладагент находится внутри труб, чтобы поддерживать подходящую непрерывную скорость для транспортировки масла, а жидкость находится в кожухе. Они могут быть кожухотрубными, с количеством проходов хладагента (рис. 7.5) или кожухо-змеевиковыми (см. рис. 7.6). В обеих этих конфигурациях со стороны воды необходимы перегородки для улучшения турбулентности, а трубы могут иметь оребрение снаружи.Внутренние вихревые полосы или провода помогают удерживать жидкий хладагент в контакте со стенкой трубы.

Рисунок 7.5. Кожухотрубные испарители прямого испарения Onda (Titan).

Рисунок 7.6. Кожухо-змеевиковый испаритель.

Распылительный охладитель работает с гораздо меньшим количеством хладагента, чем обычный затопленный испаритель. Уровень жидкого хладагента в кожухе уравнительного барабана поддерживается ниже труб, а жидкость перекачивается к распылительным форсункам, которые обеспечивают покрытие поверхности труб пленкой испаряющейся жидкости.По трубкам проходит вода или рассол. Выход газа на всасывание компрессора находится в верхней части кожуха, а устройство перегородки предотвращает унос капель жидкости. Благодаря распределению хладагента можно очень точно контролировать испарение. Испарение прекращается сразу же после прекращения распыления жидкости. По этим причинам рассол можно охлаждать до температуры, близкой к температуре его замерзания. Вода может быть охлаждена до температуры ниже 1°C при температуре испарения близкой к -2°C.

Змеевики прямого расширения для погружения в открытый резервуар должны быть в непрерывном контуре или в нескольких параллельных контурах (см. рис. 7.7). Скорость жидкости по таким змеевикам можно увеличить с помощью перегородок резервуара, а также могут быть специальные мешалки, как в резервуаре для производства льда. Змеевики внутри открытого резервуара могут собирать слой льда в периоды без нагрузки, тем самым обеспечивая аккумулирование тепла и резерв охлаждающей способности в периоды пиковой нагрузки (см. также главу: Распределенное охлаждение и обогрев).

Рисунок 7.7. Испаритель бака прямого расширения.

(а) Разрез, (б) фасад.

Пластинчатые теплообменники-испарители также широко используются. Теплообменник этого типа состоит из ряда гофрированных пластин типа «елочка», собранных в пакет (рис. 7.8). Углубления типа «елочка» расположены в противоположных направлениях друг к другу по отношению к каждой облицовочной пластине. Паяные пластинчатые теплообменники (ППТ) (рис. 7.9) имеют пластины из нержавеющей стали с медным покрытием с одной стороны.Во время изготовления они собираются и скрепляются торцевыми пластинами и нагреваются в условиях вакуума. Медь плавится и коагулирует в местах контакта и герметизирует краевые соединения. При охлаждении образуется структура чередующихся встречных каналов, разделенных только тонким слоем нержавеющей стали.

Рисунок 7.8. Принципиальная схема пластинчатого теплообменника (Alfa Laval).

Рисунок 7.9. Паяный пластинчатый теплообменник в сборе (Alfa Laval).

Объем хладагента, содержащегося в теплообменнике этого типа, составляет примерно 2 л на каждый квадратный метр площади охлаждения, что до 10 раз меньше, чем в многотрубных конструкциях.Это помогает поддерживать низкий уровень заряда хладагента и обеспечивает быструю реакцию на изменения потребности в энергии. Турбулентность, вызванная расположением каналов, приводит к очень высокому коэффициенту теплопередачи, обычно в три-четыре раза больше, чем в обычных трубчатых конструкциях. Противоток дает разность температур, близкую к идеальной. В холодильной системе BPHX все каналы для хладагента всегда окружены каналами для воды, так что каналов для воды на один больше, чем каналов для хладагента.Крайние из них – водные каналы.

Возможны различные конфигурации. При уменьшении высоты канала или увеличении угла гофра увеличивается перепад давления и теплоотдача. Аналогичный эффект дает увеличение длины пластин.

При использовании в качестве испарителя с непосредственным испарением скорость хладагента должна быть достаточно высокой для захвата масла, оставшегося после завершения испарения. В тех случаях, когда условия приводят к несмешиваемости, образование масляной пленки на смоченной поверхности может ухудшить теплопередачу.На секции перегрева влияние меньше, потому что в этой области происходит ощутимая теплопередача, и требуется скорость для переноса капель масла вверх.

Важно обеспечить хорошее распределение, чтобы хладагент поступал во все каналы равномерно. BPHX должен быть установлен вертикально так, чтобы вход хладагента был внизу. Трубка между расширительным клапаном и точкой входа должна быть короткой и небольшого диаметра, чтобы скорость жидкости переносила капли на дальнюю пластину.В некоторых конструкциях для облегчения этого процесса предусмотрены распределители. Неправильное распределение может вызвать неустойчивое поведение расширительного клапана и снизить давление испарения. Электронные расширительные клапаны, которые обеспечивают непрерывный поток, такие как типы с переменным отверстием, подходят, но из-за небольшого внутреннего объема BPHX клапан с импульсной модуляцией может вызвать неприемлемые колебания давления.

В более крупных установках могут использоваться пластинчатые и кожухотрубные теплообменники (рис. 7.10), работающие по аналогичному принципу.В этом случае используется сварная конструкция, что делает этот тип испарителя пригодным для хладагентов на основе аммиака и диоксида углерода. Их можно поддерживать залитыми хладагентом, работая в сочетании с уравнительным барабаном, в который жидкость дозируется с помощью поплавкового расширительного клапана. Пример такой сборки показан на рис. 7.11.

Рисунок 7.10. Кожухо-пластинчатый теплообменник Witt (титан).

Рисунок 7.11. Пластинчатый теплообменник Witt и уравнительный барабан в сборе (титан).

В тех случаях, когда вода должна быть охлаждена почти до температуры замерзания без риска повреждения испарителя, последний обычно располагается над резервуаром для сбора воды, а по трубам течет тонкая пленка воды. Теплопередача очень высока с тонкой движущейся пленкой жидкости, и, если образуется лед, он будет снаружи, сможет свободно расширяться и не повредит трубку. Такой испаритель называется охладителем Бодело (рис. 7.12). Он может быть открытым, заключенным в пыленепроницаемые кожухи, чтобы избежать загрязнения продукта (как в поверхностных охладителях молока и сливок), или может быть заключен в сосуд под давлением, как в охладителе Mojonniér для безалкогольных напитков, в котором давление углекислого газа повышается при в то же время.

Рисунок 7.12. Кулер Бодело.

Некоторые жидкости, такие как растительные жиры и смеси для мороженого, значительно увеличивают вязкость при охлаждении, прилипая к поверхности теплообменника. Испарители для этой цели устроены в виде полого барабана (см. рис. 7.2b), окруженного хладагентом и имеющего внутренние вращающиеся лопасти, которые соскребают продукт по мере его загустения, представляя чистую поверхность потоку продукта и толкая холодная паста по направлению к выходному отверстию.

Закон охлаждения Ньютона | Каролина.com

Эмметт Кокс
Координатор по управлению продуктами для физических наук


Предположим, вы пытаетесь охладить напиток. Остынет ли купленная вами газировка комнатной температуры к вечеринке? Теперь вы можете рассчитать, сколько времени понадобится напитку, чтобы достичь температуры холодильника. Все, что вам нужно сделать, это применить закон охлаждения Ньютона.

Закон охлаждения Ньютона гласит, что скорость охлаждения объекта пропорциональна разнице температур между объектом и окружающей средой.Проще говоря, стакан горячей воды быстрее остынет в холодной комнате, чем в жаркой. Этот простой принцип относительно легко доказать, и эксперимент дает повторяемые и воспроизводимые результаты. Этот эксперимент также является прекрасной возможностью для междисциплинарного урока, включающего физику и курсы продвинутой математики, такие как алгебра II, предварительное исчисление и исчисление.


Фон

Перед выполнением этих действий учащимся потребуется некоторая базовая информация по термодинамике.Учащиеся должны быть знакомы с первым и вторым законами термодинамики .

первый закон термодинамики в основном закон сохранения энергии. Это означает, что энергия может изменять форму. Горячая вода, которую вы используете для этого эксперимента, содержит тепло или тепловую энергию. Когда вы использовали плиту, микроволновую печь или плиту для нагрева воды, вы преобразовывали электрическую энергию в тепловую. Общее количество энергии во Вселенной постоянно.Энергия может менять форму, но общее количество остается прежним. Энергия сохраняется.

Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия или беспорядок во Вселенной всегда увеличивается. Для целей данного эксперимента это означает, что тепло всегда переходит от горячего объекта к холодному. Если ваш суп слишком горячий и вы добавляете немного льда, чтобы охладить суп, охлаждения не происходит, потому что «холод» переходит от льда к супу. Скорее, тепло от супа растапливает лед, а затем уходит в атмосферу.В этом эксперименте тепло от горячей воды передается воздуху, окружающему стакан с горячей водой.

Существует три способа передачи тепла.

  • Проводимость возникает при прямом контакте. Прикоснитесь к горячей плите, и тепло будет передано вашей руке.
  • Конвекция возникает при движении большого количества жидкости (жидкость означает жидкость или газ). Используйте вентилятор для охлаждения, и тепло передается от вас к окружающему воздуху за счет конвекции.
  • Излучение — передача тепла в виде волн. Встаньте на солнечный свет, и вы почувствуете тепло, передаваемое от солнца излучением.

Закон охлаждения Ньютона применяется к конвективному теплообмену; это не относится к тепловому излучению.

Закон охлаждения Ньютона гласит, что скорость теплообмена между объектом и окружающей его средой пропорциональна разнице температур между объектом и окружающей средой. Математически это представлено как:

Это также может быть выражено следующим уравнением:

У этого уравнения есть 2 общих решения. Если температура объекта T выше температуры окружающей среды T a , тогда:

 

                           

 

Уравнение 1:

 

Если температура окружающей среды T a меньше температуры объекта T, решение уравнения:


                    


Уравнение 2:


 

Решение дифференциального уравнения дает две экспоненциальные функции, которые можно использовать для прогнозирования будущей температуры охлаждаемого объекта в заданное время или времени, в течение которого объект охлаждается до заданной температуры.

В этом эксперименте стакан горячей воды будет охлаждаться до температуры окружающей среды, и будет использоваться следующее уравнение:


Уравнение 2:                                  


Примечание:
Подробная информация о выводе уравнений 1 и 2 находится в конце этой статьи.


Материалы
  • Вода
  • Стакан, 250 мл
  • Термометр
  • Горячая плита
  • Ледяная баня или холодильник
  • Научный калькулятор
  • Миллиметровая бумага или компьютер с программным обеспечением для работы с электронными таблицами


Безопасность

Соблюдайте все стандартные процедуры и протоколы безопасности в лаборатории.Носите соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ). Эта лабораторная работа включает в себя использование горячей плиты и горячей воды. Надевайте защитные очки при нагревании и перемещении горячей воды и используйте щипцы или термостойкие перчатки для перемещения горячей мензурки. Выключите и отсоедините конфорку, когда нагрев завершится, и не забывайте всегда обращаться с поверхностью конфорки так, как если бы она была горячей.


Процедура
Мероприятие 1: График и анализ данных для охлаждающей воды
  1. Используйте термометр для измерения температуры атмосферы.Запишите эту информацию как T a в Таблицу 1. ( Примечание: В качестве альтернативы для сбора данных можно использовать систему зондового программного обеспечения с датчиком температуры.)
  2. Нагрейте примерно 200 мл воды в стакане. Установите стакан на лабораторный стол, изолированный от поверхности стола, где его никто не будет беспокоить.
  3. Используйте термометр для записи температуры горячей воды. Запишите это значение как T(0) в Таблицу 1.
  4. Запустите таймер и продолжайте записывать температуру каждые 10 минут.Запишите эти данные в Таблицу 1.

Повторите процедуру, измерив температуру снаружи, в ледяной бане или в холодильнике для T a . Используйте тот же объем горячей воды, начиная с той же температуры. Запишите данные в Таблицу 1.

Постройте график и сравните свои результаты. График температуры по оси y и времени по оси x.

Если вы используете электронную таблицу для построения графика данных и добавляете линию тренда, выберите «Экспоненциальная функция.

Примечание: При необходимости конвертируйте из °F в °C.
°C = (5/9)(°F – 32)

Таблица 1

Температура (°C) Температура (°C) Время (минуты)
Т и Т и  
Т(0) Т(0) 0
Т(10) Т(10) 10
Т(20) Т(20) 20
Т(30) Т(30) 30
Т(40) Т(40) 40
Т(50) Т(50) 50
Т(60) Т(60) 60

Вопросы к занятию 1

  1. В чем разница в строке, обозначающей водяное охлаждение в классе и водяное охлаждение в холодильнике/снаружи?
  2. Как график говорит нам, верна наша гипотеза или нет?
  3. Что является независимой переменной в этом эксперименте?
  4. Что является зависимой переменной в этом эксперименте?
  5. Какие элементы управления использовались в этом эксперименте?
  6. Какие еще факторы могли повлиять на результаты этого эксперимента?

Образец данных для Действия 1



 

Ответы на задание 1

  1. Поскольку линия на графике идет слева направо, температура должна снижаться. Если закон охлаждения Ньютона верен, линия, изображающая более холодную атмосферу, должна уменьшаться быстрее.
  2.  Данные показывают, что образец воды, находящийся в атмосфере с более низкой температурой, охлаждается быстрее. Это согласуется с законом охлаждения Ньютона.
  3. Независимой переменной является температура.
  4. Зависимой переменной является время.
  5. Некоторыми элементами управления могут быть: вещество (вода), масса вещества (200 мл = 200 г воды), контейнер, температура атмосферы, стабильная атмосфера (отсутствие изменений температуры или конвекционных потоков от вентилятора или открытое окно).
  6. Факторы, которые могут быть изменены, включают: запуск при более высокой или более низкой температуре, использование другой массы воды, использование другого контейнера (например, термоса или чашки из пеноматериала) или использование другого вещества (например, раствора сахара или тарелка супа). Вы также можете провести эксперимент с холодной жидкостью и горячей атмосферой, например, согревшись стаканом холодной воды в жаркий день.

Упражнение 2: Работа с уравнением закона охлаждения Ньютона

Это упражнение представляет собой математическое упражнение.Примените Уравнение 2 к данным, собранным в Упражнении 1, чтобы предсказать температуру воды в данный момент времени.

Когда температура воды или вещества, которое охлаждается, T, больше, чем температура окружающей атмосферы T a ¸ решение этого уравнения:


Температура как функция времени зависит от переменных C 2 , k и T a .Если эти значения известны, то температуру t в любое время можно найти, просто подставив это время вместо t в уравнение. Или время, за которое объект достигает определенной температуры, можно найти, найдя t и подставив T (t) вместо заданной температуры.

Рассмотрим следующий набор данных для образца воды объемом 200 мл, который охлаждается в течение часа.


Стол 2


Температура (°С)
Время (минуты)
Т и    25  
Т(0) 72 0
Т(10) 59 10
Т(20) 52 20
Т(30) 46 30
Т(40) 40 40
Т(50) 37 50
Т(60) 29 60

Начиная с экспоненциального уравнения, найдите C 2 и k.

Найдите C 2 , подставив данные о времени и температуре вместо T(0).


При t = 0 температура равна 72. При t = 0 становится равной 1.



Теперь используйте другую точку данных, чтобы найти значение k.




Чтобы найти значение k, возьмите натуральный логарифм обеих сторон:




Теперь используйте эти 2 константы, чтобы предсказать температуру в будущем, и используйте данные в таблице 1, чтобы проверить ответ.

Попробуйте найти температуру в момент времени t = 40 минут.



Используйте калькулятор, чтобы найти значение:

Это близко к дате выборки в таблице 2.

Теперь попробуйте предсказать, сколько времени потребуется, чтобы температура достигла 30°.



Взятие натурального бревна с обеих сторон:


Решение для t:

Детали для получения уравнений 1 и 2

Студенты, имеющие некоторый опыт в вычислениях, могут захотеть узнать, как вывести уравнения 1 и 2.

Начните решать дифференциальное уравнение, переставив уравнение:

Интегрируйте обе стороны:


По определению это означает:


Используя законы экспонент, это уравнение можно записать как:


Количество e C1 является константой, которая может быть выражена как C 2 .


У этого уравнения есть 2 общих решения.Одно из решений состоит в том, что вещество при температуре T горячее, чем температура окружающей среды T a . Поскольку выражение в левой части уравнения находится между столбцами абсолютного значения, (T – T a ) может быть как положительным, так и отрицательным.

Решения, как указано ранее, даются:

Уравнение 1:

 

Уравнение 2:

 

Уравнение 1 применяется, если температура объекта или вещества T выше температуры окружающей среды T a ; Уравнение 2 применяется, если температура окружающей среды выше температуры объекта или вещества.

Что делать, если температура атмосферы теплее, чем образец вещества? Как долго стакан лимонада будет оставаться холодным в летний день?

В случае, если атмосфера теплее вашего материала, решение закона охлаждения Ньютона выглядит так:


                  

Можете ли вы разработать процедуру проверки этого уравнения? Начните с образца холодной воды и повторите процесс, описанный в Упражнении 2. Попробуйте предсказать, сколько времени потребуется, чтобы вода достигла комнатной температуры.

Скорость охлаждения | Охлаждение и хранение | Основы послеуборочной обработки

Эйнштейн писал «Энергию нельзя создать или уничтожить, ее можно только преобразовать из одной формы в другую».

Тепло – это просто тепловая энергия. Энергия всегда будет естественным образом перемещаться из высоких областей (горячих) в низкие (холодные). Охлаждение включает в себя ускорение этого процесса, активное перемещение тепловой энергии от продукта к охлаждающей среде, а затем к более широкой окружающей среде.

Скорость, с которой это происходит, определяется:

  • Объемный расход и тип охлаждающей среды
  • Площадь поверхности
  • Теплопроводность
  • Разница температур между продуктом и охлаждающей средой 

Охлаждающая среда  

Охлаждение может происходить за счет проводимости, конвекции или излучения. Воздух и вода отводят тепловую энергию от продуктов за счет теплопроводности и конвекции.Вода во много раз эффективнее отводит тепло, чем воздух.

 Передача тепловой энергии может происходить по трем механизмам: 

  • Проводка
  • Конвекция
  • Радиация

Теплопроводность возникает, когда теплопередача происходит без какого-либо потока материалов. Если коробки с горячими продуктами поставить вместе с коробками с холодными продуктами, проводимость в конечном итоге выровняет температуры. То есть холодный продукт будет нагреваться, а теплый – охлаждаться, пока все не будут иметь одинаковую температуру.

Если горячая упаковка уложена среди холодных, теплопроводность со временем выровняет температуру в стопке. Горячая коробка будет охлаждаться, а холодная коробка будет слегка нагреваться.

Конвекция включает передачу тепла движением воздуха или воды. Движение переносит энергию из места с высокой температурой в место с низкой температурой. Системы принудительного воздушного и гидроохлаждения используют конвекцию для отвода тепла от овощей в систему охлаждения, где энергия поглощается.

Гидроохлаждение — это охлаждение за счет конвекции, когда энергия передается от продукта к движущейся воде.

Излучение – это передача тепла электромагнитными волнами. Это механизм, с помощью которого тепло передается от солнца к земле, от тостера к ломтику хлеба и от холодного комнатного света к хранящимся продуктам.

Когда теплый продукт охлаждается, энергия сначала проходит через поверхность в процессе передачи в воздух, воду, упаковку или соседние овощи. Затем он уносится от продукта конвекцией.

Воздух плохой проводник тепла. По сути, он считается теплоизолятором. Наполненный перьями спальный мешок одновременно легкий и невероятно теплый, потому что он задерживает внутренний воздух, сохраняя его неподвижным между слоями перьев и материала. Это предотвращает передачу тепла от тела внутрь к наружному воздуху.

Вода лучше проводит тепло. Даже без теплой одежды можно выжить и вести активный образ жизни при 0°С и ниже.Однако человек в воде с температурой 0°C, скорее всего, потеряет сознание в течение примерно 15 минут и проживет менее одного часа.

Холодная вода может отводить тепло более чем в 20 раз быстрее, чем воздух. Фактически это означает, что для достижения того же уровня охлаждения, что и количество холодной воды, требуется гораздо больший объем воздуха.

Если собранный продукт оставить на открытом воздухе, он нагреется из-за солнечного излучения.

Площадь поверхности

Передача тепловой энергии в охлаждающую среду происходит через поверхность. Объекты с большой площадью поверхности по сравнению с их объемом быстрее остывают. Для упакованного продукта системы принудительного воздушного и гидроохлаждения увеличивают эффективную площадь поверхности от внешней стороны коробки или поддона до площади содержащегося продукта.

Тепловая энергия — тепло — может передаваться только в точке контакта между охлаждающей средой и продуктом.

Для одного овоща, окруженного холодным воздухом или водой, площадь поверхности по отношению к объему будет большой, даже для круглого продукта, такого как тыква.

Однако, если продукт был упакован в картонную коробку или все еще находится в бункере для сбора урожая, эффективной площадью поверхности является внешняя часть контейнера, а не оболочка продукта. Площадь поверхности бункера по отношению к его объему очень мала, что приводит к низкой скорости охлаждения.


Теплопередача происходит через поверхность, контактирующую с охлаждающей средой. Для одного продукта на воздухе, которым является его оболочка, тогда как для продукта в мусорном ведре или упакованного в картонную коробку площадь поверхности равна площади контейнера.

Можно увеличить эффективную площадь поверхности продукта в контейнерах или картонных коробках, нагнетая воздух (или воду) через контейнер. Это позволяет отводить тепло непосредственно от поверхности продукта. Принудительное воздушное охлаждение эффективно делает это, пропуская воздух через контейнер через поверхность содержащихся продуктов. Гидроохлаждение также обеспечивает прямой контакт между продуктом и охлаждающей средой, что значительно увеличивает скорость охлаждения, даже если продукт все еще находится в бункере для сбора урожая.

Теплопроводность

Теплопроводность определяет, насколько быстро можно отвести тепло от конкретного овоща. На это влияет его структура и другие физические свойства.

Теплопроводность показывает, насколько легко отводить тепло от определенного овоща. На это влияет форма, структура и состав кожи.

Слои воздуха, находящиеся между обернутыми листьями, такими как капуста или салат, снижают теплопроводность.Это означает, что они медленнее остывают, особенно по сравнению с твердыми овощами аналогичного размера и формы, такими как тыква.

Тонкая кожура, например, у моркови, и большая площадь поверхности, например у зелени, также увеличивают теплопроводность. Грибы лишены кожицы и более чем на 90% состоят из воды, поэтому их теплопроводность самая высокая среди всех свежих продуктов.


Теплопроводность различных овощей, ранжированная от низкой к высокой.

Разность температур и время охлаждения

Овощи остывают быстрее всего при большой разнице температур между ними и охлаждающей средой. По мере приближения к заданному значению они медленно охлаждаются. Следовательно, время охлаждения — это не время, необходимое для достижения заданного значения, а время, необходимое для снижения на 7/8 или 3/4 исходного перепада температур.

Разница температур между продуктом и охлаждающей средой является еще одним фактором изменения температуры.Большой перепад приводит к быстрому охлаждению. Однако по мере того, как температура продукта приближается к температуре окружающего воздуха или воды, температура изменяется медленнее.

На то, чтобы продукт достиг той же температуры, что и подаваемый воздух, могут уйти часы или дни. В некоторых случаях он никогда не достигает этой точки, поскольку тепло, выделяемое при дыхании, сохраняет продукт немного теплее, чем его окружение.

Овощи, помещенные в прохладное помещение, сначала быстро остывают.Однако охлаждение замедляется по мере приближения к температуре комнатного воздуха.

По этой причине скорость охлаждения обычно выражается в единицах времени, необходимого для охлаждения продукта на «3/4» или «на 7/8». Это рассчитывается как время, за которое 3/4 или 7/8 начальной разницы температур между продуктом и охлаждающей средой должны быть удалены.

Например, головка брокколи, температура которой при сборе урожая составляет 25 °C, помещенная в прохладное помещение с температурой 5 °C, будет охлаждаться на 3/4 при охлаждении до 10 °C и на 7/8 при температуре 7 °C.5 ° С. Для брокколи, первоначально при 30 ° C, помещенной в прохладное помещение с температурой 2 ° C, 3/4 и 7/8 охлаждения будут достигнуты при 9 ° C и 5,5 ° C соответственно.

Поскольку продукту требуется много времени, чтобы достичь той же температуры, что и воздух в холодильной камере, скорость охлаждения обычно выражается как время, необходимое для охлаждения продукта на 3/4 или 7/8.

Где следует определять скорость охлаждения при длительном замораживании образца?

Было проведено компьютерное моделирование для расчета переходного процесса охлаждения и затвердевания в различных местах в плоской пластинчатой ​​морозильной камере, заполненной изотоническим раствором (0. 9 мас.% NaCl в воде). Одномерная модель учитывает влияние внешних условий охлаждения, стенки контейнера, морозильного мешка и неплоского затвердевания водного раствора. Установлено, что скорость охлаждения внутри образца увеличивается от участков, примыкающих к внутренней поверхности пакета, к центру. Важным результатом для криобиологических экспериментов был тот факт, что геометрический центр образца, обычно используемое место для определения скорости охлаждения, не репрезентативен для всего объема образца.Хуже того, расчеты показали, что центр зачастую является наименее представительным местом. В качестве альтернативы было определено наиболее подходящее место для измерения скорости охлаждения. При предполагаемом поверхностном охлаждении и геометрических условиях было рассчитано оптимальное положение при x/(d/2) примерно 2/3 (x — пространственная координата, берущая начало на внутренней поверхности морозильного мешка; d — толщина образца), т.е. на расстоянии одной трети от центра и двух третей от внутренней поверхности контейнера для проб. Допустив 50-процентный диапазон изменения, скорость охлаждения, измеренная в этой точке, составляет не менее 80% всего объема образца. Признак выживаемости, т. е. функциональная зависимость выживаемости клеток от скорости охлаждения (определяемой в одном месте), для фиктивного вида клеток также зависит от места определения температуры: «оптимальная» скорость охлаждения как бы смещается, и форма подписи изменяется в зависимости от места, где определяется скорость охлаждения.

.