Лекция №3. Температура. Теплота. Формы распространения

Каждый здоровый человек может оценить, когда ему жарко, а когда холодно. От холода нас охватывает озноб, а открытый огонь обжигает. Интуитивно понятие температуры появилось как меры градации наших ощущений тепла и холода; на бытовом уровне температура воспринимается как параметр, служащий для количественного описания степени нагретости того или иного тела.

В физике определение температуры будет звучать следующим образом:

температура является мерой теплового состояния или степени нагрева тел. В свою очередь, тепловое состояние тела характеризуется скоростью движения его молекул или средней внутренней энергией тела. Чем больше скорость движения молекул, тем выше температура тела.

Тела способны как принимать, так и отдавать тепло. Если температура взаимодействующих тел одинакова, про них говорят, что такие объекты находятся в тепловом равновесии.

При эксплуатации котельных установок, такой параметр как температура является одним из ключевых. Необходимо учитывать, что при увеличении температуры тела расширяются, т.е. увеличиваются в объеме. Этот фактор должен учитываться при проектировке котлов и трубопроводов, а также при их обмуровке и обслуживании.

Единицей измерения температуры является градус. В настоящее время существует несколько температурных шкал. Рассмотрим самые распространенные:

Практическая стоградусная шкала Цельсия.

Градус Цельсия назван в честь шведского учёного Андерса Цельсия (рисунок 11), предложившего в 1742 году новую шкалу для измерения температуры.

Рисунок 11 – Андерс Цельсий

Практическая стоградусная шкала имеет две постоянные точки: плавления льда, которая принимается за 0°С, и кипения воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.,), принятая за 100 °С.

Интересный факт: первоначально в практической шкале за ноль была принята точка кипения воды, а за 100 °C — температура замерзания воды (точка плавления льда). Позже, уже после смерти Цельсия, его современники и соотечественники ботаник Карл Линней и астроном МортенШтремер использовали эту шкалу в перевёрнутом виде (за 0°C стали принимать температуру таяния льда, а за 100°C — кипения воды). В таком виде шкала и используется до нашего времени.

Термодинамическая или абсолютная Кельвина

В системе СИ используют шкалу с началом отсчета от абсолютного нуля, разработанную Уильямом Томсоном лордом Кельвином (рисунок 12).

Абсолютный нуль характеризуется отсутствием движения молекул и отвечает температуре, которая ниже 0°С на 273,15 °С (примерно 273 °С). При абсолютно нуле любое движение молекул в теле прекращается.

Рисунок 12 - Уильям Томсон лорд Кельвин

Температурная шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов разделён интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт (рисунок 13), до температуры человеческого тела.

Рисунок 13 – Даниель Габриель Фаренгейт

Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

Теплота – это энергия, которая может передаваться от более нагретого тела к менее нагретому при непосредственном контакте или излучением. Она вызывается хаотическим движением частиц из которого состоит тело.

За единицу измерения теплоты принята калория (кал), которая равна количеству тепла, необходимого для нагревания 1 грамма воды на 1°С (при температуре (t) от 19,5 до 20,5 °С) при нормальном атмосферном давлении 760 мм рт. ст.

В системе единиц СИ единицей измерения теплоты является джоуль (Дж) - универсальная единица работы, энергии и количества тепла.

Одна калория примерно равна 4,2 Дж.

В телах энергия в виде тепла способна передаваться с помощью излучения, за счет теплопроводности, и за счет конвекции,

Излучение(радиация) - это передача тепла от одного тела к другому на расстояние с помощью электромагнитных волн, например, от горящего факела к поверхностям нагрева (рисунок 14)

Рисунок 14 – Передача тепла излучением

Теплопроводность - вид теплопередачи, при которой перенесение тепла имеет атомно-молекулярный характер и происходит без макроскопического движения в теле. Например, в стенке трубы котла от внешней поверхности к внутренней (рисунок 15).

Рисунок 15 – Теплопроводность, как способ передачи тепла

Теплопроводность у различных веществ так же различна. Это необходимо учитывать, как при проектировании (выборе материалов для различных элементов), так и при эксплуатации котлов. Такие отложения как накипь и сажа, появляющиеся в процессе работы, значительно снижают эксплуатационные показатели.

Рисунок 16 – Накипь внутренней поверхности трубы