Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Материаловедение -Лабораторный практикум.doc
Скачиваний:
47
Добавлен:
03.12.2018
Размер:
10.2 Mб
Скачать

3.2. Расчет теплоты на фазовые превращения материалов

Материал может быть в виде твердого, жидкого или газообразного состояния. Соответственно и фазовыми превращениями могут быть при нагреве: плавление и испарение, а при охлаждении: конденсация и затвердевание.

Суммарный расход тепла Q на нагрев твердого материала Qнтм и расплавления Qпл материала, на нагрев жидкого материала до температуры кипения Qнжм и ее испарение Qисп находят в виде суммы (рис. 3.1) этих составляющих:

Q=Qнтм +Qпл + Qнжм +Qисп.

Так, для плавления льда надо подводить тепло. Сначала температура его будет повышаться от минусовой до 0С, но в процессе плавления льда температура не будет увеличиваться, т.е. будет какой-то промежуток времени с нулевой температурой. Для перевода полученной воды в пар, т.е. в газообразное состояние, вновь потребуются затраты тепловой энергии сначала на нагрев воды от 0С до 100С, а затем на ее кипение.

Слагаемые этой формулы в соответствии с рисунком 3.1 находятся по элементарным зависимостям:

Qнтм = сm(tпл -t н);

Qпл= кплm;

Qнжм= сm(tпл -tкип);

Qисп= rиспm.

Для расчета по этим формулам коэффициенты и значения температур принимаются из табл.3.1:

с - теплоемкость, кДж/(кгхК);

кпл - удельная теплота плавления, кДж/кг;

tпл - температура плавления, С;

tкип - температура кипения, С.

Таблица 3.1

Температуры плавления и кипения, удельная теплота плавления некоторых материалов

Вещество

Удельная теплоемкость с, кДж/(кгхК)

Температура плавления tпл, С

Удельная теплота плавления кпл, кДж/кг

Температура кипения tкип, С

1

2

3

4

5

6

7

8

Лед (вода)

Алюминий

Медь

Цинк

Олово

Свинец Сталь

Титан

2,1 (4,2*)

0,91

0,39

0,35

0,22

0,13

0,50

0,47

0

658

1083

419

232

327

1539

1668

334

397

176

111

60

23

84

36

(100*)

2400

2580

906

2600

1750

2900

3260

*- относится к воде

При переходе воды в пар, т.е. до газообразного состояния удельная теплота парообразования rисп составляет 2,26 МДж/кг.

При расчетах следует учитывать размерность коэффициентов табл.3.1 и парообразования (1МДж =103кДж = 106 Дж).

Пример расчета

Задача: Расплавить 1500 грамм свинца, находящегося при температуре -25 ºС.

Сначала определяем (табл. 3.1 и 3.2) затраты тепла на нагрев свинца от -25 ºС до температуры плавления +327 ºС:

Qнагр.св. =0,13 кДж/(кгхК) х 1,5 кг х (327+25) К=68,6 кДж.

Далее находим (табл. 3.3) затраты тепла на процесс плавления свинца:

Qплавл. св. = 23,0 кДж/(кгхК) х 1,5 кг= 34,5 кДж.

Суммарные затраты тепла составят:

Q=68,6 + 34,5= 103,1 кДж.

В табл. 3.2 даны варианты материалов, их начальных температур и конечных фазовых состояний.

Таблица 3.2

Варианты* фазовых превращений материалов

Материалы

Масса, г

Начальная температура, ºС

Задание на нагрев

1

Лед

1500

-10 ºС

Вскипятить

2

Лед

1500

-25 ºС

Вскипятить

3

Лед

1500

-40 ºС

Вскипятить

4

Лед

1500

0 ºС

Нагреть воду до +40 ºС

5

Лед

1500

-20 ºС

Растопить лед

6

Вода

1500

+10 ºС

Вскипятить воду

7

Вода

2500

+10 ºС

Вскипятить воду

8

Вода

2500

+30 ºС

Вскипятить воду

9

Вода

1500

+30 ºС

Испарить воду

10

Вода

1500

+20 ºС

Испарить воду

11

Вода

600

+20 ºС

Испарить воду

12

Вода

600

+10 ºС

Испарить воду

13

Вода

600

+30 ºС

Испарить воду

14

Вода

600

+40 ºС

Испарить воду

15

Алюминий

500

-30 ºС

Расплавить

16

Алюминий

500

+30 ºС

Расплавить

17

Алюминий

500

0 ºС

Расплавить

18

Медь

500

-30 ºС

Расплавить

19

Медь

500

+30 ºС

Расплавить

20

Сталь

500

-30 ºС

Расплавить

21

Сталь

500

-30 ºС

Расплавить

22

Сталь

500

0 ºС

Расплавить

23

Олово

500

-20 ºС

Расплавить

24

Олово

500

-30 ºС

Расплавить

25

Олово

500

0 ºС

Расплавить

26

Свинец

500

-30 ºС

Расплавить

27

Свинец

500

-20 ºС

Расплавить

28

Свинец

500

ºС

Расплавить

29

Алюминий

2000

+20 ºС

Расплавить

30

Олово

2000

+20 ºС

Расплавить

*- здесь и далее номер варианта совпадает с порядковым номером студента в списке группы