3. Галузі застосування калориметрів

Результати калориметричних вимірювань широко застосовуються у теплотехніці, металургії, хімічній і харчовій промисловості, в ядерній енергетиці, космічній техніці, в біологічних, хімічних і фізичних дослідженнях. Їх використовують для вимірювання теплоємності матеріалів, теплотворної властивості палива, теплоти фазових переходів, теплових ефектів хімічних і ядерних реакцій, намагнічування, електризації, розчинення, сорбції, реакцій обміну речовини в живих організмах тощо. Калориметричні дані використовують для розрахунків термодинамічних функцій, характеристик нових технологій у металургії, хімії, матеріалознавстві.

Запитання для самоконтролю

1. Чим займається калориметрія? Походження терміна.

2. Історичне значення результатів калориметричних досліджень.

3. Другий закон термодинаміки.

4. Теорема Остроградського-Гауса.

5. Які існують джерела виділення теплоти?

6. Який механізм поглинання теплоти?

7. Що таке питома теплоємність?

8. Як визначається одиниця вимірювання теплової енергії у системі СІ?

9. Яке співвідношення між калорією і джоулем?

10. Принципи дії і особливості конструкції адіабатичних калориметрів.

11. Принципи дії і особливості конструкції ізотермічних калориметрів.

12. Принципи дії і особливості конструкції діатермічних калориметрів.

13. Методи і засоби градуювання адіабатичних калориметрів.

14. Чому дорівнює коефіцієнт градуювання льодового калориметра?

15. Методи і засоби градуювання діатермічних калориметрів.

16. Галузі застосування калориметричних вимірювань.

Модуль 2. Сучасна теплометрія

Тема 4. Вимірювання теплопровідності

План.

1. Механізми теплообміну: конвекція, теплова радіація, теплопровідність.

2. Потреби у вимірюванні теплопровідності.

3. Методи і засоби вимірювання теплопровідності.

4. Метрологічне забезпечення вимірювання теплопровідності.

1. Механізми теплообміну: конвекція, теплова радіація, теплопровідність

Перенос теплової енергії може відбуватися за допомогою різних механізмів: теплопровідності, конвекції і випромінювання, у зв'язку з цим розрізняють відповідно кондуктивний, конвективний і радіаційний теплові потоки. Тепловим потоком називають кількість теплоти, що переноситься крізь поверхню теплообміну за одиницю часу, він вимірюється в Дж/с (Вт). Для характеристики теплових потоків звичайно використовується величина густини теплового потоку, що визначається кількістю теплоти, що проходить через одиницю поверхні за одиницю часу і вимірюється у Вт/м².

Кондуктивний тепловий потік - це потужність енергії, переданої через шар речовини за рахунок теплопровідності, що, з фізичної точки зору, являє собою перенос енергії внаслідок теплового руху й енергетичної взаємодії між мікрочастинками (молекулами, атомами, електронами). Процес теплопровідності нерозривно зв'язаний з температурним полем, з різницею температур. Кількість теплової енергії Q, переданої шаром речовини товщиною δ через поверхню площею F, описується законом теплопровідності Фур’є:

Q = λF(T₁ – T₂)/δ, (1)

де T₁ і T₂ – температури на поверхнях (зовнішній і внутрішній) шару,

λ – коефіцієнт теплопровідності матеріалу шару, Вт/мК.

Процес переносу теплоти в рідинах і газах, у яких молекули не займають фіксованого положення, а постійно його змінюють, здійснюється не тільки теплопровідністю, але ще й внаслідок макроскопічного руху, при якому теплота передається від одної області середовища до іншої разом з масами речовини. Такий процес теплопереносу одержав назву конвективного теплообміну, а потужність переданої при цьому тепловій енергії - конвективного теплового потоку.

В інженерній практиці часто маємо справу зі стінками, що розділяють рідини або гази. Рівняння конвективного теплообміну описується формулою Ньютона:

, (2)

де α – коефіцієнт теплообміну між стінкою і рідиною (газом),

F – площа поверхні теплообміну,

Tрід і Tст – температури відповідно рідини (газу) і стінки.

Радіаційний тепловий потік - це потужність енергії, переданої нагрітим тілом шляхом теплового випромінювання (електромагнітне випромінювання інфрачервоного діапазону). Теплове випромінювання залежить від температури тіла. Усі тіла генерують і поглинають теплові випромінювання (а також відбивають і переломлюють їх). Тіла випромінюють енергію у вигляді безперервного (суцільного) або переривчастого спектра по довжинах хвиль.

Закон Вина описує залежність інтенсивності теплового випромінювання від температури, яка має лінійний характер, і добре виконується у низькотемпературній області (до 100-200°С). При більш високих температурах працює закон Стефана–Больцмана, який встановлює залежність інтенсивності випромінювання теплової енергії нагрітим тілом від його температури у 4-му ступені (Т⁴). Зазначені закономірності є наближеннями, які виводяться із квантово-механічного закону теплового випромінювання, встановленого Максом Планком у 1900 році. Зрозуміло, що радіаційний теплообмін відіграє значну роль при високих температурах – у процесі передачі сонячної енергії на Землю, світла і тепла від звичайних електроламп, у топках котлів, металургійних печах тощо. Хоча при точних теплових вимірюваннях необхідно враховувати радіаційну складову теплообміну навіть при кімнатних температурах.