Реферат на тему визначення термодинамічних властивостей різних речовин і матеріалі
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2014-08-07Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Міністерство Освіти і Науки України
Львівський Інститут Економіки і Туризму
Реферат
На тему: «Методи визначення термодинамічних показників властивостей різних речовн і матеріалів»
Підготувала
ст.гр ТОПХ – 07
Мулик Тетяна
Перевірив
Караван Ю.В.
Львів 2008 р.
План
Вступ
1. Класифікація та методи вимірювання
2. Термодинамічні величини
1.1 Термодинамічна температура
1.2 Температурний градієнт
1.3 Температурний коефіцієнт відносної зміни фізичної величини
1.4 Теплота, кількість теплоти
1.5 Тепловий потік
1.6 Коефіцієнт теплообміну
1.7 Теплоємність тіла (системи)
1.8 Ентропія
1.9 Термодинамічний потенціал
1.10 (Термічний) коефіцієнт корисної дії
Родоначальник вітчизняної метрології - великий російський вчений Д.І. Менделєєв - визначив значення вимірювання для наукового та технічного прогресу так: "Наука починається з тих пір, як починають вимірювати... Точна наука не мислима без міри... У природі міра та вага суть головні знаряддя пізнання та немає настільки малого, від якого не залежало б усе найбільше".
Усе зростаючу роль відіграють вимірювання в наш час - час бурхливого розвитку електроніки, атомної енергетики, електронно-обчислювальних машин (ЕОМ), освоєння космосу. Висока точність керування польотами космічних апаратів досягнута завдяки сучасним ЗВТ, встановленим як на самих космічних об'єктах так та у вимірювально-керуючих центрах. Усе більшу роль відіграють вимірювання у виробництві. Самі технологічні процеси зараз значною мірою складаються з вимірювальних операцій, питома вага яких усе більш зростає завдяки автоматизації.
Будь-який технологічний процес характеризується великою кількістю параметрів, які змінюються в широких межах. Для підтримки формального режиму технологічного процесу необхідно вимірювати його параметри. Поряд з цим, чим достовірніше виконуються вимірювання технологічних параметрів, тим вище якість продукції, що випускається. Сучасні підприємства з неперервним характером виробництва, наприклад, нафтохімічного профілю, для підтримки якості продукції використовують вимірювання різноманітних фізичних параметрів таких, як рівень, час, склад речовини (густина, вологість, вміст хімічних домішок тощо), напруга, струм, швидкість тощо. Кількість вимірювальних параметрів при цьому може досягати декількох тисяч (в атомній енергетиці — до десятків тисяч). Практично нема такої області науки і техніки або галузі народного господарства, яка б могла обійтися без вимірювання. По мірі розвитку науки і техніки роль вимірювань безупинно збільшується.
Вимірювання є гарантом забезпечення ефективності технологічних процесів та високої якості продукції. Без вимірювань неможливі всі дослідження науки і техніки. біології, медицині, сільському господарстві, в охороні довкілля
Особливу роль мають вимірювання у вирішенні найважливішої виробничої задачі будь-якої держави - підвищенні якості продукції, тому що всі показники якості являють собою розміри, контрольовані за допомогою відповідних ЗВТ на всіх стадіях виробництва продукції.
2. Класифікація та методи вимірювання
Вимірювання фізичних величин, зокрема і термодинамічних, є основою як наукового експерименту, так і масових вимірювань в усіх галузях народного господарства. Досліджуючи об'єкт чи технологічний процес, доводиться вимірювати багато різних фізичних величин та параметрів технологічних процесів.
Загалом вимірювання фізичних величин є багатоступінчастим процесом, що поєднує як саму процедуру вимірювань з її типовими вимірювальними операціями, так і ряд підготовчих та заключних процедур, які необхідно виконати до та після самих вимірювань.
Процес вимірювання можна розділити на три етапи:
- підготовка та планування вимірювань;
- виконання вимірювань;
- опрацювання та аналіз отриманих даних.
Вимірювання класифікують за такою схемою
Існує велика кількість методів вимірювання. Одну та ту ж величину можна вимірювати декількома різноманітними методами. Вибір того або іншого з них визначається видом вимірюваної величини, необхідною точністю, швидкістю проведення вимірювання, економічними міркуваннями.
В залежності від характеру використання основні методи прямих вимірювань розподіляють на дві групи: метод безпосереднього оцінювання фізичних величин та метод порівняння.
Метод безпосереднього оцінювання вимірювання - значення величини отримують безпосередньо по відрахунковому пристрою вимірювального приладу прямої дії.
Методи порівняння засновані на порівнянні вимірюваної величини з іншою, що відтворюється мірою. Вони забезпечують більш високу точність вимірювання, проте вимірювальні прилади, засновані на цьому методі, як правило, складніші в конструктивному відношенні. Розрізняють такі різновиди методів порівняння:
Метод порівняння з мірою - це метод вимірювання, при якому вимірювана величина порівнюється з іншою, що відтворюється мірою. Наприклад, вимірювання напруг постійного струму на конденсаторі порівнянням із ЕДС нормального елемента.
Метод протиставлень - метод порівняння з мірою, при якому вимірювана величина та величина, що відтворена мірою, одночасно впливають на прилад порівняння, за допомогою якого встановлюється співвідношення між цими величинами. Наприклад, вимірювання маси на рівноплечих вагах з розміщенням вимірюваної маси та зрівноважуючих її гир на двох шальках ваг; вимірювання частоти за фігурами Ліссажу.
Диференціальний метод - метод порівняння з мірою, при якому на вимірювальний прилад діє різниця між вимірюваною та відтвореною мірою величиною. Цей метод дозволяє одержати результати з високою точністю, навіть при застосуванні відносно грубих приладів. Прикладом методу може бути вимірювання ЕРС ( Ех ) порівнянням її з еталонною ЕРС ( Еет ).
Метод заміщень - метод порівняння з мірою, при якому вимірювану величину заміщують відомою величиною, відтвореною мірою. При цьому методі вимірювана величина заміщується відтвореною мірою величиною таким чином, що показання індикатора вимірювального приладу залишаються незмінним. Прикладом може служити зважування з почерговим розміщенням вимірюваної маси та гир на одну та ту ж саму шальку ваг.
Метод збіжностей - метод порівняння з мірою, при якому різииця між вимірюваною величиною та величиною, що відтворена мірою, вимірюється за допомогою використання збіжності позначок шкал або періодичних сигналів. Цей метод використовується при вимірюванні довжини за допомогою штангенциркуля з ноніусом. Сюди також відносяться методи, що використовують явища биття, стробоскопічний ефект, інтерференцію світлових хвиль тощо.
Нульовий метод - метод порівняння з мірою, при якому результуючий ефект дії вимірювальної величини та відомої величини, яка відтворюється мірою, на приладі порівняння доводять до нуля. Метод застосовується в тому випадку, коли використовується багатозначна міра (міра, що відтворює ряд однойменних величин різноманітного розміру) або набір мір. Класичним прикладом використання нульового методу є різноманітні мостові схеми для вимірювання індуктивностей, ємностей та інших величин.
3.Термодинамічні величини
Будь-який процес вимірювання безпосередньо або побічно заснований на порівнянні вимірювальної фізичні величини із деяким розміром, умовно прийнятим за одиницю. Отже, принципова можливість проведення вимірювання може бути реалізована тільки в тому випадку, якщо встановлений спосіб досить точного фізичного відтворення одиниці фізичні величини у вигляді конкретного зразка - еталона одиниці. Тому науково-обгрунтований вибір одиниць, побудова їхніх систем, а також створення відповідної системи еталонів є найважливішими проблемами метрології. Історично склалося так, що рівнобіжний та майже незалежний розвиток різноманітних галузей науки й техніки призвів до появи багатьох систем одиниць фізичних величин та великого числа позасистемних одиниць. Існуюча і зараз множинність одиниць викликає необхідність перекладу значень фізичних величин з одних одиниць в інші, гальмує розвиток промисловості, ускладнює науково-технічні й економічні зв'язки між різними країнами, вивчення наукових дисциплін.
В міру розвитку метрології було встановлено, що доцільним є такий вибір одиниць, при якому одиниці деяких розмірів установлюють довільно, незалежно один від одного (такі одиниці називають основними), а одиниці інших розмірів виражають через основні, виходячи з фізичних формул (визначальних рівнянь), що пов'язують вимірювальні величини з основними (такі одиниці називають похідними).
Основними термодинамічними одиницями є:
1.Термодинамічна температура - [T,]; (thermodynamic temperature, термодинамическая температура) - температура, що відлічується за термодинамічною шкалою температур від абсолютного нуля.
Термодинамічна температура та її одиниця є основними величиною та одиницею СІ, тому як і для інших основних одиниць, розмірність та одиницю температури обирають довільно:
dim T = , [T] =1 K. Кельвін (К, К) - дорівнює 1/273,16 термодинамічної температури потрійної точки води.
У межах СІ можна застосовувати також температуру Цельсія
1.1 Температура Цельсія - [t]; (Celsius temperature, температура Цельсия) - температура, яка визначається рівністю t = T - T0,де за визначенням T0 = 273,15 К, тобто T0 є точно на 0,01 К нижчою від термодинамічної температури потрійної точки води.
Зрозуміло, що розмірність температури Цельсія така сама, що й термодинамічної температури, але температура Цельсія має свою одиницю, яку завжди можна застосовувати нарівні з кельвіном:
dim t = , [t]= 1 оС.
Градус Цельсія (оС, оС) - похідна одиниця СІ, яка є спеціальною назвою для одиниці кельвін і використовується для вираження значень температури Цельсія.
Як одиниця температурного інтервалу градус Цельсія точно дорівнює кельвіну:
1 К = 1 оС. З огляду на це стандарти дозволяють використовувати як одиниці температурних інтервалів або різниці температур нарівні кельвін та градус Цельсія.
Для практичних вимірювань 1990 р. було запроваджено нову Міжнародну температурну шкалу (МТШ-90), яка замінила раніше використовувані Міжнародну практичну температурну шкалу (МПТШ-68) та Тимчасову температурну шкалу 1976 р. для температур від 0,5 К до 30 К. МТШ-90 базується на визначеній кількості фіксованих точок та інтерполяційних процедурах, що виконуються з допомогою визначених засобів вимірювань, і визначає температури, нижчі від 0,65 К. Величини, що відповідають термодинамічній температурі та температурі Цельсія та визначені за цією шкалою, позначаються відповідно Т90 та t90; при цьому t90 = Т90 - Т0.
Т90 має назву "Міжнародна температура Кельвіна", а t90 – "Міжнародна температура Цельсія. Одиницями Т90 та t90 є відповідно кельвін і градус Цельсія, так само, як і для температур Тта t.
Розглянемо найуживаніші позасистемні одиниці температури, які проте не допустимі до застосування.
1.2 Градус Реомюра (оR, оR): 1 оR = 5/4 оC.
Температура за шкалою Реомюра (tR) переводиться в температуру за шкалою Цельсія за формулою tR = 4/5 t.
Реперні точки шкали Реомюра: температура танення льоду (0 оR) та температура кипіння води (80 оR); розмір градуса Реомюра визначено як 1/80 частка температурного інтервалу між цими реперними точками. Звідси й отримано раніше наведені співвідношення для 1 оR та tR.
1.3 Градус Фаренгейта (оF, оF) 1 оF = 5/9 оC.
Температура за шкалою Фаренгейта (tf) переводиться в температуру за шкалою Цельсія за формулою t = 5/9(tf - 32).
Реперні точки шкали Фаренгейта: температура танення льоду (32 оF) та температура кипіння води (212 оF); розмір градуса Фаренгейта визначено як 1/100 частка температурного інтервалу між цими реперними точками. Звідси й отримано раніше наведені співвідношення для 1 оF та tf.
1.4 Градус Ренкіна (оRa ,оRa)1 оRa = 1 оF = 5/9 оC.
Температура за шкалою Ренкіна (tF) переводиться в температуру за шкалою Цельсія за формулою t = 5/9tF - 273,15.
Розмір градуса Ренкіна дорівнює розміру градуса Фаренгейта, але відлік температурної шкали Ренкіна починається з абсолютного нуля температури.
Температурні шкали Фаренгейта та Ренкіна досі застосовуються в англійськомовних країнах, зокрема у Великобританії та США, а шкала Реомюра практично вже не вживається.
2.Температурний градієнт - [gradT]; (temperature gradient, температурный градиент) - векторна фізична величина, напрям якої збігається з нормаллю до поверхні рівних температур у бік збільшення температури, а числове значення дорівнює частинній похідній за цим напрямом:
gradT = де х - напрям, вказаний у визначенні, іx- одиничний вектор осі Оx.
dim gradT = L-1, [gradT] = 1 K/м.
Кельвін на метр (K/m, К/м) - дорівнює градієнту в такому температурному полі, де збільшення температури на 1 К у напрямі її найшвидшого зростання відбувається на відстані 1м.
3.Температурний коефіцієнт відносної зміни фізичної величини - [a,b,...]; (thermal coefficient of physical magnitude’с fractional range, температурный коэффициент относительного изменения физической величины) - фізична величина, що дорівнює відношенню відносної зміни dX/X0 деякої фізичної величини до зміни температури dT, що спричинило зазначену зміну фізичної величини. a= dX/(X0dT),де X0 - вихідне (відлікове) значення величини Х, яке в кожному випадку має бути визначене окремо.
Для повного визначення будь-якого температурного коефіцієнта відносної зміни фізичної величини слід обов’язково вказати тип зазначеної зміни та умови, в яких ця зміна відбувається. Далі наведено приклади коефіцієнтів такого типу.
3.1.Температурний коефіцієнт лінійного розширення - [a1]; (linear expansion coefficient, температурный коэффициент линейного расширения):
a1= dl/(l0dT),де l - довжина тіла (X = l), l0 - початкова довжина тіла.
3.2. Температурний коефіцієнт об’ємного розширення - [av]; (cubic expansion coefficient, температурный коэффициент объемного расширения
де V - об’єм тіла чи системи (X = V); V0 - об’єм тіла чи системи при 273,15 К (процес підвищення температури відбувається ізобарно).
3.3(Відносний) коефіцієнт тиску - [ap]; (relative divssure coefficient, температурный коэффициент давления)де р - тиск системи (X = p); р0- тиск системи при 273,15 К (тиск у системі змінюється при ізохорному збільшенні температури).Розмірність та одиниця будь-якого температурного коефіцієнта дорівнюють dim a = -1, [a] = 1 K-1.Кельвін у мінус першому степені (К-1, К-1) - дорівнює температурному коефіцієнту відносної зміни фізичної величини, при якому зміна температури на 1 К від вихідної спричинить таку відносну зміну зазначеної величини, що дорівнює одиниці.
4.Теплота, кількість теплоти - [Q]; (heat; теплота, количество теплоты) - скалярна фізична величина, що характеризує передавання енергії від одного тіла до іншого або її перетворення з однієї форми на іншу, коли в цьому процесі не відбувається перенесення речовини і не виконується робота.Теплота є функцією процесу. У ізотермічному процесі з першого закону термодинаміки маємоQ = А,де А - робота, яку виконує система, коли вона ізотермічно розширюється. Отже, розмірності й одиниці теплоти та роботи збігаються:
Львівський Інститут Економіки і Туризму
Реферат
На тему: «Методи визначення термодинамічних показників властивостей різних речовн і матеріалів»
Підготувала
ст.гр ТОПХ – 07
Мулик Тетяна
Перевірив
Караван Ю.В.
Львів 2008 р.
План
Вступ
1. Класифікація та методи вимірювання
2. Термодинамічні величини
1.1 Термодинамічна температура
1.2 Температурний градієнт
1.3 Температурний коефіцієнт відносної зміни фізичної величини
1.4 Теплота, кількість теплоти
1.5 Тепловий потік
1.6 Коефіцієнт теплообміну
1.7 Теплоємність тіла (системи)
1.8 Ентропія
1.9 Термодинамічний потенціал
1.10 (Термічний) коефіцієнт корисної дії
Вступ
Вимірювання є одним із найважливіших шляхів пізнання природи людиною. Воно дає кількісну характеристику навколишньому світу, розкриває діючі в природі закономірності. Математика, фізика, електроніка стали іменуватися точними науками тому, що завдяки вимірюванням одержали можливість встановлювати точні кількісні співвідношення, що виражають об'єктивні закони природи.Родоначальник вітчизняної метрології - великий російський вчений Д.І. Менделєєв - визначив значення вимірювання для наукового та технічного прогресу так: "Наука починається з тих пір, як починають вимірювати... Точна наука не мислима без міри... У природі міра та вага суть головні знаряддя пізнання та немає настільки малого, від якого не залежало б усе найбільше".
Усе зростаючу роль відіграють вимірювання в наш час - час бурхливого розвитку електроніки, атомної енергетики, електронно-обчислювальних машин (ЕОМ), освоєння космосу. Висока точність керування польотами космічних апаратів досягнута завдяки сучасним ЗВТ, встановленим як на самих космічних об'єктах так та у вимірювально-керуючих центрах. Усе більшу роль відіграють вимірювання у виробництві. Самі технологічні процеси зараз значною мірою складаються з вимірювальних операцій, питома вага яких усе більш зростає завдяки автоматизації.
Будь-який технологічний процес характеризується великою кількістю параметрів, які змінюються в широких межах. Для підтримки формального режиму технологічного процесу необхідно вимірювати його параметри. Поряд з цим, чим достовірніше виконуються вимірювання технологічних параметрів, тим вище якість продукції, що випускається. Сучасні підприємства з неперервним характером виробництва, наприклад, нафтохімічного профілю, для підтримки якості продукції використовують вимірювання різноманітних фізичних параметрів таких, як рівень, час, склад речовини (густина, вологість, вміст хімічних домішок тощо), напруга, струм, швидкість тощо. Кількість вимірювальних параметрів при цьому може досягати декількох тисяч (в атомній енергетиці — до десятків тисяч). Практично нема такої області науки і техніки або галузі народного господарства, яка б могла обійтися без вимірювання. По мірі розвитку науки і техніки роль вимірювань безупинно збільшується.
Вимірювання є гарантом забезпечення ефективності технологічних процесів та високої якості продукції. Без вимірювань неможливі всі дослідження науки і техніки. біології, медицині, сільському господарстві, в охороні довкілля
Особливу роль мають вимірювання у вирішенні найважливішої виробничої задачі будь-якої держави - підвищенні якості продукції, тому що всі показники якості являють собою розміри, контрольовані за допомогою відповідних ЗВТ на всіх стадіях виробництва продукції.
2. Класифікація та методи вимірювання
Вимірювання фізичних величин, зокрема і термодинамічних, є основою як наукового експерименту, так і масових вимірювань в усіх галузях народного господарства. Досліджуючи об'єкт чи технологічний процес, доводиться вимірювати багато різних фізичних величин та параметрів технологічних процесів.
Загалом вимірювання фізичних величин є багатоступінчастим процесом, що поєднує як саму процедуру вимірювань з її типовими вимірювальними операціями, так і ряд підготовчих та заключних процедур, які необхідно виконати до та після самих вимірювань.
Процес вимірювання можна розділити на три етапи:
- підготовка та планування вимірювань;
- виконання вимірювань;
- опрацювання та аналіз отриманих даних.
Вимірювання класифікують за такою схемою
Існує велика кількість методів вимірювання. Одну та ту ж величину можна вимірювати декількома різноманітними методами. Вибір того або іншого з них визначається видом вимірюваної величини, необхідною точністю, швидкістю проведення вимірювання, економічними міркуваннями.
В залежності від характеру використання основні методи прямих вимірювань розподіляють на дві групи: метод безпосереднього оцінювання фізичних величин та метод порівняння.
Метод безпосереднього оцінювання вимірювання - значення величини отримують безпосередньо по відрахунковому пристрою вимірювального приладу прямої дії.
Методи порівняння засновані на порівнянні вимірюваної величини з іншою, що відтворюється мірою. Вони забезпечують більш високу точність вимірювання, проте вимірювальні прилади, засновані на цьому методі, як правило, складніші в конструктивному відношенні. Розрізняють такі різновиди методів порівняння:
Метод порівняння з мірою - це метод вимірювання, при якому вимірювана величина порівнюється з іншою, що відтворюється мірою. Наприклад, вимірювання напруг постійного струму на конденсаторі порівнянням із ЕДС нормального елемента.
Метод протиставлень - метод порівняння з мірою, при якому вимірювана величина та величина, що відтворена мірою, одночасно впливають на прилад порівняння, за допомогою якого встановлюється співвідношення між цими величинами. Наприклад, вимірювання маси на рівноплечих вагах з розміщенням вимірюваної маси та зрівноважуючих її гир на двох шальках ваг; вимірювання частоти за фігурами Ліссажу.
Диференціальний метод - метод порівняння з мірою, при якому на вимірювальний прилад діє різниця між вимірюваною та відтвореною мірою величиною. Цей метод дозволяє одержати результати з високою точністю, навіть при застосуванні відносно грубих приладів. Прикладом методу може бути вимірювання ЕРС ( Ех ) порівнянням її з еталонною ЕРС ( Еет ).
Метод заміщень - метод порівняння з мірою, при якому вимірювану величину заміщують відомою величиною, відтвореною мірою. При цьому методі вимірювана величина заміщується відтвореною мірою величиною таким чином, що показання індикатора вимірювального приладу залишаються незмінним. Прикладом може служити зважування з почерговим розміщенням вимірюваної маси та гир на одну та ту ж саму шальку ваг.
Метод збіжностей - метод порівняння з мірою, при якому різииця між вимірюваною величиною та величиною, що відтворена мірою, вимірюється за допомогою використання збіжності позначок шкал або періодичних сигналів. Цей метод використовується при вимірюванні довжини за допомогою штангенциркуля з ноніусом. Сюди також відносяться методи, що використовують явища биття, стробоскопічний ефект, інтерференцію світлових хвиль тощо.
Нульовий метод - метод порівняння з мірою, при якому результуючий ефект дії вимірювальної величини та відомої величини, яка відтворюється мірою, на приладі порівняння доводять до нуля. Метод застосовується в тому випадку, коли використовується багатозначна міра (міра, що відтворює ряд однойменних величин різноманітного розміру) або набір мір. Класичним прикладом використання нульового методу є різноманітні мостові схеми для вимірювання індуктивностей, ємностей та інших величин.
3.Термодинамічні величини
Будь-який процес вимірювання безпосередньо або побічно заснований на порівнянні вимірювальної фізичні величини із деяким розміром, умовно прийнятим за одиницю. Отже, принципова можливість проведення вимірювання може бути реалізована тільки в тому випадку, якщо встановлений спосіб досить точного фізичного відтворення одиниці фізичні величини у вигляді конкретного зразка - еталона одиниці. Тому науково-обгрунтований вибір одиниць, побудова їхніх систем, а також створення відповідної системи еталонів є найважливішими проблемами метрології. Історично склалося так, що рівнобіжний та майже незалежний розвиток різноманітних галузей науки й техніки призвів до появи багатьох систем одиниць фізичних величин та великого числа позасистемних одиниць. Існуюча і зараз множинність одиниць викликає необхідність перекладу значень фізичних величин з одних одиниць в інші, гальмує розвиток промисловості, ускладнює науково-технічні й економічні зв'язки між різними країнами, вивчення наукових дисциплін.
В міру розвитку метрології було встановлено, що доцільним є такий вибір одиниць, при якому одиниці деяких розмірів установлюють довільно, незалежно один від одного (такі одиниці називають основними), а одиниці інших розмірів виражають через основні, виходячи з фізичних формул (визначальних рівнянь), що пов'язують вимірювальні величини з основними (такі одиниці називають похідними).
Основними термодинамічними одиницями є:
1.Термодинамічна температура - [T,]; (thermodynamic temperature, термодинамическая температура) - температура, що відлічується за термодинамічною шкалою температур від абсолютного нуля.
Термодинамічна температура та її одиниця є основними величиною та одиницею СІ, тому як і для інших основних одиниць, розмірність та одиницю температури обирають довільно:
dim T = , [T] =1 K. Кельвін (К, К) - дорівнює 1/273,16 термодинамічної температури потрійної точки води.
У межах СІ можна застосовувати також температуру Цельсія
1.1 Температура Цельсія - [t]; (Celsius temperature, температура Цельсия) - температура, яка визначається рівністю t = T - T0,де за визначенням T0 = 273,15 К, тобто T0 є точно на 0,01 К нижчою від термодинамічної температури потрійної точки води.
Зрозуміло, що розмірність температури Цельсія така сама, що й термодинамічної температури, але температура Цельсія має свою одиницю, яку завжди можна застосовувати нарівні з кельвіном:
dim t = , [t]= 1 оС.
Градус Цельсія (оС, оС) - похідна одиниця СІ, яка є спеціальною назвою для одиниці кельвін і використовується для вираження значень температури Цельсія.
Як одиниця температурного інтервалу градус Цельсія точно дорівнює кельвіну:
1 К = 1 оС. З огляду на це стандарти дозволяють використовувати як одиниці температурних інтервалів або різниці температур нарівні кельвін та градус Цельсія.
Для практичних вимірювань 1990 р. було запроваджено нову Міжнародну температурну шкалу (МТШ-90), яка замінила раніше використовувані Міжнародну практичну температурну шкалу (МПТШ-68) та Тимчасову температурну шкалу 1976 р. для температур від 0,5 К до 30 К. МТШ-90 базується на визначеній кількості фіксованих точок та інтерполяційних процедурах, що виконуються з допомогою визначених засобів вимірювань, і визначає температури, нижчі від 0,65 К. Величини, що відповідають термодинамічній температурі та температурі Цельсія та визначені за цією шкалою, позначаються відповідно Т90 та t90; при цьому t90 = Т90 - Т0.
Т90 має назву "Міжнародна температура Кельвіна", а t90 – "Міжнародна температура Цельсія. Одиницями Т90 та t90 є відповідно кельвін і градус Цельсія, так само, як і для температур Тта t.
Розглянемо найуживаніші позасистемні одиниці температури, які проте не допустимі до застосування.
1.2 Градус Реомюра (оR, оR): 1 оR = 5/4 оC.
Температура за шкалою Реомюра (tR) переводиться в температуру за шкалою Цельсія за формулою tR = 4/5 t.
Реперні точки шкали Реомюра: температура танення льоду (0 оR) та температура кипіння води (80 оR); розмір градуса Реомюра визначено як 1/80 частка температурного інтервалу між цими реперними точками. Звідси й отримано раніше наведені співвідношення для 1 оR та tR.
1.3 Градус Фаренгейта (оF, оF) 1 оF = 5/9 оC.
Температура за шкалою Фаренгейта (tf) переводиться в температуру за шкалою Цельсія за формулою t = 5/9(tf - 32).
Реперні точки шкали Фаренгейта: температура танення льоду (32 оF) та температура кипіння води (212 оF); розмір градуса Фаренгейта визначено як 1/100 частка температурного інтервалу між цими реперними точками. Звідси й отримано раніше наведені співвідношення для 1 оF та tf.
1.4 Градус Ренкіна (оRa ,оRa)1 оRa = 1 оF = 5/9 оC.
Температура за шкалою Ренкіна (tF) переводиться в температуру за шкалою Цельсія за формулою t = 5/9tF - 273,15.
Розмір градуса Ренкіна дорівнює розміру градуса Фаренгейта, але відлік температурної шкали Ренкіна починається з абсолютного нуля температури.
Температурні шкали Фаренгейта та Ренкіна досі застосовуються в англійськомовних країнах, зокрема у Великобританії та США, а шкала Реомюра практично вже не вживається.
2.Температурний градієнт - [gradT]; (temperature gradient, температурный градиент) - векторна фізична величина, напрям якої збігається з нормаллю до поверхні рівних температур у бік збільшення температури, а числове значення дорівнює частинній похідній за цим напрямом:
gradT = де х - напрям, вказаний у визначенні, іx- одиничний вектор осі Оx.
dim gradT = L-1, [gradT] = 1 K/м.
Кельвін на метр (K/m, К/м) - дорівнює градієнту в такому температурному полі, де збільшення температури на 1 К у напрямі її найшвидшого зростання відбувається на відстані 1м.
3.Температурний коефіцієнт відносної зміни фізичної величини - [a,b,...]; (thermal coefficient of physical magnitude’с fractional range, температурный коэффициент относительного изменения физической величины) - фізична величина, що дорівнює відношенню відносної зміни dX/X0 деякої фізичної величини до зміни температури dT, що спричинило зазначену зміну фізичної величини. a= dX/(X0dT),де X0 - вихідне (відлікове) значення величини Х, яке в кожному випадку має бути визначене окремо.
Для повного визначення будь-якого температурного коефіцієнта відносної зміни фізичної величини слід обов’язково вказати тип зазначеної зміни та умови, в яких ця зміна відбувається. Далі наведено приклади коефіцієнтів такого типу.
3.1.Температурний коефіцієнт лінійного розширення - [a1]; (linear expansion coefficient, температурный коэффициент линейного расширения):
a1= dl/(l0dT),де l - довжина тіла (X = l), l0 - початкова довжина тіла.
3.2. Температурний коефіцієнт об’ємного розширення - [av]; (cubic expansion coefficient, температурный коэффициент объемного расширения
де V - об’єм тіла чи системи (X = V); V0 - об’єм тіла чи системи при 273,15 К (процес підвищення температури відбувається ізобарно).
3.3(Відносний) коефіцієнт тиску - [ap]; (relative divssure coefficient, температурный коэффициент давления)де р - тиск системи (X = p); р0- тиск системи при 273,15 К (тиск у системі змінюється при ізохорному збільшенні температури).Розмірність та одиниця будь-якого температурного коефіцієнта дорівнюють dim a = -1, [a] = 1 K-1.Кельвін у мінус першому степені (К-1, К-1) - дорівнює температурному коефіцієнту відносної зміни фізичної величини, при якому зміна температури на 1 К від вихідної спричинить таку відносну зміну зазначеної величини, що дорівнює одиниці.
4.Теплота, кількість теплоти - [Q]; (heat; теплота, количество теплоты) - скалярна фізична величина, що характеризує передавання енергії від одного тіла до іншого або її перетворення з однієї форми на іншу, коли в цьому процесі не відбувається перенесення речовини і не виконується робота.Теплота є функцією процесу. У ізотермічному процесі з першого закону термодинаміки маємоQ = А,де А - робота, яку виконує система, коли вона ізотермічно розширюється. Отже, розмірності й одиниці теплоти та роботи збігаються:
dim Q = L2MT-2, [Q] = 1 Дж.
Джоуль (J, Дж) – дорівнює теплоті, що еквівалентна роботі 1 Дж.
Рекомендовано такі кратні та частинні одиниці теплоти: кДж, MДж, ГДж, TДж, ПДж, EДж; мДж.Оскільки теплота є однією з найуживаніших у техніці фізичних величин, для неї в різні часи вводилися різні одиниці. Серед них нині найчастіше зустрічаються такі.
4.1.Калорія (cal, кал) - історично перша практична одиниця теплоти ("калорія" - від лат. calor, що означає "тепло, жар, спека"). Уперше її ввів шведський фізик І.Вільке. Визначення калорії було пов’язано з теплоємністю води, яка залежить від температури. Тому й розмір калорії залежав від умов нагрівання, початкової температури та температурної шкали. З огляду на це було запропоновано надати чинності єдиній калорії, що дістала назву міжнародної. Уперше це було зроблено 1929 р. на 1 Міжнародній конференції з властивостей води та водяної пари (Лондон). Протягом майже сімдесяти років визначення калорії кілька разів змінювалось, тому сьогодні вживається кілька видів калорій, з яких допустимі до застосування у спеціальних галузях такі:
міжнародна калорія (calIT, калмн): 1 калмн = 4,1868 Дж;
15-градусна калорія (cal15, кал15): 1 кал15 = 4,1865 Дж;
термохімічна калорія (calth, калтх): 1 калтх = 4,1840 Дж.
У колишньому СРСР до 1957 р. під назвою калорія застосовувалась 20-градусна калорія (cal20, кал20): 1 кал20 = 4,1820 Дж, яка нині не допустима до застосування.
В англійськомовних країнах досі використовується особлива одиниця теплоти
4.2.британська теплова одиниця (Btu, Бто): 1 Бто = 1055,056 Дж,яка згідно з чинним стандартом України не допустима до застосування. (раніше застосовувалось дещо інше позначення цієї одиниці: B.T.U.).Як і у випадку з калорією, існують різні види британської теплової одиниці, а саме:
термохімічна британська теплова одиниця (Btuth, Бтотх): 1 Бтотх = 1054,36 Дж;
середня британська теплова одиниця (Btumean, Бтоср): 1 Бтоср = 1054,35 Дж.
5.Тепловий потік - [Ф]; (heat flow rate, тепловой поток) - фізична величина, що дорівнює теплоті dQ, яка переноситься через визначену поверхню за час dt:
Ф = dQ/dt. dim Ф = L2MT-3,
[Ф] = 1 Вт.Ват (W, Вт) - дорівнює тепловому потоку, еквівалентному механічній потужності 1 Вт.Рекомендованою до застосування є кратна одиниця теплового потоку кВт.
Не допустимими до застосування, але вживаними позасистемними одиницями теплового потоку є такі:
калорія на секунду (cal/s, кал/с): 1 кал/с = 4,1868 Вт;
кілокалорія на годину (kcal/h, ккал/год): 1 ккал/год = 1,163 Вт.
5.1.Поверхнева густина теплового потоку - [q, ]; (areic heat flow rate, поверхностная плотность теплового потока) - векторна фізична величина, модуль якої дорівнює першій похідній теплового потоку за площею поверхні, через яку він проходить, а напрям збігається з напрямом переміщення теплоти:
де n - одиничний вектор нормалі до поверхні в напрямі перенесення теплоти.
dim q = MT-3, [q] = 1 Вт/м2.Ват на квадратний метр (W/m2, Вт/м2) - дорівнює поверхневій густині теплового потоку 1 Вт, рівномірно розподіленого по поверхні площею 1м2.
5.2Коефіцієнт теплопровідності, теплопровідність, - [, k]; (thermal conductivity, коэффициент теплопроводности) - скалярна фізична величина, що характеризує інтенсивність процесу теплопровідності в даній речовині й дорівнює відношенню модуля густини теплового потоку, спричиненого теплопровідністю, що протікає через деяку поверхню, до модуля градієнта температури на цій поверхні.
Це визначення випливає із закону Фур’єдо якого l входить як коефіцієнт пропорційності.dim = LMT-3-1, [] = 1 Вт/(м·K).
Ватнаметр-кельвін [W/(m·K), Вт/(м·K)] дорівнює коефіцієнту теплопровідності речовини,в якій при стаціонарному режимі теплопровідності з поверхневою густиною теплового потоку 1 Вт/м2 установлюється температурний градієнт 1 К/м. Існує багато вживаних, але не допустимих до застосування позасистемних одиниць коефіцієнта теплопровідності, наприклад:
1 ерг/(с·cм·oC) = 10-5 Вт/(м·K);
1 ккал/(год·м·oC) = 1,163 Вт/(м·K);
1 кал/(с·cм· oC) = 4,187·102 Вт/(м·K).
6. Коефіцієнт теплообміну - [K, k, a]; (coefficient of heat transfer, коэффициент теплообмена) - фізична величина, що характеризує передавання теплоти між двома середовищами і дорівнює відношенню поверхневої густини q теплового потоку, що протікає межу поділу середовищ до різниці температур T між ними:K = q/T.dim K = MT-3-1, [K] = 1 Вт/(м2·K).
Ват на квадратний метр-кельвін [W/(m2·K), Вт/(м2·K)] - дорівнює коефіцієнту теплообміну, що відповідає поверхневій густині теплового потоку 1 Вт/м2 при різниці температур 1 К.Існує багато вживаних, але не допустимих до застосування позасистемних одиниць коефіцієнта теплообміну, наприклад:
1 ерг/(с·cм2·oC) = 10-3 Вт/(м2·K); 1 ккал/(год·cм2·oC) = 1,16 Вт/(м2·K);
1 кал/(с·cм2·oC) = 4,187Вт/(м2·K); 1 Бто/(год·фут2·oF) = 5,68 Вт/(м2·K).
6.1. Коефіцієнт теплопередавання - [h,a]; (surface coefficient of heat transfere, коэффициент теплопередачи) - фізична величина, що характеризує передавання теплоти від одного середовища до іншого через стінку (межу поділу) і дорівнює відношенню поверхневої густини q стаціонарного теплового потоку на стінці (межі поділу) до різниці між температурою Тs стінки (поверхні поділу) та температурою Тt зовнішнього середовища :h = q/(Тs-Тt).Коефіцієнт теплопередавання має такі самі розмірність і одиницю, що й коефіцієнт теплообміну.
6.2. Коефіцієнт теплоізоляції, теплоізоляція [M];(thermal insulance, коэффициент теплоизоляции) - фізична величина, обернена до коефіцієнта теплообміну К:
M = 1/К.dim M = М-1T3, [M] = 1 (м2·K)/Вт.
Квадратний метр-кельвін на ват [(m2·K)/W, (м2·K)/Вт] - дорівнює коефіцієнту теплоізоляції, який відповідає коефіцієнту теплообміну 1 Вт/(м2 K).
У будівництві цю величина часто називають термічним (тепловим) опором і позначають символом R.
6.3. Коефіцієнт температуропровідності, температуропровідність - [a]; (thermal diffusivity, коэффициент температуропроводности) - фізична величина, що характеризує швидкість зрівнювання температури в середовищі за умов нестаціонарної теплопровідності та дорівнює відношенню коефіцієнта теплопровідності l речовини до добутку її питомої масової теплоємності cp при постійному тиску й густини r:
a = l/cpr. dim a = L2T-1, [a] = 1м2/с.
Квадратний метр на секунду (m2/с, м2/с) дорівнює температуропровідності речовини з теплопровідністю 1 Вт/(м·K), питомою масовою теплоємністю при постійному тиску 1 Дж/(кг·K) і сталою густиною 1 кг/м3.
7. Теплоємність тіла (системи) - [C]; (heat capacity of body (system), теплоемкость тела (системы)) - фізична величина, що дорівнює відношенню елементарної кількості теплоти dQ, яка витрачається на нагрівання тіла (системи), при якому температура тіла (системи) підвищується на dT, до цієї різниці температур:C = dQ/dT.
Теплоємність є функцією процесу і тому залежить не лише від властивостей речовини, з якої складається тіло (система), а й від типу процесу нагрівання. Найуживанішими різновидами теплоємності є ізобарна теплоємність CP (при постійному тиску) та ізохорна CV(при постійному об’ємі).
dim C = L2MT-2-1, [C] = 1 Дж/K.
Джоуль на кельвін (J/K, Дж/K) - дорівнює теплоємності системи, температура якої підвищується на 1 К при підведенні до системи теплоти 1 Дж.
Рекомендовано кратну одиницю кДж/K.
7.1. Питома (масова) теплоємність - [c]; (massic heat capacity, удельная (массовая) теплоемкость) - фізична величина, що дорівнює відношенню теплоємності C тіла (системи) до маси м тіла (системи)
c = C/m. dim c = L2T-2-1, [c] = 1 Дж/(кг·K).
Джоуль на кілограм-кельвін (J/(kg·K), Дж/(кг·K)) - дорівнює питомій масовій теплоємності однорідного тіла (системи) масою1 кг з теплоємністю 1 Дж/K.
Рекомендовано кратну одиницю кДж/(кг·K).
Через те що питома масова теплоємність досить поширена в техніці, для неї історично було введено багато позасистемних одиниць. Нині всі вони є не допустимі до застосування. Наведемо найуживаніші з них.
1 ерг/(г ·oC) = 10-4 Дж/(кг·K); 1 ккал/(кг·oC) = 4,187·103 Дж/(кг·K);
1 кал/(г·oC) = 4,187·103 Дж/(кг·K); 1 Бто/(фунт·oF) = 4,187·103 Дж/(кг·K).
Залежно від процесу передавання теплоти тілу (системі) розрізняють різні види питомої (масової) теплоємності, визначення яких випливають з їхніх назв:
7.1.1. питома (масова) теплоємність при постійному тиску - [cp]; (massic heat capacity at constant divssure, удельная теплоемкость при постоянном давлении);
7.1.2.питома (масова) теплоємність при постійному об’ємі - [cV]; (massic heat capacity at constant volume, удельная теплоемкость при постоянном объеме);
7.1.3. питома (масова) теплоємність при кипінні - [csat]; (massic heat capacity at saturation, удельная теплоемкость при кипении).
7.2. Питома об’ємна теплоємність - [Сv]; (heat capacity per unit volume, удельная объемная теплоемкость) - фізична величина, що дорівнює добутку питомої (масової) теплоємності c тіла (системи) та густини речовини r за умови незмінності об’єму тіла (системи): Сv=cr
dim Сv = L-1MT-2-1, [Сv] = 1 Дж/(м3'K).
Джоуль на кубічний метр-кельвін (J/(m3·K), Дж/(м3·K)) дорівнює питомій об’ємній теплоємності тіла (системи), яке має питому масову теплоємність 1 Дж/(кг·К) та густину 1 кг/м3.
Зауважимо, що майже таким самим символом (CV) – позначається вживана набагато частіше, ніж питома об’ємна теплоємність, величина - молярна теплоємність при постійному об’ємі. Якщо в тексті ці величини зустрічаються разом, то для питомої об’ємної теплоємності краще застосовувати інший символ.
7.3. Відношення питомих (масових) теплоємностей - []; (ratio of the massic heat capacities, отношение удельных теплоемкостей) - фізична величина, що дорівнює відношенню питомої (масової) теплоємності при
постійному тиску cp до питомої (масової) теплоємності при постійному об’ємі cV:= cp/cV. тdim = 1, [] = 1.
8. Ентропія - [S]; (entropy, энтропия) - функція стану системи, диференціал якої в елементарному оборотному процесі дорівнює відношенню нескінченно малої теплоти dQ, переданої системі, до її абсолютної температури T:
dS = dQ/T
Ентропію пов’язано зі статистичною вагою стану системи W (див. підрозд.4.8) згідно з формулою Больцмана S = kВ·lnW, де kВ - стала Больцмана. Це співвідношення дозволяє надати ентропії фізичного змісту міри безладдя, хаосу в системі. Згідно з другим законом термодинаміки в ізольованих системах можливий довільний перебіг лише таких процесів, у яких ентропія системи не зменшується. У рівноважному стані ентропія ізольованої системи максимальна
.dim S = L2MT-2-1, [S] = 1 Дж/K.Джоуль на кельвін (J/K, Дж/K) - дорівнює зміні ентропії системи, яка має температуру n K, коли протягом ізотермічного процесі цій системі надається кількість теплоти n Дж (n -довільне ціле число).Рекомендованою кратною одиницею ентропії є кДж/K.
9.Термодинамічний потенціал - [-]; (thermodynamic potential, термодинамический потенциал) - характеристична функція стану системи, зміна якої в рівноважному (оборотному) процесі, що перебігає при незмінних значеннях визначеної пари термодинамічних параметрів, дорівнює повній роботі, яку виконала система, за винятком роботи проти зовнішнього тиску.
З визначення термодинамічного потенціалу випливає, що він має розмірність та одиницю теплот Джоуль (J, Дж) - дорівнює термодинамічному потенціалу, еквівалентному теплоті 1 Дж.Розглянемо найуживаніші в термодинаміці потенціали.
9.1.Внутрішня енергія, термодинамічна енергія - [U, E]; (thermodynamic energy, внутренняя энергия) - енергія, яка залежить лише від термодинамічного стану системи.З першого закону термодинаміки випливає, що зміна DU внутрішньої енергії ізольованої термодинамічної системи дорівнює сумі теплоти Q, яку передано системі, та роботи А, виконаної над цією системою:
DU = Q + A.Внутрішня енергія є термодинамічним потенціалом системи, якщо незалежними змінними обрано ентропію S та об’єм V (ізохорно-ізентропійний потенціал). З погляду статистичної фізики, внутрішня енергія є сумою кінетичної енергії хаотичного руху частинок та мікрочастинок речовини, міжмолекулярної енергії, внутрішньомолекулярної, тобто хімічної енергії, внутрішньоатомної й внутрішньоядерної енергій частинок, що складають систему, енергії електронного збудження й гравітаційної енергії зазначених частинок.
9.2Ентальпія - [H, I]; (enthalpy, энтальпия) - функція стану термодинамічної системи, що дорівнює сумі її внутрішньої енергії U та добутку тиску p і об’ємуVсистемиH = U + pV. Ентальпія є термодинамічним потенціалом системи, якщо незалежними змінними обрано ентропію S і тиск p (ізобарно-ізентропійний потенціал).Ентальпія має також назви "тепловміст", "теплова функція", що не рекомендовані до застосування.
9.3. (Вільна) енергія Гельмгольца - [F, A]; (Helmholtz free energy, (свободная) энергия Гельмгольца) - функція стану термодинамічної системи, що дорівнює різниці між її внутрішньою енергією U та добутком температури Т і ентропії S системи:
F = U - TS.
Енергія Гельмгольца є термодинамічним потенціалом системи, якщо незалежними змінними обрано температуру Т системи та її об’єм V (ізохорно-ізотермічний потенціал).
Вільна енергія має також назви "ізохорний потенціал", "вільна енергія", що не рекомендовані до застосування. Допустимо вживати назву "функція Гельмгольца".
9.4. (Вільна) енергія Гіббса - [G, Ф]; (Gibbs free energy, энергия Гиббса) - функція стану термодинамічної системи, яка визначається співвідношенням
G = H + pV - TS.Енергія Гіббса є термодинамічним потенціалом системи, якщо незалежними змінними обрано температуру системи Т та її тиск р (ізобарно-ізотермічний потенціал).нергія Гіббса має також назви "ізобарний потенціал", "вільна ентальпія", які не рекомендовані до застосування. Допустимо вживати назву "функція Гіббса".Як зазначалось, усі термодинамічні потенціали мають таку саму одиницю та розмірність, що й теплота
9.5.Питомий (масовий) термодинамічний потенціал - [u, h, f, g]; (massic thermodynamic potential, удельный термодинамический потенциал) - фізична величина, що дорівнює відношенню термодинамічного потенціалу системи до її масиБудь-який питомий масовий термодинамічний потенціал має розмірність L2T-2, а його одиницею є Дж/кг. Рекомендовано такі кратні одиниці питомого масового термодинамічного потенціалу: кДж/кг, MДж/кг.
10. (Термічний) коефіцієнт корисної дії - [ht]; (thermic efficiency, (термический) коэффициент полезного действия) - фізична величина, що дорівнює відношенню роботи A, виконаної тепловою машиною в прямому оборотному термодинамічному циклі, до теплоти, яку надано робочому тілу від нагрівача
Q1:ht = A/Q1.
З цього співвідношення випливає, що термічний коефіцієнт корисної дії є величиною безрозмірнісною й виражається у відносних одиницях (найчастіше у відсотках).
10.1Холодильний коефіцієнт - [x]; (coefficient of perfomance of a refrigerating machine, холодильный коэффициент) - фізична величина, що дорівнює відношенню теплоти Q2’, відведеної в оборотному термодинамічному циклі від охолоджуваної системи, до роботи A, яку виконує холодильна машина протягом цього циклу:x = Q2’/A.З наведеного співвідношення випливає, що холодильний коефіцієнт є величиною безрозмірнісною й виражається у відносних одиницях (найчастіше у відсотках).
4. Застосування методів визначення термодинамічних показників
Розглянуті вище показники використовуються на виробництві. Наприклад, для складання технологічного регламенту використовують:
- довідкові дані про теплоти утворення, або теплоти згоряння речовин, які беруть участь у хімічному або фізичному процесі, а також теоретичні положення і закони термодинаміки, в умовах виробництва,для розрахування теплових ефектів хімічних реакцій і теплоти утворення речовин та їх теплоємності за будь-яких температур;
- довідкові дані і теоретичні положення 2-го закону термодинаміки, що в умовах виробництва дозволяють розраховувати зміну ентропії для хімічних або фізичних процесів, а також абсолютну ентропію речовин за будь-яких температур;
- теоретичні положення хімічної термодинаміки, що в умовах лабораторії або виробництва допомагають розраховувати можливість того чи іншого процесу і межу його проходження, прогнозувати вплив тиску та температури на вихід продукту та обґрунтовувати вибір параметрів процесу;
- довідкові дані і закони статистичної термодинаміки для розраховування в умовах виробництва або лабораторії внутрішню енергію, ентальпію, ентропію та теплоємність ідеального газу при заданих параметрах стану
Використана література
1. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. «Фізика» -- Київ, «Вища школа», 1985 р.;
2. Бутіков Е.І., Биков А.А., Кондратьєв А.С. «Фізика» -- Москва, «Наука», 1978 р.;
3. Кабардин О.Ф. «Фізика. Довідкові матеріали» -- Москва, «Просвещение», 1988 р.;
4. Матеріали Інтернет-видань
Джоуль (J, Дж) – дорівнює теплоті, що еквівалентна роботі 1 Дж.
Рекомендовано такі кратні та частинні одиниці теплоти: кДж, MДж, ГДж, TДж, ПДж, EДж; мДж.Оскільки теплота є однією з найуживаніших у техніці фізичних величин, для неї в різні часи вводилися різні одиниці. Серед них нині найчастіше зустрічаються такі.
4.1.Калорія (cal, кал) - історично перша практична одиниця теплоти ("калорія" - від лат. calor, що означає "тепло, жар, спека"). Уперше її ввів шведський фізик І.Вільке. Визначення калорії було пов’язано з теплоємністю води, яка залежить від температури. Тому й розмір калорії залежав від умов нагрівання, початкової температури та температурної шкали. З огляду на це було запропоновано надати чинності єдиній калорії, що дістала назву міжнародної. Уперше це було зроблено 1929 р. на 1 Міжнародній конференції з властивостей води та водяної пари (Лондон). Протягом майже сімдесяти років визначення калорії кілька разів змінювалось, тому сьогодні вживається кілька видів калорій, з яких допустимі до застосування у спеціальних галузях такі:
міжнародна калорія (calIT, калмн): 1 калмн = 4,1868 Дж;
15-градусна калорія (cal15, кал15): 1 кал15 = 4,1865 Дж;
термохімічна калорія (calth, калтх): 1 калтх = 4,1840 Дж.
У колишньому СРСР до 1957 р. під назвою калорія застосовувалась 20-градусна калорія (cal20, кал20): 1 кал20 = 4,1820 Дж, яка нині не допустима до застосування.
В англійськомовних країнах досі використовується особлива одиниця теплоти
4.2.британська теплова одиниця (Btu, Бто): 1 Бто = 1055,056 Дж,яка згідно з чинним стандартом України не допустима до застосування. (раніше застосовувалось дещо інше позначення цієї одиниці: B.T.U.).Як і у випадку з калорією, існують різні види британської теплової одиниці, а саме:
термохімічна британська теплова одиниця (Btuth, Бтотх): 1 Бтотх = 1054,36 Дж;
середня британська теплова одиниця (Btumean, Бтоср): 1 Бтоср = 1054,35 Дж.
5.Тепловий потік - [Ф]; (heat flow rate, тепловой поток) - фізична величина, що дорівнює теплоті dQ, яка переноситься через визначену поверхню за час dt:
Ф = dQ/dt. dim Ф = L2MT-3,
[Ф] = 1 Вт.Ват (W, Вт) - дорівнює тепловому потоку, еквівалентному механічній потужності 1 Вт.Рекомендованою до застосування є кратна одиниця теплового потоку кВт.
Не допустимими до застосування, але вживаними позасистемними одиницями теплового потоку є такі:
калорія на секунду (cal/s, кал/с): 1 кал/с = 4,1868 Вт;
кілокалорія на годину (kcal/h, ккал/год): 1 ккал/год = 1,163 Вт.
5.1.Поверхнева густина теплового потоку - [q, ]; (areic heat flow rate, поверхностная плотность теплового потока) - векторна фізична величина, модуль якої дорівнює першій похідній теплового потоку за площею поверхні, через яку він проходить, а напрям збігається з напрямом переміщення теплоти:
де n - одиничний вектор нормалі до поверхні в напрямі перенесення теплоти.
dim q = MT-3, [q] = 1 Вт/м2.Ват на квадратний метр (W/m2, Вт/м2) - дорівнює поверхневій густині теплового потоку 1 Вт, рівномірно розподіленого по поверхні площею 1м2.
5.2Коефіцієнт теплопровідності, теплопровідність, - [, k]; (thermal conductivity, коэффициент теплопроводности) - скалярна фізична величина, що характеризує інтенсивність процесу теплопровідності в даній речовині й дорівнює відношенню модуля густини теплового потоку, спричиненого теплопровідністю, що протікає через деяку поверхню, до модуля градієнта температури на цій поверхні.
Це визначення випливає із закону Фур’єдо якого l входить як коефіцієнт пропорційності.dim = LMT-3-1, [] = 1 Вт/(м·K).
Ватнаметр-кельвін [W/(m·K), Вт/(м·K)] дорівнює коефіцієнту теплопровідності речовини,в якій при стаціонарному режимі теплопровідності з поверхневою густиною теплового потоку 1 Вт/м2 установлюється температурний градієнт 1 К/м. Існує багато вживаних, але не допустимих до застосування позасистемних одиниць коефіцієнта теплопровідності, наприклад:
1 ерг/(с·cм·oC) = 10-5 Вт/(м·K);
1 ккал/(год·м·oC) = 1,163 Вт/(м·K);
1 кал/(с·cм· oC) = 4,187·102 Вт/(м·K).
6. Коефіцієнт теплообміну - [K, k, a]; (coefficient of heat transfer, коэффициент теплообмена) - фізична величина, що характеризує передавання теплоти між двома середовищами і дорівнює відношенню поверхневої густини q теплового потоку, що протікає межу поділу середовищ до різниці температур T між ними:K = q/T.dim K = MT-3-1, [K] = 1 Вт/(м2·K).
Ват на квадратний метр-кельвін [W/(m2·K), Вт/(м2·K)] - дорівнює коефіцієнту теплообміну, що відповідає поверхневій густині теплового потоку 1 Вт/м2 при різниці температур 1 К.Існує багато вживаних, але не допустимих до застосування позасистемних одиниць коефіцієнта теплообміну, наприклад:
1 ерг/(с·cм2·oC) = 10-3 Вт/(м2·K); 1 ккал/(год·cм2·oC) = 1,16 Вт/(м2·K);
1 кал/(с·cм2·oC) = 4,187Вт/(м2·K); 1 Бто/(год·фут2·oF) = 5,68 Вт/(м2·K).
6.1. Коефіцієнт теплопередавання - [h,a]; (surface coefficient of heat transfere, коэффициент теплопередачи) - фізична величина, що характеризує передавання теплоти від одного середовища до іншого через стінку (межу поділу) і дорівнює відношенню поверхневої густини q стаціонарного теплового потоку на стінці (межі поділу) до різниці між температурою Тs стінки (поверхні поділу) та температурою Тt зовнішнього середовища :h = q/(Тs-Тt).Коефіцієнт теплопередавання має такі самі розмірність і одиницю, що й коефіцієнт теплообміну.
6.2. Коефіцієнт теплоізоляції, теплоізоляція [M];(thermal insulance, коэффициент теплоизоляции) - фізична величина, обернена до коефіцієнта теплообміну К:
M = 1/К.dim M = М-1T3, [M] = 1 (м2·K)/Вт.
Квадратний метр-кельвін на ват [(m2·K)/W, (м2·K)/Вт] - дорівнює коефіцієнту теплоізоляції, який відповідає коефіцієнту теплообміну 1 Вт/(м2 K).
У будівництві цю величина часто називають термічним (тепловим) опором і позначають символом R.
6.3. Коефіцієнт температуропровідності, температуропровідність - [a]; (thermal diffusivity, коэффициент температуропроводности) - фізична величина, що характеризує швидкість зрівнювання температури в середовищі за умов нестаціонарної теплопровідності та дорівнює відношенню коефіцієнта теплопровідності l речовини до добутку її питомої масової теплоємності cp при постійному тиску й густини r:
a = l/cpr. dim a = L2T-1, [a] = 1м2/с.
Квадратний метр на секунду (m2/с, м2/с) дорівнює температуропровідності речовини з теплопровідністю 1 Вт/(м·K), питомою масовою теплоємністю при постійному тиску 1 Дж/(кг·K) і сталою густиною 1 кг/м3.
7. Теплоємність тіла (системи) - [C]; (heat capacity of body (system), теплоемкость тела (системы)) - фізична величина, що дорівнює відношенню елементарної кількості теплоти dQ, яка витрачається на нагрівання тіла (системи), при якому температура тіла (системи) підвищується на dT, до цієї різниці температур:C = dQ/dT.
Теплоємність є функцією процесу і тому залежить не лише від властивостей речовини, з якої складається тіло (система), а й від типу процесу нагрівання. Найуживанішими різновидами теплоємності є ізобарна теплоємність CP (при постійному тиску) та ізохорна CV(при постійному об’ємі).
dim C = L2MT-2-1, [C] = 1 Дж/K.
Джоуль на кельвін (J/K, Дж/K) - дорівнює теплоємності системи, температура якої підвищується на 1 К при підведенні до системи теплоти 1 Дж.
Рекомендовано кратну одиницю кДж/K.
7.1. Питома (масова) теплоємність - [c]; (massic heat capacity, удельная (массовая) теплоемкость) - фізична величина, що дорівнює відношенню теплоємності C тіла (системи) до маси м тіла (системи)
c = C/m. dim c = L2T-2-1, [c] = 1 Дж/(кг·K).
Джоуль на кілограм-кельвін (J/(kg·K), Дж/(кг·K)) - дорівнює питомій масовій теплоємності однорідного тіла (системи) масою
Рекомендовано кратну одиницю кДж/(кг·K).
Через те що питома масова теплоємність досить поширена в техніці, для неї історично було введено багато позасистемних одиниць. Нині всі вони є не допустимі до застосування. Наведемо найуживаніші з них.
1 ерг/(г ·oC) = 10-4 Дж/(кг·K); 1 ккал/(кг·oC) = 4,187·103 Дж/(кг·K);
1 кал/(г·oC) = 4,187·103 Дж/(кг·K); 1 Бто/(фунт·oF) = 4,187·103 Дж/(кг·K).
Залежно від процесу передавання теплоти тілу (системі) розрізняють різні види питомої (масової) теплоємності, визначення яких випливають з їхніх назв:
7.1.1. питома (масова) теплоємність при постійному тиску - [cp]; (massic heat capacity at constant divssure, удельная теплоемкость при постоянном давлении);
7.1.2.питома (масова) теплоємність при постійному об’ємі - [cV]; (massic heat capacity at constant volume, удельная теплоемкость при постоянном объеме);
7.1.3. питома (масова) теплоємність при кипінні - [csat]; (massic heat capacity at saturation, удельная теплоемкость при кипении).
7.2. Питома об’ємна теплоємність - [Сv]; (heat capacity per unit volume, удельная объемная теплоемкость) - фізична величина, що дорівнює добутку питомої (масової) теплоємності c тіла (системи) та густини речовини r за умови незмінності об’єму тіла (системи): Сv=cr
dim Сv = L-1MT-2-1, [Сv] = 1 Дж/(м3'K).
Джоуль на кубічний метр-кельвін (J/(m3·K), Дж/(м3·K)) дорівнює питомій об’ємній теплоємності тіла (системи), яке має питому масову теплоємність 1 Дж/(кг·К) та густину 1 кг/м3.
Зауважимо, що майже таким самим символом (CV) – позначається вживана набагато частіше, ніж питома об’ємна теплоємність, величина - молярна теплоємність при постійному об’ємі. Якщо в тексті ці величини зустрічаються разом, то для питомої об’ємної теплоємності краще застосовувати інший символ.
7.3. Відношення питомих (масових) теплоємностей - []; (ratio of the massic heat capacities, отношение удельных теплоемкостей) - фізична величина, що дорівнює відношенню питомої (масової) теплоємності при
постійному тиску cp до питомої (масової) теплоємності при постійному об’ємі cV:= cp/cV. тdim = 1, [] = 1.
8. Ентропія - [S]; (entropy, энтропия) - функція стану системи, диференціал якої в елементарному оборотному процесі дорівнює відношенню нескінченно малої теплоти dQ, переданої системі, до її абсолютної температури T:
dS = dQ/T
Ентропію пов’язано зі статистичною вагою стану системи W (див. підрозд.4.8) згідно з формулою Больцмана S = kВ·lnW, де kВ - стала Больцмана. Це співвідношення дозволяє надати ентропії фізичного змісту міри безладдя, хаосу в системі. Згідно з другим законом термодинаміки в ізольованих системах можливий довільний перебіг лише таких процесів, у яких ентропія системи не зменшується. У рівноважному стані ентропія ізольованої системи максимальна
.dim S = L2MT-2-1, [S] = 1 Дж/K.Джоуль на кельвін (J/K, Дж/K) - дорівнює зміні ентропії системи, яка має температуру n K, коли протягом ізотермічного процесі цій системі надається кількість теплоти n Дж (n -довільне ціле число).Рекомендованою кратною одиницею ентропії є кДж/K.
9.Термодинамічний потенціал - [-]; (thermodynamic potential, термодинамический потенциал) - характеристична функція стану системи, зміна якої в рівноважному (оборотному) процесі, що перебігає при незмінних значеннях визначеної пари термодинамічних параметрів, дорівнює повній роботі, яку виконала система, за винятком роботи проти зовнішнього тиску.
З визначення термодинамічного потенціалу випливає, що він має розмірність та одиницю теплот Джоуль (J, Дж) - дорівнює термодинамічному потенціалу, еквівалентному теплоті 1 Дж.Розглянемо найуживаніші в термодинаміці потенціали.
9.1.Внутрішня енергія, термодинамічна енергія - [U, E]; (thermodynamic energy, внутренняя энергия) - енергія, яка залежить лише від термодинамічного стану системи.З першого закону термодинаміки випливає, що зміна DU внутрішньої енергії ізольованої термодинамічної системи дорівнює сумі теплоти Q, яку передано системі, та роботи А, виконаної над цією системою:
DU = Q + A.Внутрішня енергія є термодинамічним потенціалом системи, якщо незалежними змінними обрано ентропію S та об’єм V (ізохорно-ізентропійний потенціал). З погляду статистичної фізики, внутрішня енергія є сумою кінетичної енергії хаотичного руху частинок та мікрочастинок речовини, міжмолекулярної енергії, внутрішньомолекулярної, тобто хімічної енергії, внутрішньоатомної й внутрішньоядерної енергій частинок, що складають систему, енергії електронного збудження й гравітаційної енергії зазначених частинок.
9.2Ентальпія - [H, I]; (enthalpy, энтальпия) - функція стану термодинамічної системи, що дорівнює сумі її внутрішньої енергії U та добутку тиску p і об’ємуVсистемиH = U + pV. Ентальпія є термодинамічним потенціалом системи, якщо незалежними змінними обрано ентропію S і тиск p (ізобарно-ізентропійний потенціал).Ентальпія має також назви "тепловміст", "теплова функція", що не рекомендовані до застосування.
9.3. (Вільна) енергія Гельмгольца - [F, A]; (Helmholtz free energy, (свободная) энергия Гельмгольца) - функція стану термодинамічної системи, що дорівнює різниці між її внутрішньою енергією U та добутком температури Т і ентропії S системи:
F = U - TS.
Енергія Гельмгольца є термодинамічним потенціалом системи, якщо незалежними змінними обрано температуру Т системи та її об’єм V (ізохорно-ізотермічний потенціал).
Вільна енергія має також назви "ізохорний потенціал", "вільна енергія", що не рекомендовані до застосування. Допустимо вживати назву "функція Гельмгольца".
9.4. (Вільна) енергія Гіббса - [G, Ф]; (Gibbs free energy, энергия Гиббса) - функція стану термодинамічної системи, яка визначається співвідношенням
G = H + pV - TS.Енергія Гіббса є термодинамічним потенціалом системи, якщо незалежними змінними обрано температуру системи Т та її тиск р (ізобарно-ізотермічний потенціал).нергія Гіббса має також назви "ізобарний потенціал", "вільна ентальпія", які не рекомендовані до застосування. Допустимо вживати назву "функція Гіббса".Як зазначалось, усі термодинамічні потенціали мають таку саму одиницю та розмірність, що й теплота
9.5.Питомий (масовий) термодинамічний потенціал - [u, h, f, g]; (massic thermodynamic potential, удельный термодинамический потенциал) - фізична величина, що дорівнює відношенню термодинамічного потенціалу системи до її масиБудь-який питомий масовий термодинамічний потенціал має розмірність L2T-2, а його одиницею є Дж/кг. Рекомендовано такі кратні одиниці питомого масового термодинамічного потенціалу: кДж/кг, MДж/кг.
10. (Термічний) коефіцієнт корисної дії - [ht]; (thermic efficiency, (термический) коэффициент полезного действия) - фізична величина, що дорівнює відношенню роботи A, виконаної тепловою машиною в прямому оборотному термодинамічному циклі, до теплоти, яку надано робочому тілу від нагрівача
Q1:ht = A/Q1.
З цього співвідношення випливає, що термічний коефіцієнт корисної дії є величиною безрозмірнісною й виражається у відносних одиницях (найчастіше у відсотках).
10.1Холодильний коефіцієнт - [x]; (coefficient of perfomance of a refrigerating machine, холодильный коэффициент) - фізична величина, що дорівнює відношенню теплоти Q2’, відведеної в оборотному термодинамічному циклі від охолоджуваної системи, до роботи A, яку виконує холодильна машина протягом цього циклу:x = Q2’/A.З наведеного співвідношення випливає, що холодильний коефіцієнт є величиною безрозмірнісною й виражається у відносних одиницях (найчастіше у відсотках).
4. Застосування методів визначення термодинамічних показників
Розглянуті вище показники використовуються на виробництві. Наприклад, для складання технологічного регламенту використовують:
- довідкові дані про теплоти утворення, або теплоти згоряння речовин, які беруть участь у хімічному або фізичному процесі, а також теоретичні положення і закони термодинаміки, в умовах виробництва,для розрахування теплових ефектів хімічних реакцій і теплоти утворення речовин та їх теплоємності за будь-яких температур;
- довідкові дані і теоретичні положення 2-го закону термодинаміки, що в умовах виробництва дозволяють розраховувати зміну ентропії для хімічних або фізичних процесів, а також абсолютну ентропію речовин за будь-яких температур;
- теоретичні положення хімічної термодинаміки, що в умовах лабораторії або виробництва допомагають розраховувати можливість того чи іншого процесу і межу його проходження, прогнозувати вплив тиску та температури на вихід продукту та обґрунтовувати вибір параметрів процесу;
- довідкові дані і закони статистичної термодинаміки для розраховування в умовах виробництва або лабораторії внутрішню енергію, ентальпію, ентропію та теплоємність ідеального газу при заданих параметрах стану
Використана література
1. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. «Фізика» -- Київ, «Вища школа», 1985 р.;
2. Бутіков Е.І., Биков А.А., Кондратьєв А.С. «Фізика» -- Москва, «Наука», 1978 р.;
3. Кабардин О.Ф. «Фізика. Довідкові матеріали» -- Москва, «Просвещение», 1988 р.;
4. Матеріали Інтернет-видань
