Ciepło

Ciepło

Ciała stałe, ciecze i gazy, reprezentują trzy różne stany (znane również jako fazy). Ciała stałe są prawie całkowicie nieściśliwe i mają określony kształt, podczas gdy ciecze są prawie nieściśliwe, a gazy są ściśliwe. Dla celów praktycznych, ciała stałe i ciecze ściskają się tak mało, że często zakłada się, że są nieściśliwe. Woda może istnieć jako ciało stałe (lód), ciecz (woda) lub gaz (para).

Ciepło jest definiowane jako ‘energia cieplna przenoszona między dwoma systemami, które są w bezpośrednim kontakcie ze sobą, ale mają różne temperatury.’ Jeśli ciepło jest przenoszone do substancji, substancja zmieni temperaturę lub zmieni stan.

Przykład zmiany stanu

Duża ilość ciepła jest przenoszona do bloku lodu, co powoduje jego topnienie i przekształcenie w wodę.

Przykład zmiany temperatury

Niewielka ilość ciepła jest przenoszona do wody, jej temperatura wzrasta, ale stan się nie zmienia.

Ważna różnica w obu przykładach polega na tym, że energia może być przenoszona do substancji, aby zmienić temperaturę substancji lub zmienić stan substancji. Różnice między tymi dwoma formami energii są wyjaśnione w następnej sekcji.

Ciepło jawne i utajone

Poniższy wykres pokazuje, że dodanie energii cieplnej nie zawsze powoduje zmianę temperatury. Ciepło jawne jest widoczne, gdy dodaje się ciepło i temperatura zmienia się proporcjonalnie (pochyłe linie na wykresie). Ciepło utajone jest widoczne, gdy dodaje się ciepło, a zmiana temperatury nie występuje (poziome linie na wykresie).

Diagram ciepła jawnego i utajonego

Dodanie ciepła jawnego do wody stopniowo zwiększy jej temperaturę, chociaż zacznie się gotować dopiero po osiągnięciu temperatury nasycenia (punktu wrzenia). W temperaturze nasycenia nie można dodać więcej ciepła jawnego, ale można dodać więcej ciepła w formie ciepła utajonego.

Dodatkowe ciepło utajone powoduje, że woda paruje i zmienia stan na gazowy. Powstała para zawiera zarówno energię ciepła jawnego, jak i utajonego, które zostały do niej przeniesione, jednak zmiana wody w gaz wymaga znacznie więcej energii niż samo podgrzewanie wody, dlatego para zawiera znacznie więcej ciepła utajonego niż jawnego. Całkowite ciepło zawarte w parze jest bardzo ważne, ponieważ reprezentuje ilość energii, która może być później wykorzystana przez końcowego konsumenta.

Przenoszenie ciepła

Jak stwierdzono w drugiej zasadzie termodynamiki, energia cieplna (znana również jako ciepło) jest przenoszona z gorącego do zimnego. Różnica temperatur między dwoma substancjami decyduje o szybkości transferu ciepła.

Ciepło jest przenoszone poprzez przewodzenie, konwekcję lub promieniowanie. W większości ustawień przemysłowych ciepło jest przenoszone za pomocą mieszanki jednego lub więcej z tych sposobów transferu ciepła, rzadko za pomocą jednego sposobu.

• Przewodzenie – ciepło jest przenoszone bezpośrednio z jednej cząsteczki na drugą. Przewodzenie występuje w ciałach stałych, cieczach i gazach.
• Konwekcja – ciepło jest przenoszone przez cząsteczki w stanie płynnym. Konwekcja może być wymuszona (za pomocą pompy lub wentylatora) lub naturalna, z powodu różnic temperatury i gęstości w płynie. Dwa rodzaje konwekcji to konwekcja wymuszona i naturalna.
• Promieniowanie – ciepło jest przenoszone za pomocą energii promienistej (fal elektromagnetycznych). Energia promienista jest przenoszona tylko na obiekty nieprzezroczyste, tj. obiekty, które nie przepuszczają światła.

Przewodzenie, Konwekcja i Promieniowanie

Przewodzenie 

Przewodzenie występuje w ciałach stałych, cieczach i gazach. Zdolność substancji do pochłaniania ciepła poprzez przewodzenie jest określana jako jej przewodność cieplna. Ogólnie, ciała stałe mają wyższą przewodność cieplną niż ciecze, ponieważ cząsteczki są bliżej siebie. Podobnie, ciecze ogólnie mają wyższą przewodność cieplną niż gazy. Powietrze ma niską przewodność cieplną, dlatego materiały izolacyjne często mają duże przestrzenie/kieszenie powietrzne.

Należy zauważyć, że przewodność cieplna zależy od materiału, a nie od jego stanu/fazy. Na przykład, wiele rodzajów drewna ma niższą ocenę przewodności cieplnej niż woda, ale drewno jest ciałem stałym, a woda cieczą. 

Przykład przewodzenia

Jeśli jeden koniec metalowego pręta jest podgrzewany w ogniu, podczas gdy drugi koniec nie, podgrzane cząsteczki metalowego pręta przekażą swoje ciepło sąsiednim -chłodniejszym- cząsteczkom. Proces ten trwa, umożliwiając przewodzenie ciepła z gorącego końca pręta do zimnego końca.

W przypadku kotłów przewodzenie występuje, gdy ciepło jest przenoszone z wewnętrznych powierzchni grzewczych kotła na zewnętrzne powierzchnie grzewcze.

Konwekcja 

Konwekcja może być wymuszona lub naturalna. Konwekcja wymuszona wymaga pompy lub wentylatora itp. Konwekcja naturalna występuje z powodu różnic temperatury w płynie (gorące cząsteczki są mniej gęste niż zimne cząsteczki, dlatego mają naturalną tendencję do unoszenia się nad nimi). 

Przykład konwekcji

Podgrzewanie wody w garnku powoduje, że podgrzane cząsteczki stają się mniej gęste i dlatego unoszą się na powierzchnię garnka z powodu konwekcji naturalnej; chłodniejsze, bardziej gęste cząsteczki zajmują wtedy miejsce, gdzie były podgrzane cząsteczki.

Efekt kominowy (znany również jako efekt komina) jest przykładem konwekcji naturalnej. Poniższy obraz pokazuje wieżę chłodniczą z naturalnym ciągiem. Wieża chłodnicza pozwala na wchodzenie chłodniejszego powietrza przez podstawę, gdzie jest ono podgrzewane przez gorącą wodę. Gorące -mniej gęste- powietrze unosi się wtedy na szczyt wieży, co powoduje, że chłodniejsze powietrze jest wciągane przez podstawę wieży. W ten sposób można używać bardzo dużych ilości powietrza do chłodzenia procesu bez użycia pomp lub wentylatorów.

Gorące (mniej gęste) powietrze unosi się i jest zastępowane przez chłodniejsze (bardziej gęste) powietrze

W przypadku kotłów konwekcja występuje, gdy woda najbliżej wewnętrznych powierzchni grzewczych jest podgrzewana i staje się mniej gęsta. Mniej gęsta woda płynie w górę i jest zastępowana przez chłodniejszą, bardziej gęstą wodę; proces ten jest ciągły.

Promieniowanie

Energia promienista jest przenoszona na energię cieplną tylko wtedy, gdy fale elektromagnetyczne oddziałują na substancję, która nie przepuszcza światła, tj. substancja jest nieprzezroczysta. Na przykład, słońce przesyła energię promienistą, ale ta energia staje się energią cieplną dopiero, gdy napotka obiekt nieprzezroczysty, tj. ziemię.

Ilość energii, jaką substancja może przenieść poprzez promieniowanie, zależy w dużej mierze od jej temperatury i emisyjności. Zdolność powierzchni do emitowania promieniowania cieplnego jest mierzona przez jej emisyjność. Ogólnie rzecz biorąc, powierzchnie szorstkie i ciemne mają wyższy współczynnik emisyjności niż powierzchnie gładkie i błyszczące.

W przypadku kotłów energia promienista jest uwalniana podczas spalania i jest przesyłana na nieprzezroczyste wewnętrzne powierzchnie grzewcze kotła, gdzie zmienia się w energię cieplną. Należy zauważyć, że energia promienista jest przenoszona tylko przez linię widzenia.

Przykład promieniowania

Jeśli operator kotła otworzy drzwi pieca kotła, poczuje ciepło, ponieważ fale elektromagnetyczne przemieszczają się na zewnątrz z pieca do operatora. Jeśli drzwi zostaną zamknięte, fale elektromagnetyczne nie mogą już przemieszczać się na zewnątrz i ciepło nie jest już odczuwalne. Powietrze między piecem a operatorem nie jest podgrzewane przez fale elektromagnetyczne, ponieważ powietrze przepuszcza światło (nie jest nieprzezroczyste). Tylko nieprzezroczyste substancje z bezpośrednią linią widzenia na miejsce spalania będą pod wpływem emitowanych fal elektromagnetycznych.

Ciepło odczuwane z powodu promieniowania

Jednostki ciepła

Ciepło jest formą energii i jest często wyrażane w British thermal units (Btus) lub kaloriach (Cal).

• Btu – ilość ciepła wymagana do podniesienia temperatury jednego funta wody o jeden stopień Fahrenheita.
• Kaloria – ilość ciepła wymagana do podniesienia temperatury jednego grama wody o jeden stopień Celsjusza.

Oprócz jednostek Btu i Kalorii często używana jest jednostka Joula.

Ciepło właściwe

Różne substancje wymagają różnych ilości ciepła do zmiany temperatury. Aby umożliwić porównanie między substancjami, substancje otrzymują wartość ciepła właściwego (S.H.), które są następnie zestawiane w tabelach. Wartości w zestawionych tabelach są jedynie przybliżeniami, rzeczywista wartość ciepła właściwego paliwa jest określana przez pobieranie próbek i analizowanie paliwa w laboratorium.

Ciepło właściwe to ilość ciepła wymagana do zmiany jednej jednostki masy substancji o jedną jednostkę temperatury. Jednostki używane zależą od tego, czy preferowane są jednostki imperialne czy metryczne. Jednostki energii British thermal units (Btu) i Joule (J) są często używane w obliczeniach ciepła właściwego.

Przykład 1 (Imperialny)

Ciepło właściwe można obliczyć jako ilość ciepła wymaganą do zmiany jednego funta materiału o jeden stopień Fahrenheita. Imperialne jednostki pojemności cieplnej to Btu/lb°F.

Przykład 2 (Metryczny)

Ciepło właściwe można obliczyć jako ilość energii cieplnej wymaganą do zmiany jednego kilograma materiału o jeden stopień Kelvina. Metryczne jednostki pojemności cieplnej to J/kgK. Należy zauważyć, że jeden Celsjusz jest równoważny jednemu Kelvinowi pod względem wielkości, więc jednostka J/kg°C daje te same wartości pojemności cieplnej, co w przypadku podawania w J/kgK.

Wartości ciepła właściwego różnych substancji są podane w poniższej tabeli.

Wartości ciepła właściwego różnych substancji

Dodatkowe zasoby

https://www.chem.purdue.edu/gchelp/atoms/states.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_energy

https://en.wikipedia.org/wiki/Sensible_heat

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer

https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_heat_capacity

https://en.wikipedia.org/wiki/Convection_(heat_transfer)

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conduction

https://www.daikin.co.uk/en_gb/faq/what-is-the-difference-between-sensible-and-latent-heat-1.html