Теплосодержание

Теплосодержа'ние,см. .

Теплостойкость и термостойкость полимеров

Теплосто'йкость и термосто'йкость полиме'ров,способность полимерных тел сохранять эксплуатационные свойства при повышенных температурах. Теплостойкость характеризует верхнюю границу области температур, в которой полимерный материал может нести механические нагрузки без изменения формы. Потеря теплостойкости обусловлена физическими процессами (переход стеклообразных полимеров в или плавление кристаллических полимеров). Термостойкость характеризует верхний предел рабочих температур в тех случаях, когда работоспособность полимера определяется устойчивостью к химическим превращениям (обычно к в инертных или окислительных средах). Для каучуков и резин, а также для ряда твёрдых полимеров с высокими значениями температур стеклования и плавления эксплуатационные характеристики зависят от термостойкости; она особенно важна в процессах переработки при формовании изделий из полимерных материалов.

  В зависимости от вида изделий (покрытия, волокна, конструкционные материалы) и их назначения используют различные методы определения теплостойкости. Для конструкционных твёрдых материалов теплостойкость оценивают по изменению жёсткости; показателем служит так называемая деформационная теплостойкость - температура, при которой начинает развиваться недопустимо большая деформация образца, находящегося под определённой нагрузкой и нагреваемого с определённой скоростью. Стандартизованные в СССР методы оценки деформационной теплостойкости различаются способом измерения деформации, допустимым уровнем её развития, величиной нагрузки, скоростью нагрева. Термостойкость определяют по изменению веса образца полимера при его нагреве с заданной скоростью. Теплостойкость и термостойкость позволяют судить о верхних предельных температурах использования полимеров при кратковременном тепловом воздействии; при длительных воздействиях эти температуры обычно на несколько десятков градусов ниже.

  В. С. Папков.

Теплота

Теплота',количество теплоты, количество энергии, получаемой или отдаваемой системой при (при неизменных внешних параметрах системы: объёме и др.). Наряду с работой количество теплоты является мерой изменения Uсистемы. При теплообмене внутренняя энергия системы меняется в результате прямых взаимодействий (соударений) молекул системы с молекулами окружающих тел.

  В отличие от U- однозначной функции параметров состояния, количество Т., являясь лишь одной из составляющих полного изменения Uв физическом процессе, не может быть представлено в виде разности значений какой-либо функции параметров состояния. Следовательно, элементарное количество Т. (соответствующее элементарному изменению состояния тела) не может быть в общем случае дифференциалом какой-либо функции параметров состояния. Передаваемое системе количество теплоты Q,как и работа А,зависит от того, каким способом система переходит из начального состояния в конечное.

  При ,согласно второму началу термодинамики, элементарное количество теплоты dQ = TdS,где Т- абсолютная температура системы, dS- изменение её .Т. о., передача системе Т. эквивалентна передаче системе определённого количества энтропии. Отвод Т. от системы эквивалентен уменьшению энтропии. В общем случае dQЈ TdS.

  Г. Я. Мякишев.

Теплота испарения

Теплота' испаре'ния,теплота парообразования, количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу в равновесном изобарно-изотермическом процессе, чтобы перевести его из жидкого состояния в газообразное (то же количество теплоты выделяется при конденсации пара в жидкость).

  Т. и. - частный случай I рода. Различают удельную Т. и. (измеряется в дж/кг, ккал/кг) и мольную Т. и. ( дж/моль) .

  В таблице приведены значения удельной Т. и. L _испряда веществ при нормальном внешнем давлении (760 мм рт. ст.,или 101325 н/м ²) и температуре кипения t _кип.

Теплота образования

Теплота' образова'ния, образования вещества из каких-либо исходных веществ. Различают: Т. о. из свободных атомов; Т. о. из простых веществ, отвечающих наиболее устойчивому состоянию элементов при данных давлении и температуре; теплоту ,то есть Т. о. сольватных оболочек вокруг ионов при взаимодействии веществ с растворителем; теплоту ,то есть Т. о. кристаллов из частиц (атомов, молекул, ионов), образующих решётку кристаллов, и т. д. Наиболее широко используют Т. о. из простых веществ и Т. о. из свободных атомов (или противоположную ей по знаку теплоту атомизации, то есть распада молекулы вещества на составляющие её атомы). Эти величины, как правило, приводятся для веществ в .

  Определение Т. о. может быть выполнено различными способами: прямыми (калориметрическими) измерениями; по температурной зависимости константы равновесия реакции образования с помощью или уравнения; вычислением из теплового эффекта реакции, в которой участвует данное вещество, при условии, что известны Т. о. остальных реагентов и продуктов реакции (с помощью ) ;по и всех реагентов; из изменения ЭДС при различных температурах с помощью уравнения Гиббса - Гельмгольца; расчётом на основе многочисленных закономерностей для Т. о. различных веществ. Надёжные экспериментальные данные по Т. о. известны приблизительно для 5000 соединений. Имеющиеся величины Т. о. позволяют определять тепловые эффекты многих десятков тысяч реакций без проведения опытов. Совместно с др. данными они служат основой для расчёта изменений гиббсовой энергии, позволяющих судить о стабильности и сравнительной устойчивости различных химических соединений.

  Для большого числа веществ Т. о. могут быть с хорошей степенью точности оценены с помощью закономерностей, связывающих Т. о. со строением веществ и установленных при анализе обширного экспериментального материала на основе классической теории строения химических соединений и квантовой механики молекул (см. ) .Эти закономерности используют периодичность свойств однотипных соединений групп и периодов Д. И. Менделеева и приближённое постоянство строения и свойств отдельных структурных фрагментов молекул в .

  Лит.:Термические константы веществ, под ред. В. П, Глушко, М., 1965-74; Карапетьянц М. Х., Карапетьянц М. Л., Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ, М., 1968: Cox J. D., Pilcher G., Thermochemistry of organic and organo-metallic compounds, L.-N. Y., 1970.

  М. Е. Ерлыкина.

Теплота плавления

Теплота' плавле'ния,количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу в равновесном изобарно-изотермическом процессе, чтобы перевести его из твёрдого (кристаллического) состояния в жидкое (то же количество теплоты выделяется при кристаллизации вещества). Т. п. - частный случай 1 рода. Различают удельную Т. п. (измеряется в дж/кг, ккал/кг)

и мольную Т. п. ( дж/моль) .В табл. приведены значения удельной Т. п. L _плпри атмосферном давлении (760 мм рт. ст.,или 101325 н/м ²) и температуре плавления t _пл.

Теплота сгорания

Теплота' сгора'ния,теплота горения, теплотворная способность, теплотворность, теплопроизводительность, калорийность, количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании ;измеряется в джоулях или калориях. Т. с., отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной Т. с. - кджили ккална 1 кгили м ² .В Великобритании и США до внедрения метрической системы мер удельная Т. с. измерялась в британских тепловых единицах ( Btu) на фунт ( lb) ( 1Btu/lb=2,326 кдж/кг) .Удельная Т. с. - важнейший показатель практической ценности топлива. Т. с. определяют .Если вода, содержащаяся в топливе и образующаяся при сгорании водорода топлива, присутствует в виде жидкости, то количество выделившейся теплоты характеризуется высшей Т. с. ( Q _в). Если вода находится в виде пара, то Т. с. называется низшей ( О _н). Низшая и высшая Т. с. связаны следующей зависимостью:

  Q _н= Q _в- k( W+ 9 H) ,

где W- количество воды в топливе, % (по массе) ; Н- количество водорода в топливе, % (по массе): k- коэффициент, равный 25 кдж/кг(6 ккал/кг) .

  В СССР, ФРГ и др. странах тепловые расчёты обычно ведут по низшей Т. с., в США, Великобритании, Франции - по высшей.

  Т. с. может быть отнесена к рабочей массе топлива Q ^Pто есть к топливу в том виде, в каком оно поступает к потребителю; к сухой массе топлива Q ^c ;к горючей массе топлива Q ^г ,то есть к топливу, не содержащему влаги и золы.

  Для приближённых подсчётов Т. с. определяют по эмпирическим формулам; например, Т. с. твёрдых и жидких топлив вычисляют по формуле Менделеева:

  Q ^P=81 C ^P+З00 Н ^р-26( О ^р– S ^p _л) – 6 (9 H ^p+W ^P) ,

где Ср, H ^p, Ор, S ^p _л ,W ^p- содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги в % (по массе).

  Для сравнительных расчётов используется так называемое ,имеющее удельную Т. с., равную 29308 кдж/кг(7000 ккал/кг) .

  И. Н. Розенгауз.

Теплота фазового перехода

Теплота' фа'зового перехо'да,количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (или отвести от него) при равновесном изобарно-изотермическом переходе вещества из одной фазы в другую ( I рода - , , ,полиморфном превращении и т. п.). Для фазовых переходов II рода Т. ф. п. равна нулю. Равновесный фазовый переход при данном давлении происходит при постоянной температуре - .Т. ф. п. равна произведению температуры фазового перехода на разность в двух фазах, между которыми происходит переход. Различают удельную и мольную Т. ф. п., отнесённые соответственно к 1 кг и 1 молювещества.

Теплотехника

Теплоте'хника,отрасль техники, занимающаяся получением и использованием теплоты в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в быту.

  Получение теплоты.Основным источником теплоты, используемой человечеством (70-е гг. 20 в.), является природное органическое топливо, выделяющее теплоту при сжигании. Различают твёрдое, жидкое и газообразное топливо. Наиболее распространённые виды твёрдого топлива - угли (каменные и бурые, антрациты), , .Природное жидкое топливо - ,однако непосредственно нефть редко используется для получения теплоты. На нефтеперерабатывающих предприятиях из нефти вырабатывают - горючее для автомобильных и поршневых авиационных двигателей; - для реактивной авиации и для некоторых поршневых двигателей; различные типы и ,применяемые в основном на тепловых электростанциях. Газообразное топливо - природный газ, состоящий из метана и др. углеводородов (см. ) .Топливом в сравнительно небольших масштабах служит также древесина ( и древесные отходы). В середине 20 в. разрабатываются методы сжигания промышленных и бытовых отходов с целью их уничтожения и одновременного получения теплоты.

  Важнейшая характеристика топлива - удельная .Для сравнительных расчётов используется понятие с теплотой сгорания 29308 кдж/кг(7000 ккал/кг) .

  Для сжигания топлива служат различные технические устройства - , , .В топках и печах топливо сжигается при давлении, близком к атмосферному, а в качестве окислителя обычно используется воздух. В камерах сгорания давление может быть выше атмосферного, а окислителем может служить воздух с повышенным содержанием кислорода (обогащенный воздух), кислород и т. д.

  Теоретически для сгорания топлива необходимо стехиометрическое количество кислорода. Например, при горении метана CH ₄осуществляется след. реакция: CH ₄+ 2O ₂= CO ₂+ 2H ₂O. Из этого уравнения следует, что на 1 кмоль(16 кг) CH ₄требуется 2 кмоля(64 кг) O ₂, то есть на 1 кгCH ₄- 4кг O ₂. На практике для полного сгорания нужно несколько большее количество окислителя. Отношение действительного количества окислителя (воздуха), использованного для горения, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка окислителя (воздуха) a. При сгорании топлива его химическая энергия переходит во внутреннюю энергию продуктов сгорания, в результате чего эти продукты нагреваются. Температура, которую приобрели бы продукты сгорания, если бы не отдавали теплоту во вне ( ) ,называется теоретической температурой горения. Эта температура зависит от вида топлива и окислителя, их начальной температуры и от коэффициента избытка окислителя. Для большинства природных топлив (окислитель - воздух) теоретическая температура горения составляет 1500-2000 °С; её повышает предварительный подогрев топлива и окислителя. Максимальная теоретическая температура горения наблюдается при коэффициенте избытка окислителя a»0,98.

  В топках происходит отвод теплоты от горящего топлива, поэтому температура продуктов сгорания оказывается ниже теоретической температуры.

  Уголь обычно сжигают в топках. При относительно малых количествах необходимого топлива используют ,где уголь в виде кусков сжигают на колосниковой решётке, сквозь которую продувается воздух. Для сжигания значит. количеств угля (нескольких сот тв час) применяют .В них уголь, предварительно превращенный в порошок с размером частиц 50-300 мкм,подаётся в смеси с воздухом через пылеугольные горелки. и аналогичны пылеугольным и отличаются конструкцией горелок или форсунок.

  Наряду с органическим топливом с середины 20 в. для получения теплоты применяется ,или ядерное горючее. Основным видом ядерного горючего является изотоп урана ²³⁵U, содержание которого в естественном уране около 0,7%. При делении 1 кг ²³⁵U выделяется около 84Ч10 ⁹ кдж(20Ч10 ⁹ ккал) в основном в виде кинетической энергии осколков деления ядер и нейтронов. В эта энергия превращается в теплоту, отбираемую теплоносителем. В подавляющем большинстве реакторов (70-е гг. 20 в.) цепная ядерная реакция поддерживается за счёт тепловых нейтронов. Получают распространение реакторы на быстрых нейтронах, или ,в которых в качестве ядерного топлива может использоваться ²³⁸U и торий ²³²Th, которые, кроме теплоты, производят ещё и новое ядерное горючее ²³⁹Pu и ²³³U. Теплоносителями в реакторах на тепловых нейтронах обычно служат вода, тяжёлая вода, углекислота; в реакторах на быстрых нейтронах - жидкий натрий, инертные газы и т. д. Кроме органического и ядерного топлива, некоторое практическое значение в качестве источника теплоты имеют геотермическая и солнечная энергия. Геотермическая энергия проявляется в существовании горячих подземных вод, часто выходящих на поверхность в районах с повышенной вулканической активностью, и в общем повышении температуры земных недр с глубиной. Это возрастание температуры характеризуется ,численно равным повышению температуры в градусах на 100 мглубины; в среднем для доступных непосредственному измерению глубин он равен 0,03 °С /м.Если теплота горячих источников уже утилизируется, например в СССР построена (1966) Паужетская мощностью 5 Мвт,то возможность использования теплоты земных недр (1975) пока только издается.

  Мощный источник теплоты - ,посылающее на Землю поток энергии мощностью в 1,8Ч10 ¹⁷ вт.Однако плотность солнечной энергии на поверхности Земли мала и составляет около 1 квт/м ² .Ещё не разработаны приемлемые с технико-экономической точки зрения схемы и установки для улавливания солнечного излучения в значительных масштабах. Однако в ряде районов солнечная энергия применяется для опреснения воды, нагревания воды для с.-х. (парники, теплицы) и бытовых нужд, а в ряде случаев - для производства электроэнергии.

  Важное значение с точки зрения экономии природного топлива придаётся использованию вторичных тепловых ресурсов, например нагретых отходящих газов металлургических печей или двигателей внутреннего сгорания, теплота которых обычно утилизируется в .

 Использование теплоты. Генерированная различными способами теплота может либо непосредственно потребляться каким-либо технологическим процессом (теплоиспользование), либо перерабатываться в др. виды энергии ( ) .Цели и методы отрасли Т. - теплоиспользования - многообразны. Широко применяется нагрев в металлургии. Например, чугун из железной руды получают в доменной печи, в которой восстановление окиси железа углеродом происходит при температурах около 1500 °С; теплота выделяется при горении кокса. Сталь из чугуна вырабатывается в при температуре около 1600 °С, которая поддерживается в основном в результате сжигания жидкого или газообразного органического топлива. При получении стали в в чугун вдувают кислород; необходимая температура создаётся в результате окисления углерода, содержащегося в чугуне. В литейном производстве теплота, необходимая для поддержания требуемой температуры в печи, генерируется либо в результате сжигания в печи топлива (чаще всего газа или мазута), либо за счёт электроэнергии.

  Нагрев до той или иной температуры характерен для большинства процессов химической технологии, пищевой промышленности и пр. Подвод или отвод теплоты осуществляется в , ,сушильных установках, выпарных устройствах, дистилляторах, ректификационных колоннах, реакторах и т. п. с помощью теплоносителей. При этом, если в аппарате требуется поддерживать достаточно высокую температуру, теплоносителем могут быть непосредственно продукты сгорания органического топлива. Однако в большинстве случаев применяются промежуточные теплоносители, которые отбирают теплоту от продуктов сгорания топлива и передают её веществу, участвующему в технологическом процессе, либо отбирают теплоту от этого вещества и передают её в др. часть установки или в окружающую среду. Наиболее часто применяются следующие теплоносители: вода и водяной пар, некоторые органические вещества, например даутерм (см. ) , ,минеральные масла, расплавленные соли, жидкие металлы, воздух и др. газы.

  Конструктивные схемы теплообменников весьма разнообразны и зависят от их назначения, уровня температур и типа теплоносителя. По принципу действия различают рекуперативные теплообменники, в которых теплота от одного вещества (теплоносителя) к другому передаётся через твёрдую, обычно металлическую, стенку; регенеративные теплообменники, в которых теплота воспринимается и отдаётся специальной насадкой, поочерёдно омываемой нагревающим и нагреваемым телами; смесительные теплообменники, в которых передача теплоты осуществляется при соприкосновении веществ. Наиболее распространены трубчатые рекуперативные теплообменники, где один из теплоносителей протекает внутри труб, а другой - в межтрубном пространстве. Основные характеристики рекуперативных теплообменников: размер поверхности теплообмена и коэффициент теплопередачи, представляющий собой количество теплоты, передаваемой через 1 м ²поверхности теплообмена при разности температур между теплоносителями в 1 °С. Этот коэффициент для данного теплообменника зависит от типа теплоносителей, их параметров и скоростей движения.

  Значительная доля получаемой теплоты в холодное время года идёт на бытовое потребление, то есть компенсацию потерь теплоты через стены зданий, потерь, связанных с вентиляцией помещений и прочее. В большинстве городов СССР используется от ТЭЦ и от центральных котельных. В этом случае на ТЭЦ или в котельной устанавливаются бойлеры, в которых подогревается сетевая вода, направляемая в дома для отопления. В качестве применяются либо металлические оребрённые теплообменники ( ) ,устанавливаемые непосредственно в помещении, либо трубчатые нагреватели, вмонтированные в стеновые панели.

  В отдельных зданиях используется индивидуальное отопление. В этом случае в подвальном помещении здания размещается ,и нагретая в нём вода в результате естественной циркуляции протекает через отопительные приборы. В сельской местности в жилых домах используется печное отопление. В районах с дешёвой электроэнергией иногда применяют с помощью электрических ,электрокаминов и др. С теоретической точки зрения непосредственное отопление с помощью электроэнергии нецелесообразно, так как, например, с помощью можно получить для целей отопления больше теплоты, чем затрачено электроэнергии. При этом на отопление пойдёт как количество теплоты, которое эквивалентно затраченной электроэнергии, так и некоторое количество теплоты, которое будет отобрано от окружающей среды и «поднято» на более высокий температурный уровень. Однако тепловые насосы не получили распространения в связи с их высокой стоимостью.

  Для получения механической работы за счёт теплоты применяют -основные энергетические агрегаты заводских, транспортных и пр. теплосиловых установок; в электрическую энергию теплота преобразуется в и и т. д. В середине 70-х гг. 20 в. в мире на производство электроэнергии расходуется около 30% всей получаемой теплоты.

  Теоретические основы теплотехники.Процессы генерации и использования теплоты базируются на теоретических основах Т. - технической и .

 В термодинамике рассматриваются свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Равновесное состояние полностью характеризуется небольшим числом физических параметров. Например, состояние однородных жидкости или газа определяется заданием двух из трёх величин: температуры, объёма, давления (см. , ) .Энергетическая эквивалентность теплоты и работы устанавливается . определяет необратимость макроскопических процессов, протекающих с конечной скоростью, и лимитирует максимальное значение кпд при преобразовании теплоты в работу.

  Теплопередача изучает теплообмен (процессы переноса теплоты) между теплоносителями через разделяющие их пространство или твёрдую стенку, через поверхность раздела между ними. В теплотехнических устройствах теплота может передаваться , , .

 Лучистый теплообмен (теплообмен излучением) характерен для топок и камер сгорания, а также для некоторых печей. Общая энергия, излучаемая каким-либо телом, пропорциональна температуре тела в четвёртой степени (см. ) .При данной температуре наибольшее количество энергии отдаёт .Реальные тела характеризуются излучательной способностью (интегральной или спектральной), показывающей, какую долю от энергии абсолютно чёрного тела излучает данное тело (во всём диапазоне волн или в узкой полосе, соответствующей определённой длине волны) при той же температуре. Интегральная излучательная способность твёрдых тел обычно лежит в пределах от 0,3 до 0,9. Газы при нормальных температурах имеют очень малую излучательную способность, возрастающую с увеличением толщины излучающего слоя.

  Теплообмен конвекцией осуществляется в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. С помощью конвекции ведётся нагревание или охлаждение жидкостей или газов в различных теплотехнических устройствах, например, в воздухонагревателях и экономайзерах котлоагрегатов. Теплообмен конвекцией наиболее характерен для случая омывания твёрдой стенки турбулентным потоком жидкости или газа. При этом теплота к стенке или от неё переносится за счёт турбулентного перемешивания потока (см. ) .Интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом теплоотдачи. См. также .

  Теплообмен теплопроводностью характерен для твёрдых тел и для ламинарных потоков жидкости и газа (см. ) ,омывающих твёрдую стенку. Теплота при этом переносится в результате микроскопического процесса обмена энергией между молекулами или атомами тела. На практике процесс переноса теплоты часто обусловливается совместным действием перечисленных видов теплообмена.

  Лит.:Мелентьев Л. А., Стырикович М. А., Штейнгауз Е. О., Топливно-энергетический баланс СССР, М.-Л., 1962; Общая теплотехника, М.- Л., 1963; Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С., Теплопередача, 3 изд., М., 1975; Хазен М. М., Казакевич Ф. П., Грицевский М. Е., Общая теплотехника, М., 1966; Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е., Техническая термодинамика, 2 изд., М., 1974; Стырикович М. А., Мартынова О. И., Миропольский З. Л., Процессы генерации пара на электростанциях, М., 1969.

  В. А. Кириллин, Э. Э. Шпильрайн.

Теплотехнический институт

Теплотехни'ческий институ'тВсесоюзный научно-исследовательский им. Ф. Э. Дзержинского (ВТИ) министерства энергетики и электрификации СССР, головной институт отрасли по проблемам эксплуатации тепловых и атомных электростанций. Основан в 1921 в Москве. В 1930 институту присвоено имя Ф. Э. Дзержинского. Проведённые ВТИ исследования (1921-41) позволили включить в топливный баланс страны низкосортные топлива и решить многие вопросы создания отечественного энергетического оборудования. В период Великой Отечественной войны 1941-45 и в первые послевоенные годы работа института была связана с восстановлением и наладкой тепловых электростанций. В 50-60-х гг. в ВТИ были разработаны научные основы для перехода энергетики СССР к высоким и сверхвысоким, а в дальнейшем и к сверхкритическим параметрам пара в теплоэнергетических установках. ВТИ - одна из ведущих организаций по внедрению в стране систем теплофикации. С начала 60-х гг. в институте разрабатывается паросиловое оборудование для атомных электростанций.

  Значительный вклад в развитие энергетики и в подготовку научных кадров внесли учёные института: профессор Л. К. Рамзин, член-корреспондент АН СССР А. В. Щегляев, профессоры Ф. Г. Прохоров и И. Э. Ромм.