Нужно было пересчитать двигатель Стерлинга .., а не получилось.
3.а.1 Простейшие тепловые расчеты.
Литр воды, от 0 до 100°С. закипает за 7 минут, при мощности нагревателя 1 кВт.
Действительно, если средняя теплоемкость воды в диапазоне от 0 до 100°С = 4192 J/(kg °K), то килограмму воды нужно добавить (4192х100)J = 419200J (Джоулей) тепловой энергии. Нагреватель, мощностью 1000W (Ватт), производит 1000 J/s (Джоулей в секунду). Таким образом, что бы получить необходимые 419200J, необходимо 419.2 s (секунды) или ~7 минут.
Из этого следует, что:
а) удельная теплоемкость это количество теплоты в J (Джоулях), которое необходимо передать килограмму (1 kg) вещества, что бы поднять его температуру на 1° ;
б) W (Ватт) это как быстро совершается работа или J/s (Джоуль в секунду).
Первый эксперимент можно сделать на кухне.
Практически, мой электрочайник имеет мощность 1440 Ватт. 1 литр воды, при начальной температуре 22°С, закипает за 4 минуты и 23 секунды (263 сек). То есть, 1440 J/s * 263 s = 378720 J (Джоулей) уходит на нагрев воды.
С другой стороны, нагрев килограмма воды на один градус берет 4192 J. На 78°С - 4192 J * 78° = 326976 J.
Разница 378720 J - 326976 J = 51744 J уходит на нагрев самого чайника и окружающей среды.
В общем то КПД 86% (отношение необходимой энергии к потраченной) - не так плохо.
Реальная мощность микроволновой печки.
Эксперимент, еще проще, можно сделать с СВЧ печкой, тем более никогда не знаешь какую реальную мощность она выдает. А это легко проверить вскипятив пол-литра воды.
В моем случае это взяло 5 минут (300 секунд), для того что бы поднять температуру с 22°С до кипения.
Что бы нагреть 0,5 килограмма (литра) воды на те же 78°С, необходимо 4192 J/(kg °K) * 0.5kg * 78° = 163488 J. Если не учитывать, что саму банку (в общем как и СВЧ печку) мы то же нагрели, то за 300 секунд нам удалось получить 163488 J или 545 J/s (Джоулей в секунду или Ватт).
Поэтому, реальная (тепловая) мощность данной печки, не меньше, чем 545 Ватт.
Если предположить, что вместе с нагревом воды мы отдаем энергию в окружающее пространство, то интересно посмотреть как быстро это происходит.
Потери тепла.
Что бы понять, как быстро мы теряем тепло из уже нагретого чайника, достаточно оставить его на какое то время и посмотреть как быстро будет изменяться температура воды.
Теплоотдачу в окружающую среду можно посчитать в J/s (в Джоулях в секунду), но важно только то, что она будет пропорциональна разнице температур.
При внешней температуре 25°С это будет выглядеть так.
Из графика будет интересовать только то, что температура от 100°С до 90°С падает за 600 секунд. Вода теряет 4192 J/(kg °K) * 1.0kg * 10° = 41920 J, или 70 J/s (Джоулей в секунду) при средней разнице температур 70°С. Так же:
90°С до 80°С - 63 J/s, (60°);
80°С до 70°С - 44 J/s, (50°);
70°С до 60°С - 30 J/s, (40°);
60°С до 50°С - 20 J/s, (30°);
50°С до 40°С - 12 J/s, (20°);
40°С до 32°С - 6 J/s, (11°).
Тепловые потери бойлера, который греет воду в Вашем доме, считаются точно так же.
Практическая сторона заключается в том, что для того, что бы постоянно удерживать температуру 95°С, в моем, отдельно взятом чайнике, мне прийдется компенсировать эти 70 J/s. Так как J/s это Ватт, то 70 Ваттный нагреватель, работающий без остановки, может это сделать. Если температура 45°С меня устраивает, то с этим справится нагреватель 12 Ватт.
Вывод в том, что при увеличении разницы температур, потери в окружающую среду увеличиваются катастрофически быстро.
BTU
В общем, я по своему отношусь к Британии, тк иногда приходится слушать выступления в Британском Парламенте. Я думаю, что им будет тяжело переходить на метрическую систему. А к Би-Ти-Ю, я отношусь еще хуже.
В любом случае, одна BTU это количество тепла, необходимое для того, чтобы поднять температуру 1 Фунта воды на 1 градус Фаренгейта.
Отдельное островное государство может измерять "удельную теплоемкость воды" хоть в "свинных хвостиках", поэтому, что бы исключить геморойность в расчетах:
1 BTU = 1055 J (Джоулей), или 1000 J, для круглого счета.
Каллория.
Каллорию (Cal) можно рассматривать как наш ответ Британцам за BTU. Это то же, только для одного грамма воды и одного градуса Цельсия. То есть, Каллория, это колличество тепла, необходимое на нагрев одного грамма воды на один градус Цельстия (или Кельвина, что одно и то же). Теплоемкость воды мы уже знаем, поэтому то же самое будут делать 4,192 Джоуля. Таким образом:
1 Cal (Каллория) = 4,192 J (Джоуля) или 4 J, для круглого счета.
Каллория действительно применялась там, где речь шла о малых колличествах вещества, например в химии. Для тепловых расчтетов удобно применять килоКаллорию, тк последняя греет 1 кг. (литр) воды на один градус Цельсия.
Как результат, все что Вам нужно знать для тепловых расчетов это:
1 BTU = 1000 J (Джоулей);
1 Cal (Каллория) = 4 J (Джоуля).
Теперь, о BTU, но как об интересном.
BTU, как и теплоемкость воды, сама по себе, ни о чем не говорит. Поэтому, на всех тепловых машинах указана производительность в BTU/H ( BTU в час). Для кондиционеров воздуха это количество теплоты, которое перекачивается через юнит.
Возьмем, к примеру Panasonic. Не потому, что я считаю, что лучших кондиционеров никто не делает, а потому, что у них хорошая документация. Берем datasheet от сюда. Дальше, просто развлекаемся.
Юнит, на тепло, дает 37400 BTU/H. Это, умножив на 1000, 3740000 J/H (Джоулей в час). В секунду будет в 3600 раз меньше, или 10390 J/s (Джоулей в секунду). Джоуль в секунду это Ватт. По сему, юнит имеет мощность по перекачке тепла - 10,4 kW, а потребляет (в соответствии с datasheet) 3,6 kW. Отношение - это теловое КПД = 2,89.
Но интересно другое.
1. Если юнит опирается на окружающий воздух, как на источник тепла, то теловой КПД будет в диапазоне 2,2 - 2,9.
2. Если использует тепло земли (воды итд), то 3,5.
3. Если в качестве источника тепла используется солнечный коллектор, то тепловой КПД можно поднять до 5 и выше.
Здесь, то же, без чудес. КПД тепловой машины зависит от разности температур и стабильности источника тепла. КПД самой машины, в этом, имеет малое значение.
И с очередным увеличением цен на "энергоносители", применение кондиционеров для нагрева помещений (воды) становится все более и более актуальным.
Важно, что теперь Вы знаете, как это работает.
Воду мы уже нагрели. Теперь надо посмотреть как она будет охлаждаться. Точнее, как влияет теплоизолятор на теплообмен с окружающей средой. Простой эксперимент здесь.
***А если Вы нашли неточности, или имеете что-нибудь добавить, то мой адресс ниже.
С другой стороны, нагрев килограмма воды на один градус берет 4192 J. На 78°С - 4192 J * 78° = 326976 J.
Разница 378720 J - 326976 J = 51744 J уходит на нагрев самого чайника и окружающей среды.
В общем то КПД 86% (отношение необходимой энергии к потраченной) - не так плохо.
Реальная мощность микроволновой печки.
Эксперимент, еще проще, можно сделать с СВЧ печкой, тем более никогда не знаешь какую реальную мощность она выдает. А это легко проверить вскипятив пол-литра воды.
В моем случае это взяло 5 минут (300 секунд), для того что бы поднять температуру с 22°С до кипения.
Что бы нагреть 0,5 килограмма (литра) воды на те же 78°С, необходимо 4192 J/(kg °K) * 0.5kg * 78° = 163488 J. Если не учитывать, что саму банку (в общем как и СВЧ печку) мы то же нагрели, то за 300 секунд нам удалось получить 163488 J или 545 J/s (Джоулей в секунду или Ватт).
Поэтому, реальная (тепловая) мощность данной печки, не меньше, чем 545 Ватт.
Если предположить, что вместе с нагревом воды мы отдаем энергию в окружающее пространство, то интересно посмотреть как быстро это происходит.
Потери тепла.
Что бы понять, как быстро мы теряем тепло из уже нагретого чайника, достаточно оставить его на какое то время и посмотреть как быстро будет изменяться температура воды.
Теплоотдачу в окружающую среду можно посчитать в J/s (в Джоулях в секунду), но важно только то, что она будет пропорциональна разнице температур.
При внешней температуре 25°С это будет выглядеть так.
Из графика будет интересовать только то, что температура от 100°С до 90°С падает за 600 секунд. Вода теряет 4192 J/(kg °K) * 1.0kg * 10° = 41920 J, или 70 J/s (Джоулей в секунду) при средней разнице температур 70°С. Так же:
90°С до 80°С - 63 J/s, (60°);
80°С до 70°С - 44 J/s, (50°);
70°С до 60°С - 30 J/s, (40°);
60°С до 50°С - 20 J/s, (30°);
50°С до 40°С - 12 J/s, (20°);
40°С до 32°С - 6 J/s, (11°).
Тепловые потери бойлера, который греет воду в Вашем доме, считаются точно так же.
Практическая сторона заключается в том, что для того, что бы постоянно удерживать температуру 95°С, в моем, отдельно взятом чайнике, мне прийдется компенсировать эти 70 J/s. Так как J/s это Ватт, то 70 Ваттный нагреватель, работающий без остановки, может это сделать. Если температура 45°С меня устраивает, то с этим справится нагреватель 12 Ватт.
Вывод в том, что при увеличении разницы температур, потери в окружающую среду увеличиваются катастрофически быстро.
BTU
В общем, я по своему отношусь к Британии, тк иногда приходится слушать выступления в Британском Парламенте. Я думаю, что им будет тяжело переходить на метрическую систему. А к Би-Ти-Ю, я отношусь еще хуже.
В любом случае, одна BTU это количество тепла, необходимое для того, чтобы поднять температуру 1 Фунта воды на 1 градус Фаренгейта.
Отдельное островное государство может измерять "удельную теплоемкость воды" хоть в "свинных хвостиках", поэтому, что бы исключить геморойность в расчетах:
1 BTU = 1055 J (Джоулей), или 1000 J, для круглого счета.
Каллория.
Каллорию (Cal) можно рассматривать как наш ответ Британцам за BTU. Это то же, только для одного грамма воды и одного градуса Цельсия. То есть, Каллория, это колличество тепла, необходимое на нагрев одного грамма воды на один градус Цельстия (или Кельвина, что одно и то же). Теплоемкость воды мы уже знаем, поэтому то же самое будут делать 4,192 Джоуля. Таким образом:
1 Cal (Каллория) = 4,192 J (Джоуля) или 4 J, для круглого счета.
Каллория действительно применялась там, где речь шла о малых колличествах вещества, например в химии. Для тепловых расчтетов удобно применять килоКаллорию, тк последняя греет 1 кг. (литр) воды на один градус Цельсия.
Как результат, все что Вам нужно знать для тепловых расчетов это:
1 BTU = 1000 J (Джоулей);
1 Cal (Каллория) = 4 J (Джоуля).
Теперь, о BTU, но как об интересном.
BTU, как и теплоемкость воды, сама по себе, ни о чем не говорит. Поэтому, на всех тепловых машинах указана производительность в BTU/H ( BTU в час). Для кондиционеров воздуха это количество теплоты, которое перекачивается через юнит.
Возьмем, к примеру Panasonic. Не потому, что я считаю, что лучших кондиционеров никто не делает, а потому, что у них хорошая документация. Берем datasheet от сюда. Дальше, просто развлекаемся.
Юнит, на тепло, дает 37400 BTU/H. Это, умножив на 1000, 3740000 J/H (Джоулей в час). В секунду будет в 3600 раз меньше, или 10390 J/s (Джоулей в секунду). Джоуль в секунду это Ватт. По сему, юнит имеет мощность по перекачке тепла - 10,4 kW, а потребляет (в соответствии с datasheet) 3,6 kW. Отношение - это теловое КПД = 2,89.
Но интересно другое.
1. Если юнит опирается на окружающий воздух, как на источник тепла, то теловой КПД будет в диапазоне 2,2 - 2,9.
2. Если использует тепло земли (воды итд), то 3,5.
3. Если в качестве источника тепла используется солнечный коллектор, то тепловой КПД можно поднять до 5 и выше.
Здесь, то же, без чудес. КПД тепловой машины зависит от разности температур и стабильности источника тепла. КПД самой машины, в этом, имеет малое значение.
И с очередным увеличением цен на "энергоносители", применение кондиционеров для нагрева помещений (воды) становится все более и более актуальным.
Важно, что теперь Вы знаете, как это работает.
Воду мы уже нагрели. Теперь надо посмотреть как она будет охлаждаться. Точнее, как влияет теплоизолятор на теплообмен с окружающей средой. Простой эксперимент здесь.
***А если Вы нашли неточности, или имеете что-нибудь добавить, то мой адресс ниже.