Коэффициент теплоотдачи α [кВт/(м2К)] показывает, какое количество тепла отдается (отбирается) в 1ч. с единицы поверхности телаприразноститемпературсредыиповерхностителаводинградус. Коэффициент теплопередачи к [кВт/(м2К)] определяет количество тепла, проходящее в 1 ч через единицу поверхности при разности температур веществ по обе стороны этой поверхности в один градус.

Для практических расчетов стационарных (постоянных во времени) процессов теплоотдачи и теплопередачи используют формулы:

Q = α(TСТ – T)Fτ,

Q = к(T1 – T2)Fτ,

где Q — количество тепла, отданного или приобретенного потоком жидкости (газа), кДж; α, к — соответственно коэффициент теплоотдачиитеплопередачи, кВт/(м2·К); Tст, Т— средняятемпература соответственно стенки и жидкости, К; F — поверхность обтекаемой стенки, м2; т — время (длительность процесса), ч; t1, t2 — средние температуры греющей и обогреваемой среды соответственно, К. Термическим сопротивлением называют величину, обратную коэффициенту теплоотдачи или теплопередачи, например Rк = 1/к.

Разности температур типа ∆T = T1 – T2 называются температурными напорами.

Подвод или отвод тепла приводит к нагреванию или охлаждению тела.

1.4. Агрегатное состояние вещества

Агрегатное состояние вещества (твердого, жидкого, газообразного) зависит от внешних условий — температуры и давления. При определенном изменении этих условий в теле меняется форма связи между молекулами и оно переходит из одного агрегатного состояниявдругое. Например, еслиледнагревать, точерезнекотороевремя он обратится в воду, а при дальнейшем нагревании — в пар. Если же от водяного пара отнимать тепло, то он сначала сконденсируется в воду, а в дальнейшем затвердеет и обратится в лед.

Переход однородного тела из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре, зависящей от фи-

20

зических свойств вещества и условий перехода его из одного состояния (фазы) в другое. Постоянство температуры при переходе тела, например, из твердого состояния в жидкое и из жидкого в парообразное, объясняется тем, что тепло, используемое на изменение агрегатного состояния тела, расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами, на увеличение потенциальной энергии частиц его. А приращение потенциальной энергии не сопровождается ощутимым нагревом. Тепло, воспринимаемое телом, остается в скрытом виде.

Переход телаизодного агрегатного состояния вдругое — физический процесс.

Изменение агрегатного состояния тела сопровождается выделением или поглощением соответствующего количества тепла, расходуемогонавнутреннююработупоперегруппировкемолекул. Для получения холода имеют значение такие изменения агрегатного состояния тела, которые протекают при низких температурах и сопровождаются поглощением тепла из охлаждаемой среды.

Переход химически однородного тела из одного агрегатного состояния в другое характеризуется диаграммой (рис. 1.5). При подводе тепла к жидкости по достижении определенной температуры начинается парообразование, т.е. постепенное превращение жидкости в пар. Переход тела из жидкого состояния (фаза II) в газообразное (фазаIII) припостояннойтемпе-

ратуре с подводом тепла называется процессом кипения. Этому процессу предшествует процессиспаренияжидкости, усиливающийсясповышениемтемпературы. Обратный процесс превращенияпаравжидкость, протекающийсотъемомтогожеколичества тепла, называется конденсацией.

Кипение происходит при такой температуре, когда упру-

гостьобразующихсяпаровжид- Рис. 1.5. Диаграммафазовыхсостояний

костистановитсяравнойдавле- вещества

21

нию в окружающем жидкость пространстве. Следовательно, температура кипения зависит от физических свойств жидкости и определяется давлением паров над ней. С понижением давления паров снижается и температура кипения жидкостей. Температура кипенияжидкостиестьодновременнотемператураеенасыщенногопара при данном давлении.

У всех жидкостей температура кипения возрастает с повышением давления и снижается с его уменьшением.

Прикипениипарообразованиепроисходитнетольконасвободной поверхности жидкости, но и во всей ее массе с подъемом пузырьков в пространство над поверхностью.

Испарение происходит практически при любых, в том числе и низких температурах; пары образуются над открытой поверхностьюжидкости. Жидкостьиспаряется, когдаупругостьеепаровниже давления в окружающем пространстве. В хладотехнике часто под термином «испарение» понимают процесс кипения жидкости.

Теплотой испарения называют количество тепла (кДж/кг), необходимое для превращения 1 кг жидкости при данном давлении и неизменной температуре в сухой насыщенный пар.

Конденсация — это процесс перехода пара в жидкое состояние при охлаждении или при сжатии и охлаждении одновременно. Для такого изменения агрегатного состояния давление и температура пара должны быть ниже критических, при которых исчезает различие между жидкостью и паром. Если температура пара будет выше критической, то данное вещество не может быть обращено в жидкое состояние, какое бы высокое давление ни создавалось.

Теплота конденсации — это количество тепла, которое необходимо отвести от 1 кг пара для перехода его в жидкое состояние. Температура конденсации зависит от физических свойств вещества и давления конденсирующихся паров; в процессе конденсации она остается постоянной. Температура конденсации жидкости равна температуре ее кипения.

Переход вещества из твердого состояния (см. фазу I, рис. 1.5) в жидкое при подводе необходимого количества тепла называется плавлением (обратный процесс — затвердевание). Точка пересечения линий испарения и плавления в координатах давление — температура (точка Л) называется тройной точкой. Давление и темпе-

22

ратура однокомпонентного вещества в тройной точке (рА, TА) являютсятермодинамическимиконстантами(постоянными) этоговещества. Например, для тройной точки воды эти константы таковы: TА = 273, 16 К; рA = 0, 00062 МПа. В тройной точке имеет начало линия возгонки, или сублимации.

Сублимация — этопроцесс перехода некоторых твердыхвеществв парообразноесостояниенепосредственно, минуяжидкуюфазу. Такими физическими свойствами обладают летучие вещества (например, сухой лед), пары которых имеют значительное давление уже при температурахнижеточкиплавления. Теплотасублимации— этоколичество тепла, необходимое для перехода 1 кг вещества в пар при постоянном давлении и неизменной температуре, минуя жидкую фазу.

Линии фазовых превращений в координатах давление—темпера- тураявляютсяизображениямитермодинамическогоравновесиядвухфазовых систем (см. рис. 1.5): линия кипения изображает равновесие пара и жидкости; линия плавления — равновесие жидкой и твердой фаз; линиясублимации— равновесиепара(газа) итвердойфазы. Каждаялинияфазовыхпревращенийхарактеризуетзависимостьтемпературы данного фазового превращения от давления (и наоборот).

Помереповышениядавленияразличиеудельныхобъемовидругих физических характеристик равновесных элементов — кипящей жидкости и сухого насыщенного пара уменьшается, а вместе с тем уменьшается и значение теплоты испарения. В критической точке K (конечная точка на линии испарения) исчезают основные различия между жидкостью и ее паром. Удельные объемы и прочие характеристики кипящей жидкости и сухого насыщенного пара при этом равны, а скрытая теплота испарения обращается в нуль. Параметры критической точки следующие: Ркр — критическое давление, при котором и выше которого жидкость не может быть превращенавпар; Tкр— критическаятемпература, прикоторойивыше которой пар не может быть сконденсирован.

Теплота, расходуемая на внутреннюю работу по преодолению сил, удерживающих молекулы жидкости, называется скрытой или удельной теплотой парообразования L. Аналогично теплота других изотермических превращений вещества (плавления, сублимации), протекающих без изменения температуры, называется скрытой теплотой плавления или сублимации. Удельная теплота паро-

23

образования воды очень велика — 2256 кДж/кг при температуре

373К. У других жидкостей (спирт, аммиак, ртуть) она различна, но

внесколько раз меньше.

Конденсация пара наступает при охлаждении его до температуры кипения данной жидкости или несколько ниже этой температуры. Если температура кипения конкретной жидкости очень низка, но необходимо сконденсировать пар при более высокой температуре, то его следует сжать до такого давления, которому соответствует температура кипения, равная выбранной температуре конденсации. Именно такой способ широко применяется в холодильной технике. Регулируя давление, при котором происходит кипение, можнорегулировать(изменять) температуруохлаждения. Этот принцип охлаждения положен в основу работы паровой компрессионной и абсорбционной холодильных машин.

Для поддержания непрерывного кипения жидкости необходимо выполнить два условия — довести жидкость до требуемой температуры кипения и сообщить ей скрытую теплоту парообразования. Для превращения впаржидкости массой m потребуется следующее количество тепла: Qп = mL.

При конденсации пара благодаря отдаче скрытой теплоты парообразования происходит выделение такого же количества тепла Qк = – mL. Принятосчитатьколичествотеплаположительным, если тело его получает, и отрицательным, если отдает.

При повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается. Сухой насыщенный пар получается при полном испарении (выкипании) всей нагреваемой жидкости. Сухой насыщенный пар — это физическое тело неустойчивого состояния; даже незначительныйотводотнеготеплаприпостоянномдавленииприводит к частичной конденсации и переходу во влажный пар. Влажный пар — это смесь сухого насыщенного пара с жидкостью, т.е. с мельчайшими взвешенными капельками жидкости. Состав этой смесиопределяетсямассовымсодержаниемсухогопарахв1 кгсмеси, называемым степенью сухости или паросодержанием. Характеризуется влажный пар также массовым содержанием жидкости в 1 кг смеси, равным (1 – х) и называемым влажностью пара. Состояние влажного пара определяется его давлением или температурой и степенью сухости.

24