КОНДУКТИВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

КОНДУКТИВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Теплопровідність  –  (стара назва – коефіцієнт теплопровідності) – це здатність речовини пропускати теплову енергію через себе, не затримуючи її. Ця ТФХ є коефіцієнтом пропорційності  λ  між густиною теплового потоку  q,  Вт/м²  , та градієнтом температури   dt/dn,  К/м   в законі Фур’є:

q  =  –  l·(dt/dn)                                                      (1)

Знак мінус вказує на те, що вектор  dt/dn  спрямований в бік зростання температури речовини, а  q  – в бік падіння температури, отже одиницею λ є   Вт/(м·К)

Теплопровідність λ є інтенсивною характеристикою, тому не підлягає закону адитивності, наприклад, ефективна λ мокрої цегли може бути більшою, ніж λ сухої цегли та λ води. Для більшості продуктів і матеріалів λ є функцією температури, густини, вологості, поруватості, тощо. Інтегрування ( 1) в найпростішому випадку – теплота, що передається поперек плоскої стінки,  q=const,  λ=  const  – дає формулу, аналогічну закону Ома:

q  =  l·(Dt/d)  =  (Dt/R),                                                   (2)

де:  ∆t  –  різниця температур на поверхнях стінки  (рушійна сила), К;

       δ  –  товщина стінки, м;

       R  –  термічний опір стінки,   (м²·К)/Вт  .

Теплоємність  – це здатність речовини накопичувати теплову енергію з підвищенням її температури. Крім складу речовини, теплоємність залежить від характеру процесу (ізобарний, ізохорний, взагалі політропний). Найчастіше використовується інформація про ізобарну теплоємність, тому що переважна більшість технологічних процесів відбувається при практично сталому тиску.

Залежно від кількості речовини, до якої відносять кількість накопиченої теплової енергії, розрізняють масову, мольну та об’ємну теплоємність. Зазвичай, використовують масову середню теплоємність  с  в інтервалі температур від  t₁  до  t₂:

c  =  [Q·(t₂–t₁)]/m,                                                       (3)

де:  Q  –  кількість накопиченої енергії, Дж або кДж;

       m  –  маса речовини, кг.

Визначена із ( 3) величина  с  має одиниці: Дж/(кг·К) або кДж/(кг·К) і скорочено називається теплоємність.

Інколи треба користуватися справжньою теплоємністю:

c  =  (dQ/dt)/m                                                          (4)

Густина  визначається, як маса речовини  m  в одиниці об’єму V.

Вимірюється густина в   кг/м³.

p  =  m/V                                                           (5)

Хоча за своєю природою густина не є ТФХ, від неї залежить більшість ТФХ, тому інформація про неї конче потрібна.

Залежно від характеру та розміру частинок речовини в одиниці об’єму, розрізняють справжню, насипну, уявну густину. Інколи зручніше користуватися зворотною величиною – питомим об’ємом:  v  =  1/ρ  м³/кг  .

Температуропровідність  –  це складна ТФХ, що визначається за формулою:

a  =  l/(c·p),    м²/с                                                    (6)

Вона є характерною для нестаціонарного теплопереносу, коли частина теплової енергії проходить через речовину, не затримуючись (λ), а друга частина накопичується (cρ). В результаті температура речовини менше або більше змінюється вздовж лінії теплового потоку, звідси назва цієї ТФХ.

Зворотна величина  1/a  є мірою  теплової інерційності  . Однією з найбільш інерційних речовин є вода – вона має найбільше значення  cρ  серед матеріалів і продуктів та порівняно невелику λ.

В окремих випадках легше експериментально визначити  a,  ніж λ або  cρ, тому для виконання розрахунків потрібна також інформація про цю ТФХ.

Ентальпія  – це максимально можлива кількість енергії, яку можна було б «видобути» або «використати» з даної кількості речовини (зазвичай з одного кілограма). Ця теоретична ТФХ має велике практичне значення в ізобарних технологічних процесах, оскільки з формули ( 3) далеко не завжди можна визначити потрібну кількість теплоти Q. Наприклад, під час вироблення масла відбуваються численні фазові перетворення води, жирів тощо, які додають або зменшують Q, але не спричинюють зміни температури. В таких випадках зручніше користуватись формулою:

Q=  m  (h₂-h₁), кДж                                                  (7)

де:  h₁    та    h₂,  кДж/кг   – початкове та кінцеве значення ентальпії.

Оскільки в практичних розрахунках треба знати не абсолютне значення  h  ,а лише   ∆h  =  h₂-h₁,  нульове значення  h  беруть при довільній температурі (для води це 0  ^oС, для м’яса – мінус 25  ^oС або навіть – 196  ^oС).

Ентальпія, як і теплоємність, має екстенсивний характер, тобто для сумішей або складних речовин ці ТФХ можна розраховувати як суму ТФХ компонентів, помножених на їх масову частку у суміші.

Ентропія  – це ТФХ речовини екстенсивного характеру, що під час перенесення теплоти Q відіграє таку ж роль, як об’єм газу під час виконання роботи розширення  L:

Q=mT(s₂-s₁);       L=mP(v₂-v₁)                                       (8)

Перше з цих рівнянь записано для ізотермічного процесу, друге – для ізобарного, температура Т і тиск Р є потенціалами перенесення теплової або механічної енергії (теплоти або роботи) в будь-якому політропному процесі.

Як для ентальпії  h, нульове значення  s  беруть при якійсь температурі, для води та водяної пари – при 0^oС. 

Ентропія  s  має таку саму одиницю, як теплоємність  c,  кДж/(кг·К),   але ентропія речовини зростає, коли теплота до неї підводиться, та зменшується під час відведення теплоти. В реальних необоротних процесах сумарна ентропія тіл, що беруть участь в тепловому процесі, зростає.