Что такое затраченное и полезное тепло
КПД, по своему определению, это отношение полученной энергии к затраченной. Если двигатель сжигает бензин и только треть образовавшегося тепла превращается в энергию движения автомобиля, то КПД равен одной трети или (округляя до целых) 33%. Если лампочка дает световой энергии в пятьдесят раз меньше потребляемой электрической, ее КПД равен 1/50 или 2%. Однако тут сразу возникает вопрос: а если лампочка продается как инфракрасный обогреватель? После того как продажа ламп накаливания была запрещена, точно такие же по конструкции устройства стали продаваться как “инфракрасные обогреватели”, поскольку именно в тепло преобразуется свыше 95% электроэнергии.
(Бес)полезное тепло
Обычно тепло, выделяющееся при работе чего-либо, записывают в потери. Но это далеко не бесспорно. Электростанция, например, превращает в электроэнергию примерно треть выделяющегося при сгорании газа или угля тепла, однако еще часть энергии может при этом пойти на нагрев воды. Если горячее водоснабжение и теплые батареи тоже записать в полезные результаты работы ТЭЦ, то КПД вырастет на 10-15%.
Схожим примером может служить автомобильная “печка”: она передает в салон часть тепла, образующегося при работе двигателя. Это тепло может быть полезным и необходимым, а может рассматриваться как потери: по этой причине оно обычно не фигурирует в расчетах КПД автомобильного мотора.
Особняком стоят такие устройства, как тепловые насосы. Их КПД, если считать его по соотношению выданного тепла и затраченного электричества, больше 100%, однако это не опровергает основы термодинамики. Тепловой насос перекачивает тепло от менее нагретого тела к более нагретому и затрачивает на это энергию, так как без затрат энергии подобное перераспределение теплоты запрещено той же термодинамикой. Если тепловой насос берет из розетки киловатт, а выдает пять киловатт тепла, то четыре киловатта будут взяты из воздуха, воды или грунта вне дома. Окружающая среда в том месте, откуда устройство черпает тепло, остынет, а дом прогреется. Но потом эта теплота вместе с потраченной насосом энергией все равно рассеется в пространстве.
Много или эффективно?
Некоторые устройства имеют очень высокий КПД, но при этом – неподходящую мощность.
Электрические моторы тем эффективнее, чем они больше, однако поставить электровозный двигатель в детскую игрушку физически невозможно и экономически бессмысленно. Поэтому КПД двигателей в локомотиве превышает 95%, а в маленькой машинке на радиоуправлении – от силы 80%. Причем в случае с электрическим двигателем его эффективность зависит так же от нагрузки: недогруженный или перегруженный мотор работает с меньшим КПД. Правильный подбор оборудования может значить даже больше, чем просто выбор устройства с максимальным заявленным КПД.
Если электрические моторы выпускаются для самых разных целей, от вибраторов в телефонах до электровозов, то вот ионный двигатель имеет гораздо меньшую нишу. Ионные двигатели эффективны, экономичны, долговечны (работают без выключения годами), но включаются только в вакууме и дают очень малую тягу. Они идеально подходят для отправки в дальний космос научных аппаратов, которые могут лететь к цели несколько лет и для которых экономия топлива важнее затрат времени.
Электрические моторы, кстати, потребляют почти половину всей вырабатываемой человечеством электроэнергии, так что даже разница в одну сотую процента в мировом масштабе может означать необходимость построить еще один ядерный реактор или еще один энергоблок ТЭЦ.
Эффективно или дешево?
Энергетическая эффективность далеко не всегда тождественна экономической. Наглядный пример – светодиодные лампы, которые до недавнего времени проигрывали лампам накаливания и флуоресцентным “энергосберегайкам”. Сложность изготовления белых светодиодов, дороговизна сырья и, с другой стороны, простота лампы накаливания заставляли выбирать менее эффективные, но зато дешевые источники света.
Кстати, за изобретение синего светодиода, без которого бы нельзя было сделать яркую белую лампу, японские исследователи получили в 2014 году Нобелевскую премию. Это не первая премия, вручаемая за вклад в развитие освещения: в 1912 году наградили Нильса Далена, изобретателя, который усовершенствовал ацетиленовые горелки для маяков.
Другой пример эффективных, но очень дорогих устройств – солнечные батареи на основе арсенида галлия (полупроводник с формулой GaAs). Их КПД достигает почти 30%, что в полтора-два раза выше используемых на Земле батарей на основе куда более распространенного кремния. Высокая эффективность оправдывает себя только в космосе, куда доставка одного килограмма груза может стоить почти как килограмм золота. Тогда экономия на массе батареи будет оправдана.
КПД линий электропередач можно поднять за счет замены меди на лучше проводящее ток серебро, однако серебряные кабели слишком дороги и потому используются разве что в единичных случаях. А вот к идее построить сверхпроводящие ЛЭП из дорогой и требующей охлаждения жидким азотом редкоземельной керамики в последние годы несколько раз обращались на практике. В частности, такой кабель уже проложен и подключен в германском городе Эссене. Он рассчитан на 40 мегаватт электрической мощности при напряжении в десять киловольт. Кроме того что потери на нагрев сведены к нулю (однако взамен нужно питать криогенные установки), такой кабель намного компактнее обычного и за счет этого можно сэкономить на покупке дорогой земли в центре города или отказаться от прокладки дополнительных туннелей.
Не по общим правилам
Из школьного курса многие помнят, что КПД не может превышать 100% и что он тем выше, чем больше разница температур между холодильником и нагревателем. Однако это верно лишь для так называемых тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, реактивные и ракетные двигатели, газовые и паровые турбины.
Электродвигатели и все электрические устройства этому правилу не подчиняются, поскольку они не тепловые машины. Для них верно только то, что КПД не может превышать ста процентов, а частные ограничения в каждом случае определяются по-разному.
В случае с солнечной батареей потери определяются как квантовыми эффектами при поглощении фотонов, так и потерями на отражение света от поверхности батареи и на поглощение в фокусирующих зеркалах. Проведенные расчеты показали, что выйти за 90% солнечная батарея не может в принципе, а на практике достижимы значения около 60-70%, да и те при весьма сложной структуре фотоячеек.
Великолепным КПД обладают топливные элементы. В эти устройства поступают некие вещества, которые вступают в химическую реакцию друг с другом и дают электрический ток. Этот процесс опять-таки не является циклом тепловой машины, поэтому КПД получается достаточно высоким, порядка 60%, в то время как дизель или бензиновый двигатель не выходят обычно за 50%.
Именно топливные элементы стояли на летавших к Луне космических кораблях “Аполло”, и они могут работать, например, на водороде и кислороде. Их недостаток заключается только в том, что водород должен быть достаточно чистым и к тому же его надо где-то хранить и как-то передавать от завода к потребителям. Технологии, позволяющие заменить водородом обычный метан, пока что не доведены до массового использования. На водороде и топливных элементах работают лишь экспериментальные автомобили и некоторое количество подводных лодок.
Ионные и плазменные двигатели уже существуют, но тоже работают лишь в вакууме. Кроме того, их тяга слишком мала и на порядки ниже веса самого устройства – с Земли они не взлетели бы даже при отсутствии атмосферы. Зато во время межпланетных полетов длительностью в многие месяцы и даже годы слабая тяга компенсируется экономичностью и надежностью.
Алексей Тимошенко
В процессе расширения газ производит работу против сил внешнего давления. Для того чтобы вновь повторить тот же процесс расширения газа и вновь получить работу , нужно возвратить газ в исходное состояние т.е. сжать газ. При этом газ совершит круговой процесс (цикл). На сжатие газа, естественно, должна быть затрачена работа; эта работа подводится к газу от какого-либо внешнего источника.
Понятно, что процесс сжатия газа от давления p2 до давления p1 нужно осуществить по пути, отличному от пути процесса расширения. В противном случае работа, получаемая при расширении газа, будет равна работе, затрачиваемой на сжатие, и суммарная работа, полученная в результате кругового процесса, будет равна нулю. Работа, отдаваемая системой за один цикл (будем называть ее работой цикла), равна разности (алгебраической сумме) работы расширения и работы сжатия. Понятно, что путь процесса сжатия следует выбрать таким образом, чтобы работа сжатия по абсолютной величине была меньше работы расширения, иначе работа цикла будет отрицательной, т.е. в результате цикла работа будет не производиться, а затрачиваться; впрочем, как будет показано в дальнейшем, в определенных случаях (циклы холодильных машин) используется именно такое построение цикла.
Циклические процессы, в результате которых производится работа, осуществляются в различных тепловых двигателях. Тепловым двигателем называют непрерывно действующую систему, осуществляющую круговые процессы (циклы), в которых теплота превращается в работу. Вещество, за счет изменения состояния которого получают работу в цикле, именуется рабочим телом.
Типовой процесс в pV координатах.
Работа цикла находит очень удобную графическую интерпретацию в p, V-диаграмме.
Если 1-а-2 — кривая процесса расширения, а 2-b-1 — кривая процесса сжатия, то площадь под кривой 1-а-2 равна работе расширения, площадь под кривой 2-b-1 — работе сжатия, а площадь, ограниченная замкнутой кривой (кривой цикла) 1-a-2-b-1, представляет собой работу цикла.
Работа цикла Lц равна количеству теплоты, подведенной извне к рабочему телу. В соответствии с первым законом термодинамики: работа, производимая двигателем, строго равна количеству теплоты, отобранной от внешнего источника и подведенной к рабочему телу двигателя. Если бы можно было построить такой тепловой двигатель, в котором количество производимой работы было больше, чем количество теплоты, подведенной к рабочему телу от внешнего источника, то это означало бы, что первый закон термодинамики (закон сохранения и превращения энергии) несправедлив. Из этого следовало бы, что можно построить такой тепловой двигатель, в котором работа производилась бы вообще без подвода теплоты извне, т.е. вечный двигатель.
Что касается теплоты Qц, которая превращается в работу, то следует отметить, что на одних участках цикла теплота к рабочему телу подводится, на других — отводится. Как будет показано далее, отвод определенного количества теплоты от рабочего тела на некоторых участках цикла является неотъемлемым условием осуществимости цикла любого теплового двигателя.
Если обозначить теплоту, подводимую к рабочему телу в цикле, через Q1, а теплоту, отводимую от рабочего тела в цикле, через Q2, то очевидно, что
И тогда в соответствии с первым законом термодинамики:
Введем новое понятие о так называемом термическом коэффициенте полезного действия (КПД) цикла. Термическим КПД цикла называют отношение работы цикла к количеству теплоты, подведенной к рабочему телу в цикле. Обозначая термический КПД цикла ηт, получаем в соответствии с этим определением:
Термический КПД цикла характеризует степень совершенства того или иного цикла: чем больше ηт, тем совершеннее цикл; при подводе к рабочему телу одного и того же количества теплоты Q1 в цикле, у которого ηт больше, производится большая ′ работа Lц.
Введем понятие об источниках теплоты. Систему, от которой отбирается теплота Q1, сообщаемая рабочему телу цикла, принято называть горячим источником теплоты , а систему, которой отдается теплота Q2, отбираемая от рабочего тела, холодным источником теплоты.
Спасибо за прочтение материала. В следующий раз материал про будет про обратимые и необратимые циклы, которые приведут нас к формулировке второго закона термодинамики.
Теплота — одно из наиболее важных понятий термодинамики. По своему существу понятие теплоты близко к понятию работы. И то и другое — и теплота и работа — являются формами передачи энергии. Поэтому не имеет смысла говорить, что тело обладает каким-то запасом теплоты или работы. Можно лишь констатировать, что телу сообщена (или от тела отнята) определенная теплота или определенная работа.
Различие между теплотой и работой состоит в том, что они являются различными формами передачи энергии. Теплота представляет собой такую форму передачи энергии, которая определяется либо непосредственным контактом между телами (теплопроводность, конвекция), либо лучистым переносом энергии. Работа представляет собой иной механизм передачи энергии. В случае механической работы обязательно имеет место изменение объема тела.
Принято считать, что подвод теплоты связан с повышением температуры тела, определяемой энергией микрочастиц тела. В большинстве случаев так действительно и бывает. Но, как мы увидим в дальнейшем, бывает, что несмотря на подвод к телу теплоты его температура понижается. Все зависит от баланса энергии, подводимой к телу и отводимой от него. В частном, но наиболее распространенном случае изменение температуры тела определяется соотношением теплоты и механической работы, переданных телу и отнятых от него.
В 1844—1854 гг. английский физик Д. Джоуль провел опыты, которым было суждено сыграть большую роль в науке. Цель, которую поставил перед собой Джоуль, состояла в том, чтобы установить соотношение между работой, затрачиваемой при выделении теплоты, и количеством выделившейся теплоты. Схема опыта Джоуля была следующей:
Рис.1. Схема опыта Джоуля
В теплоизолированный медный сосуд 1, заполненный водой, погружена мешалка 2, снабженная лопатками. К стенкам сосуда также прикреплены лопатки 3, затрудняющие движение воды при вращении мешалки. Мешалка приводится во вращение посредством опускания связанного с ней тросом через блок 5 груза 4 весом G. При опускании на высоту Δz работа, производимая грузом (и, следовательно, мешалкой), равняется убыли потенциальной энергии груза GΔz. Теплота, выделившаяся в сосуде с водой, вычисляется по повышению температуры воды, измеряемой термометром.
Следует заметить, что еще до того, как была окончательно установлена природа теплоты, удалось разработать достаточно точные методы измерения теплоты (калориметрия). Масса воды была заранее измерена. Учитывалось поглощение теплоты стенками сосуда, лопатками и мешалкой. Теплоемкость воды и металла была известна. В результате серии тщательно поставленных опытов Джоуль установил, что между затраченной работой L и количеством полученной теплоты Q существует прямая пропорциональность:
Q = AL
А – коэффициент пропорциональности. Джоуль нашел, что коэффициент пропорциональности А всегда сохраняет одно и то же значение независимо от способа получения теплоты, вида работы, температуры тела и т.д.
Иными словами, Джоуль установил, что при затрате одного и того же количества работы выделяется всегда одно и то же количество теплоты. Таким образом, было показано, что количество полученной теплоты эквивалентно количеству затраченной работы; понятно, что это соотношение справедливо и при совершении работы за счет затраты теплоты.
По результатам своих измерений Джоуль вычислил величину А, которая носит наименование теплового эквивалента работы, и J — механического эквивалента теплоты:
А = 0,002345 ккал/(кгс*м) , и
J = 427 (кгс*м)/ккал
Как уже отмечалось, достаточно точные методы измерения теплоты (калориметрия) были разработаны еще в XVIII в., т.е. задолго до окончательного выяснения природы теплоты, на основе использования представлений о температуре и теплоемкости тела. В свое время наиболее часто употребляемой единицей измерения теплоты была калория, которую определяли как количество теплоты, необходимой для нагрева 1 г воды на 1 °С (соответственно килокалория, ккал, — это количество теплоты, необходимой для нагрева 1 кг воды на 1 °С). Однако впоследствии было обнаружено, что теплоемкость воды несколько изменяется с температурой и поэтому при разных температурах для нагрева 1 г воды на 1 °С требуются различные количества теплоты.
В этой связи потребовалось уточнить понятие калории, и была введена так называемая 15-градусная калория — количество теплоты, расходуемой на нагревание воды от 14,5 до 15,5 °С. В настоящее время для измерения количества теплоты и работы могут применяться различные единицы, соотношение между которыми приведено в табл. 1. Наиболее удобной для практического использования единицей является джоуль; ранее часто употреблялась международная (интернациональная) калория (1 калинт = 4,1868 Дж). Употреблялись также так называемая термохимическая калория (1 калтх = 4,1840 Дж) и упомянутая выше 15-градусная калория (1 кал15° = 4,1858 Дж).
Табл.1. Cоотношение между единицами измерения работы и теплоты
Вскоре после опытов Джоуля была разработана молекулярно-кинетическая теория вещества, в соответствии с которой теплота является энергией хаотического теплового движения микрочастиц, составляющих тело. Как правило, для упрощения обозначений в термодинамических уравнениях не используют коэффициенты А и J — теплоту и работу измеряют в одинаковых единицах.
Спасибо за просмотр данного материала. В следующий материал будет посвящен закону сохранения и превращения энергии.
Многие из тех, кто строит или собирает строить дом своими руками, начинают свою “работу” с изучения темы, так сказать. Но очень скоро, от обилия противоречивой информации “процессор” начинает перегреваться и голова отказывается работать в штатном режиме. В конечном итоге, человек поднимает правую руку над головой, резко опускает ее и, произносит проверенную не раз мантру, – “да пошло оно все …!!!” На этом, для многих искания и заканчиваются. Такие люди просто принимают в качестве рабочего варианта то чем пользуется превалирующее большинство, таких же как и они сами, обывателей.
Тут набор стандартный: газобетон, минеральная вата, пенополистирол, всевозможные пленки, “пироги”, натяжные потолки, теплые полы…
Большинство далеко не всегда выбирает лучший вариант. Большинство будет выбирать то, что дешевле, легче и быстрее в монтаже. Давайте попробуем взглянуть на теплые полы иными глазами.
И так, теплый пол это: универсальность, экономичность, эстетично(их не видно????), плавность регулирования температуры, надежность и т. д. Обо всех этих критериях, мы сегодня говорить не будем. Поговорим пожалуй об основном критерии, который лично я всегда ставлю на первое место, – о здоровье! Точнее о том как влияет система теплых полов на здоровье использующих ее людей. Ибо скупой платит дважды, а глупый и того больше. Попробуем ответить на самые животрепещущие вопросы касающиеся данной темы.
– Можно ли укладывать систему теплого пола под мебелью из ДСП или пластика?
Конечно можно! Ведь выделяющиеся из этой мебели полимерные и формальдегидные испарения, не достигают критической концентрации и поэтому, скажутся на вашем здоровье не сразу. Это вредное воздействие будет носить скорее кумулятивный характер. То же самое можно сказать про разного рода напольные покрытия типа линолеума или ламината, которые укладывают поверх теплых полов.
– Теплые полы сушат воздух?
Этот вопрос будет более актуален для тех, кто решил использовать теплый пол в качестве основного источника обогрева.
Думаю, тут и думать особо не о чем(простите за каламбур). Как может бетонная плита размером с комнату не сушить воздух?????Тем более если она расположена с самого низа! Конечно сушат! И если вы не предусмотрели подходящую систему вентилирования в вашем доме, то, наверное, самое время подумать об этом.
Любителям “доктора” Комаровского интересно, наверное, будет послушать его мнение по этому поводу
О продолжительном воздействии пересушенного воздуха на слизистые оболочки и на альвеолы легких, а также о последствиях, можете почитать на соответствующих тематических ресурсах.
Один мой знакомый сказал, что даже если это так, и теплые полы действительно сушат воздух в помещении, то он просто будет чаще открывать окна????.
– Теплый пол вреден для аллергиков ?
Дело в том, что, пока включен теплый пол, пыль будет постоянно находится в подвешенном состоянии! Это нормально, когда теплый воздух стремиться подняться вверх, а холодный опустится вниз, ибо плотность воздуха напрямую зависит от его температуры. Так, что влажная уборка – минимум раз в день и никакой аллергии у вас не будет! ????
– Нарушена ли конвекция воздуха в помещении с теплыми полами?
Никаких слов, – только физика и газодинамика! Поставьте простой эксперимент: исключите разного рода сквозняки и пустите в комнату дым. В помещении с теплыми полами, дым будет концентрироваться, где-то, на уровне 70-90 сантиметров от пола. Если вопросы остались, – проведите данный эксперимент еще раз… и еще раз????????.
– Магнитные поля, (которые имеют место, если теплый пол не водяной), вредны для здоровья человека?
Да кто же его знает. До сих пор ученые и медики спорят о степени негативного влияния электромагнитных полей на живые организмы. Но учитывая тот факт, что у человека есть собственное магнитное поле, можно логически предположить, что одно магнитное поле будет непременно взаимодействовать с полем другим. Многие особо чувствительные к магнитным бурям люди, прекрасно знают о чем я говорю.
– Можно ли использовать теплые полы людям с варикозным расширением вен и тем у кого часто отекают ноги?
Действительно, людям с варикозным расширением вен нижних конечностей или при их отечности, не желательно держать постоянно ноги в тепле. Как выяснили ученые-медики, теплый пол вызывает не только варикозное расширение вен( в следствии увеличения оттока крови вниз) но также и обострение гинекологических заболеваний у женщин. Если верить интернету, то, у среднестатистического человека, температура пальцев ног, обычно, находится где-то в пределах 24,4 градусов по Цельсию, так, что и здоровым ногам постоянное тепло, как бы и не нужно.
Но, любой маркетолог, продвигающий теплые полы, ответит вам – никаких проблем! Ведь если вашим ногам противопоказана высокая температура, то ее легко можно понизить! Температуру теплых полов можно плавно регулировать, в отличии от той же печки или котла. Как при этом будут чувствовать себя остальные жильцы в доме, – об этом лучше спросите у другого маркетолога. Наверняка он посоветует просто повысить температуру теплого пола, все предельно просто????????????????!
Вообще, на разных тематических ресурсах, продвигающих данную технологию, всегда красной нитью проходит один и тот же совет, который, как считают авторы хвалебных статей о теплых полах, должен помочь устранить все неприятные моменты. Этот совет прост как все гениальное:
– Если вы не можете заснуть, из-за не комфортного микроклимата, который создается эффектом исходящего от пола тепла, – просто выключите это тепло! Ну, или уменьшите его до комфортной температуры сна(+18 градусов по Цельсию).
– Если пыль поднимается слишком интенсивно(а это происходит при достижении 28 градусов) – просто уменьшите температуру пола!
– Если у вас ребенок в памперсе, а у вас теплые полы и вы не хотите, чтобы попка малыша постоянно прела – просто уменьшите температуру теплого пола????????
– Если ваши ноги отекли и вены на ногах вздулись – УМЕНЬШИТЕ ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ пола.
Как видите, у теплых полов есть одно неоспоримое преимущество, все проблемы можно устранить регулятором мощности!???? Но что делать, если за окном крещенские морозы, а теплый пол – единственный источник тепла в доме???
И вообще, если у вас наличествует какая-либо из выше приведенных проблем, то это может говорить лишь об одном – вы не правильно выполнили укладку нагревательных элементов(пол то тут при чем)! По крайней мере, так говорят “специалисты”…
Мои субъективные выводы таковы:
– Не зря в специальных лечебно профилактически учреждениях, таких как:
реанимационные залы, хирургия, родильные помещения и пр. теплые полы не делают! Это четко регламентируется в “Требованиях к системам отопления ЛПУ” . В лечебных учреждениях старательно придерживаются санитарных норм, потому, что прекрасно понимают опасность такого типа обогрева для пациентов.
– Думаю, что теплые полы имеют право на существование… в кухнях, сан узлах и т.п. В общем, там, где обычно влажность повышена и люди на долго не задерживаются. Я бы не стал делать систему теплых полов основной системой обогрева в частном доме. Хотя, везде есть свои исключения. Все зависит от местных условий, так сказать.
“Мастер на все руки” за то, чтобы не предвзято подходить к чему бы то ни было и рассматривать вопрос со всех сторон. Чтобы не было как с китайским автомобилем, когда человек купивший его, просто вынужден потом расхваливать свой выбор, дабы не выглядеть плохо в глазах окружающих.
Те, кто установил у себя в доме теплые полы и мнения своего уже, как бы, не изменит, – могут смело ставить дизлайк и гордо “хлопнув дверью” идти в сад. А те, кто согласен,- не забываем не подписываться на канал!????????