ФизМат БАНК / Статьи по физике / Как с наименьшими потерями тепла нагреть воду в ванне

КАК С НАИМЕНЬШИМИ ПОТЕРЯМИ ТЕПЛА НАГРЕТЬ ВОДУ В ВАННЕ?

Калория и джоуль.
В бюджете каждой японской семьи значительная часть денежных средств выделяется на отопление дома и нагревание воды для хозяйственных нужд и купания. В связи с этим особое значение приобретает задача уменьшить потери тепла при нагревании воды в ванне. Попутно возникает два следующих вопроса: первый — сколько времени понадобится для того, чтобы температура холодной воды, внесенной в комнату с улицы, стала такой же, как у окружающего воздуха, второй — как лучше всего затем нагревать эту воду до определенной температуры. Вначале обратимся ко второму вопросу и рассмотрим простейший случай, когда вода в ванне нагревается при помощи электронагревателя. Требуется выяснить, нагреватель какой мощности лучше всего использовать, чтобы нагреть 1 м³ воды в ванне от 20 до 40 °С. В качестве единицы теплоты используется калория. Определяется эта единицы как количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 г воды на 1 °С. Здесь же отметим, что количество теплоты, которое нужно передать одному грамму данного вещества для увеличения его температуры на 1 °С, называется удельной теплоемкостью этого вещества. Если масса тела не равна 1 г, количество теплоты, необходимое для повышения его температуры на 1°С, называют просто теплоемкостью данного тела. Так, теплоемкость тела, состоящего из одного вещества, равна произведению массы тела на удельную теплоемкость этого вещества. А вот теплоемкость тела, изготовленного из разных материалов, например теплоемкость ванны, равна сумме теплоемкостей всех составляющих ее частей.

Таблица 7.1. Удельная теплоемкость воды при давлении 1 атм Температура, °С Удельная теплоемкость, Дж/(г*град) 0 4,2174 10 4,1919 20 4,1816 30 4,1782 40 4,1783 50 4.1804 60 4,1841 70 4,1893 80 4,1961 90 4,2048

Таблица 7.2. Удельная теплоемкость некоторых твердых веществ Вещество Температура, С Удельная теплоемкость Дж/(г*град) Железо 0 0,44 Медь 0 0,38 Алюминий 0 0,88 Нержавеющая сталь 50—100 0,51 Углеродистаясталь 50-100 0,48 Стекло 10—50 0,67 Мрамор 18 0,88—0,92 Полистироль 20 1,34 Древесина 20 около 1,25

Поскольку теплота является одной из форм энергии, ее можно выражать в джоулях — единицах энергии. В табл. 7.1 приведены значения удельной теплоемкости воды (при разной температуре), выраженные в джоулях на грамм-градус (Дж/ (г*град)). Раньше калория вводилась так, чтобы удельная теплоемкость воды, выраженная в калориях на грамм-градус (кал/(г.град)), была равна 1. Однако более точные измерения, проведенные впоследствии, показали, что удельная теплоемкость воды при разных температурах различна. В настоящее время 1 кал определяется как количество теплоты равное 4,1868 Дж и используется только в качестве вспомогательной единицы энергии. Хотя удельная теплоемкость воды меняется в зависимости от температуры, при проведении расчетов, не требующих большой точности, ее значение принимают равным 4,2 Дж/(г.град). В табл. 7.2 приведены значения удельной теплоемкости различных веществ, из которых сделана ванна. Масса одного кубометра воды равна 1000 кг, а теплоемкость этого количества воды 4200 кДж/град. Это число кажется, на первый взгляд, очень большим, однако на самом деле это не так, особенно, если вспомнить, что электронагреватель мощностью 1 кВт выделяет за секунду количество теплоты, равное 1 кДж. Попутно отметим, что 1 Вт соответствует энергии 1 Дж, выделяемой за 1 с. Из всего сказанного следует, что электронагреватель мощностью 1 кВт выделит количество теплоты, равное 4200 кДж в течение 1 часа 10 минут. Увеличив мощность нагревателя до 20 кВт, мы сможем за то же время нагреть 1 м3 воды от 20 до 40 °С.
Использование электронагревателя для подогревания воды в ванне.
Существуют такие электронагреватели, которые можно использовать, погрузив их полностью в воду. Благодаря этому почти все количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока через спираль нагревателя, идет на подогревание воды. Лишь небольшая часть тепла теряется при прохождении тока по соединительным проводам.

При нагревании воды повышается не только ее температура, но и температура ванны, поэтому в расчетах необходимо учитывать также теплоемкость ванны, хотя, в конечном счете, ее роль не будет значительной. Потери тепла водой в ванне обусловлены его переносом через стенки ванны, теплоотдачей с поверхности воды в окружающее пространство. При образовании пара, поднимающегося с поверхности воды, также теряется часть тепла. И наконец, потери тепла вызываются тепловым излучением. Потери тепла увеличиваются, если воду нагревают в сосуде, не закрытом сверху крышкой, но даже при наличии крышки исключить полностью потери невозможно. Энергетические затраты увеличиваются также, когда нагревание производится медленно. В этом случае вода, достигнув некоторой температуры, теряет такое же количество теплоты, какое получает от нагревателя. Дальнейшее повышение температуры прекращается, и электроэнергия расходуется впустую. Поэтому, чем больше мощность нагревателя, а следовательно, чем меньше время нагрева до необходимой температуры, тем меньше при этом потери тепла. Однако и такой способ нагревания не лишен недостатков. Дело в том, что при быстром нагревании на поверхности электронагревателя образуются пузырьки, заполненные водяным паром, которые затем поднимаются на поверхность и лопаются. Так как теплота парообразования воды равна 2300 Дж/град, потери тепла будут оставаться существенными. Исходя из вышеизложенного, следует считать экономически наиболее выгодным использовать для нагревания воды мощные электронагреватели, устроенные так, что температура их поверхности не очень большая. Ниже рассмотрим, какие еще меры необходимо предпринять для уменьшения тепловых потерь.
Различные способы нагревания.
Каким образом все-таки лучше нагревать воду? Какой из двух нижеследующих способов окажется более экономным? В соответствии с первым способом, воду доводят до кипения и смешивают с некоторым количеством холодной воды, в результате чего получают необходимое количество воды требуемой температуры. При втором — всю воду сразу же нагревают до нужной температуры. Разумеется, при отсутствии потерь тепла в обоих случаях были бы затрачены одинаковые количества электроэнергии. Поэтому рассмотрим, в каком случае потери тепла при нагревании больше. Поток тепла, в общем, пропорционален разности температур окружающего воздуха и воды. Так, если температура воздуха равна 20 °С, а вода содержится в двух разных сосудах при температурах соответственно 40 и 80 °С, то поток тепла с единицы площади поверхности воды во втором сосуде будет в три раза больше, чем с поверхности воды, находящейся в первом. А для того чтобы получить некоторое количество воды, имеющей температуру 40 °С, необходимо смешать воду, находящуюся при температурах 20 и 80 °С в пропорции 2:1. Итак, если подогревать в одной и той же ванне воду двумя вышеупомянутыми способами, то окажется, что при первом способе потери тепла будут в три раза выше, чем при втором. Разумеется, эти потери зависят не только от температуры воды, но и от температуры воздуха в комнате, и от скорости нагревания. В целом же наш вывод остается в силе, т. е. предпочтительней сразу нагревать всю массу воды до нужной температуры.
Конвекция.
Плотность воды при нагревании уменьшается, в результате чего более нагретые массы воды поднимаются вверх, а их место занимают менее нагретые. Это явление называется конвекцией. Из-за конвекции в нагреваемом сосуде возникает постоянная циркуляция теплых и холодных слоев воды, приводящая, в конечном счете, к повышению температуры в сосуде. Вследствие конвекции температура воды в сосуде возрастает по мере увеличения расстояния от дна и на поверхности воды достигает своего максимального значения, отличающегося от среднего, взятого по всему объему воды в сосуде. Поэтому в действительности потери тепла за счет парообразования и теплопереноса на границе вода — воздух будут еще большими. Конвекция является также одним из факторов, которыми объясняется неэффективность медленного нагревания.
Использование газовой колонки для нагревания воды.
До сих пор мы рассматривали только погружаемый в воду для ее нагревания электронагреватель. Займемся теперь обыкновенной газовой колонкой, применяемой для той же цели, и остановимся на различиях между ней и электронагревателем. В многочисленных типах газовых колонок вода, протекающая по трубке змеевика, нагревается пламенем горящего газа. В отличие от электронагревателя, в этом случае часть тепла, выделяющегося при сгорании газа, уходит через дымоход наружу.

Увеличение количества сжигаемого газа повышает температуру пламени лишь до определенного уровня. Так что после достижения этой граничной температуры увеличение расхода газа приводит только к возрастанию потерь тепла, уходящего через дымоход. Все это легко понять, если вспомнить, что количество теплоты, передаваемой воде, определяется разностью температур пламени горящего газа и воды. А поскольку сжигание большего количества топлива не приводит к повышению температуры пламени, количество теплоты, передаваемое воде, останется прежним, следовательно, топливо будет расходоваться неэффективно. В противоположном случае, когда количество сжигаемого газа невелико, а время нагрева до заданной температуры большое, количество теплоты, отдаваемой водой окружающему пространству, возрастает и нагревание опять малоэффективно. Поэтому нагревать воду на газовом пламени нужно как можно быстрее и стремиться при этом уменьшить потери тепла, уносимого через дымоход. Здесь уместно еще раз вспомнить, что количество теплоты, передаваемой воде пламенем газа, пропорционально разности температур пламени и воды. Исходя из этого можно существенно снизить потери, если увеличить скорость протока воды по змеевику газовой колонки. Быстро нагревшись на сильном пламени до нужной температуры, вода тут же отводится для использования по назначению, а на ее место поступает следующая порция холодной воды. Так, в традиционной японской ванне вода постоянно циркулирует между ванной и змеевиком колонки, в результате чего обеспечивается постоянство температуры воды.
Термостатирование и быстрый нагрев воды.
Однако в каких все же условиях лучше всего нагревать и сохранять нагретую воду? Можно, например, заполнить горячей водой бак с хорошими термоизолирующими свойствами и в нужный момент использовать ее. Если бак снабдить системой термостатического регулирования, температура в нем всегда будет поддерживаться на одном и том же уровне. В то же время вода, вытекающая из водопроводного крана, пройдя через змеевик колонки, почти мгновенно нагревается пламенем газа до нужной температуры. В связи с этим возникает вопрос, что предпочтительней с точки зрения экономии энергии: использовать горячую воду из-под крана или из термостатируемого бака? Назначение термостата двоякое: наиболее эффективным способом нагревать воду до нужной температуры и обеспечивать минимальную теплоотдачу уже нагретой воды окружающему пространству за счет материала, из которого изготовлен термостат. Герметически закрывая бак, добиваются очень сильного уменьшения потерь тепла, обусловленных тепловым излучением. В нужный момент воду из термостата смешивают с соответствующим количеством холодной воды и получают воду нужной температуры. Случается, что вода в баке содержится в течение длительного времени. Это приводит к тому, что количество теряемого водой тепла увеличивается. Следовательно, возрастает и количество теплоты, подводимой к термостату для поддержания температуры воды на прежнем уровне. Все это требует дополнительных затрат энергии. Хотя затраты энергии на поддержание постоянной температуры в термостате меньше, чем при нагревании холодной воды в котле до нужной температуры, они увеличиваются пропорционально времени нахождения воды з термостате. Поэтому термостатируемые баки используются в общественных банях, где вода расходуется быстро.
Можно также заполнять ванну горячей водой, прошедшей через колонку. Отличие здесь от традиционной японской ванны заключается в том, что вода проходит через змеевик колонка только один раз. Поскольку за время наполнения ванны вода успевает несколько охладиться, ее следует нагревать до температуры, превышающей требуемую.
Итак, наполнять ванну водой, согретой в колонке, нерационально, поскольку это приводит к дополнительным потерям тепла. Однако этот способ удобен, когда нужно получить в определенный момент времени небольшие количества горячей воды.

Исследование
ПРОЦЕССЫ, БЛАГОДАРЯ КОТОРЫМ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ПЕРЕНОС ТЕПЛА

Теплопроводность и тепловое излучение.
Если привести в соприкосновение два тела, нагретых по-разному, то более нагретое будет охлаждаться, а холодное станет теплее. Переход тепла от одного тела к другому может осуществляться с помощью трех следующих процессов: теплопроводности, излучения и конвекции. За счет теплопроводности, например, происходит выравнивание температуры твердого тела, одна часть которого нагрета больше, чем остальные. При этом поток тепла за единицу времени будет пропорционален разности температур, и, кроме того, будет зависеть от свойств вещества, из которого изготовлено данное тело. Точнее говоря, поток тепла пропорционален градиенту температуры, который можно определить как отношение разности температур между двумя точками проводника к расстоянию между этими точками. Различные вещества проводят тепло по-разному. В обычных условиях наилучшим проводником тепла является серебро. Другие металлы также являются хорошими проводниками тепла, хотя, например, нержавеющая сталь проводит его в 20 раз хуже, чем серебро. Что касается древесины, пластмассы, стекла, то они очень плохие проводники тепла. По сравнению с серебром древесина и полистирол проводят тепло в 4000 раз, а стекло — в 700 раз хуже. Как известно, при повышении температуры тела увеличивается скорость движения молекул относительно положений равновесия. Передача тепла от нагретого места к холодному происходит за счет передачи энергии от одной молекулы к другой. Понятно, что соударение быстрых молекул с медленными приводит к ускорению медленных молекул и замедлению быстрых. Так можно представить себе механизм теплопереноса посредством теплопроводности. При этом необходимо отметить, что теплопроводность не сопровождается перемещениями вещества внутри данного тела.
Прежде чем перейти к явлению конвекции, рассмотрим природу теплового излучения. Оно представляет собой не что иное, как электромагнитное излучение, возникающее из-за движения электронов в молекулах и благодаря движению самих молекул. В главе 6 уже рассказывалось об атмосферных явлениях, связанных с охлаждением почвы за счет теплового излучения.
Все вещества, за исключением прозрачных, таких как стекло и воздух, могут быть источниками теплового излучения, интенсивность которого пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры (0°С соответствует 273,15 градусам абсолютной температурной шкалы Кельвина). Помимо такой сильной зависимости интенсивности теплового излучения от температуры, для него характерно смещение длины волны, соответствующей максимуму излучения, из инфракрасной области в видимую. Как и всякое электромагнитное излучение, тепловое излучение распространяется со скоростью света. При достижении телом температуры несколько тысяч градусов количества теплоты, переносимого за счет излучения и теплопроводности, сравниваются по порядку величины.
Конвекция.
Конвективный перенос тепла, в отличие от теплопроводности, возникает благодаря движению масс вещества от более нагретых к менее нагретым точкам пространства. Вода, как и стекло, является плохим проводником тепла, однако, если подводить тепло к дну сосуда, вода, находящаяся в нем, быстро прогреется. Происходит это потому, что нижние слои воды, нагреваясь, расширяются, становятся легче и поднимаются вверх, а на их место поступает холодная вода. Перенос тепла в жидкости осуществляется именно благодаря циркуляции ее теплых и холодных слоев.
Теплопроводность воздуха в 60 раз меньше, чем теплопроводность воды, и только конвекция обеспечивает эффективный перенос тепла в нем. Так как атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты, нагретые массы воздуха, поднимаясь вверх, расширяются. Этот процесс сопровождается понижением температуры воздуха. Если температурный градиент в атмосфере не превышает некоторого минимального значения, движение воздушных масс не будет приводить к переносу тепла и конвекция будет невозможна.
Конвекция обычно происходит тогда, когда уменьшение температуры идет снизу вверх, хотя из правила есть исключения. Пусть вода, налитая в сосуд, охлаждается со стороны дна. Достигнув температуры ниже 4 °С, холодная вода будет подниматься вверх, а на ее место поступит более теплая, т. е. теплота будет двигаться сверху вниз.
В любом случае конвекция происходит только в условиях действия силы тяжести, в состоянии невесомости конвекции не бывает.
Теплопередача.
Помимо трех вышеупомянутых механизмов теплопереноса существует еще один, являющийся комбинацией теплопроводности и конвекции. Называется он теплопередачей. Теплопередача обусловливает перенос тепла от поверхности твердого тела к жидкости, происходящий, например, при нагревании на газовом пламени котла с водой. Благодаря теплопередаче происходит как перенос тепла от газового пламени к стенкам котла, так и перенос его от стенок котла к жидкости.
Количество теплоты, передаваемое путем теплопередачи, зависит не только от градиента температуры. При переносе тепла от твердого тела к жидкости вблизи поверхности твердого тела образуется тонкий не перемешивающийся слой жидкости. Это значит, что конвекция в таком пограничном слое полностью отсутствует, а тепло переносится только благодаря теплопроводности. В зависимости от толщины пограничного слоя теплопередача будет различной, а так как толщина слоя, в свою очередь, зависит от формы и степени гладкости поверхности, теплопередача, в конечном счете, будет определяться и этими факторами.

 (голосов: 1)

---