Удельная теплоемкость позволяет математически связать количество тепловой энергии, полученной (или потерянной) образцом любого вещества, с массой образца и ее результирующим изменением температуры. Связь между этими четырьмя величинами часто выражается следующим уравнением.

Q = m • C • ΔT

где Q — количество тепла, передаваемого к объекту или от него, m — масса объекта, C — удельная теплоемкость материала, из которого состоит объект, а ΔT — результирующее изменение температуры объекта. Как и во всех других ситуациях в науке, значение дельта (∆) для любой величины вычисляется путем вычитания начального значения количества из окончательного значения количества. В этом случае ΔT равно T _final — T _initial .При использовании приведенного выше уравнения значение Q может быть положительным или отрицательным. Как всегда, положительный и отрицательный результат расчета имеет физическое значение. Положительное значение Q указывает, что объект получил тепловую энергию из окружающей среды; это соответствовало бы повышению температуры и положительному значению ΔT. Отрицательное значение Q указывает на то, что объект выделяет тепловую энергию в окружающую среду; это соответствовало бы снижению температуры и отрицательному значению ΔT.

Знание любых трех из этих четырех величин позволяет человеку вычислить четвертое количество. Обычная задача на многих уроках физики включает решение проблем, связанных с отношениями между этими четырьмя величинами. В качестве примеров рассмотрим две проблемы ниже. Решение каждой проблемы разработано для вас. Дополнительную практику можно найти в разделе «Проверьте свое понимание» внизу страницы.

Как и любая проблема в физике, решение начинается с определения известных величин и соотнесения их с символами, используемыми в соответствующем уравнении. В этой задаче мы знаем следующее:

м = 450 г
C = 4,18 Дж / г / ° C
Т _{начальная} = 15 ° С
T _{окончательная} = 85 ° C

Мы хотим определить значение Q — количество тепла.Для этого мы использовали бы уравнение Q = m • C • ΔT. Буквы m и C известны; ΔT можно определить по начальной и конечной температуре.

T = T _{окончательный} — T _{начальный} = 85 ° C — 15 ° C = 70 ° C

Зная три из четырех величин соответствующего уравнения, мы можем подставить и решить для Q.

Q = m • C • ΔT = (450 г) • (4,18 Дж / г / ° C) • (70 ° C)
Q = 131670 Дж
Q = 1.3×10 ⁵ J = 130 кДж (округлено до двух значащих цифр)

По сравнению с предыдущей проблемой это гораздо более сложная проблема. По сути, эта проблема похожа на две проблемы в одной. В основе стратегии решения проблем лежит признание того, что количество тепла, потерянного водой (Q _вода ), равно количеству тепла, полученного металлом (Q _металл ). Поскольку значения m, C и ΔT воды известны, можно вычислить Q _water .Это значение Q _воды равно значению металла Q _{. Как только значение металла} Q _{известно, его можно использовать со значением m и ΔT металла для расчета металла} Q _{. Использование этой стратегии приводит к следующему решению:}

Часть 1: Определение потерь тепла водой

Дано:

м = 50,0 г
C = 4,18 Дж / г / ° C
Т _{начальная} = 88,6 ° С
Т _{финальный} = 87.1 ° С
ΔT = -1,5 ° C (T _{конечный} — T _{начальный} )

Решение для воды Q :

Q _вода = m • C • ΔT = (50,0 г) • (4,18 Дж / г / ° C) • (-1,5 ° C)
Q _вода = -313,5 Дж (без заземления)
(Знак — означает, что вода теряет тепло)

Часть 2: Определите стоимость металла C

Дано:

Q _металл = 313.5 Дж (используйте знак +, так как металл нагревается)
m = 12,9 г
Т _{начальная} = 26,5 ° С
T _{окончательная} = 87,1 ° C
ΔT = (T _{конечный} — T _{начальный} )

Solve для металла C :

Переставьте Q _металл = m _металл • C _металл • ΔT _металл , чтобы получить металл C = Q _металл / (m _металл • ΔT _металл )

C _металл = Q _металл / (м _металл • ΔT _металл ) = (313.5 Дж) / [(12,9 г) • (60,6 ° C)]
C _металл = 0,40103 Дж / г / ° C
C _металл = 0,40 Дж / г / ° C (округлено до двух значащих цифр)

Приведенное выше обсуждение и соответствующее уравнение (Q = m • C • ∆T) связывает тепло, полученное или потерянное объектом, с результирующими изменениями температуры этого объекта. Как мы узнали, иногда тепло накапливается или теряется, но температура не меняется.Это тот случай, когда вещество претерпевает изменение состояния. Итак, теперь мы должны исследовать математику, связанную с изменениями состояния и количества тепла.

Чтобы начать обсуждение, давайте рассмотрим различные изменения состояния, которые можно наблюдать для образца материи. В таблице ниже перечислены несколько изменений состояния и указаны имена, обычно связанные с каждым процессом.

В случае плавления, кипения и сублимации к образцу вещества должна быть добавлена ​​энергия, чтобы вызвать изменение состояния.Такие изменения состояния называют эндотермическими. Замораживание, конденсация и осаждение экзотермичны; энергия высвобождается образцом материи, когда происходят эти изменения состояния. Таким образом, можно заметить, что образец льда (твердая вода) тает, когда его помещают на горелку или рядом с ней. Тепло передается от горелки к образцу льда; энергия приобретается льдом, вызывая изменение состояния. Но сколько энергии потребуется, чтобы вызвать такое изменение состояния? Есть ли математическая формула, которая могла бы помочь в определении ответа на этот вопрос? Безусловно, есть.

Количество энергии, необходимое для изменения состояния образца материи, зависит от трех вещей. Это зависит от того, что такое субстанция, от того, сколько субстанции претерпевает изменение состояния, и от того, какое изменение состояния происходит. Например, для плавления льда (твердая вода) требуется другое количество энергии, чем для плавления железа. И для таяния льда (твердая вода) требуется другое количество энергии, чем для испарения того же количества жидкой воды. И, наконец, для плавления 10 требуется другое количество энергии.0 граммов льда по сравнению с таянием 100,0 граммов льда. Вещество, процесс и количество вещества — это три переменные, которые влияют на количество энергии, необходимое для того, чтобы вызвать конкретное изменение состояния. Используйте виджет ниже, чтобы исследовать влияние вещества и процесса на изменение энергии. (Обратите внимание, что теплота плавления — это изменение энергии, связанное с изменением состояния твердое-жидкое.)

Значения удельной теплоты плавления и удельной теплоты испарения указаны из расчета на количество .Например, удельная теплота плавления воды составляет 333 Дж / грамм. Чтобы растопить 1,0 грамм льда, требуется 333 Дж энергии. Чтобы растопить 10 граммов льда, требуется в 10 раз больше энергии — 3330 Дж. Такое рассуждение приводит к следующим формулам, связывающим количество тепла с массой вещества и теплотой плавления и испарения.

Для плавления и замораживания: Q = m • ΔH _{плавление}
Для испарения и конденсации: Q = m • ΔH _{испарение}

, где Q представляет количество энергии, полученной или высвобожденной во время процесса, m представляет собой массу образца, ΔH _{плавление} представляет собой удельную теплоту плавления (на грамм) и ΔH _{испарения} представляет собой удельную теплоемкость плавления испарение (из расчета на грамм).Подобно обсуждению Q = m • C • ΔT, значения Q могут быть как положительными, так и отрицательными. Значения Q положительны для процесса плавления и испарения; это согласуется с тем фактом, что образец вещества должен набирать энергию, чтобы плавиться или испаряться. Значения Q отрицательны для процесса замораживания и конденсации; это согласуется с тем фактом, что образец вещества должен терять энергию, чтобы замерзнуть или конденсироваться.

В качестве иллюстрации того, как можно использовать эти уравнения, рассмотрим следующие два примера задач.

Уравнение, связывающее массу (48,2 грамма), теплоту плавления (333 Дж / г) и количество энергии (Q): Q = m • ΔH _fusion .Подстановка известных значений в уравнение приводит к ответу.

Q = м • ΔH _{плавление} = (48,2 г) • (333 Дж / г)
Q = 16050,6 Дж
Q = 1,61 x 10 ⁴ Дж = 16,1 кДж (округлено до трех значащих цифр)

Пример Задачи 3 включает в себя довольно простой расчет типа plug-and-chug. Теперь мы попробуем Пример задачи 4, который потребует более глубокого анализа.

В этой задаче лед тает, а жидкая вода остывает. Энергия передается от жидкости к твердому телу. Чтобы растопить твердый лед, на каждый грамм льда необходимо передать 333 Дж энергии. Эта передача энергии от жидкой воды ко льду охлаждает жидкость.Но жидкость может охладиться только до 0 ° C — точки замерзания воды. При этой температуре жидкость начнет затвердевать (замерзнуть), а лед полностью не растает.

Мы знаем следующее о льду и жидкой воде:

Информация о льду:

м = 50,0 г
ΔH _{плавление} = 333 Дж / г

Информация о жидкой воде:

С = 4.18 Дж / г / ° C
Т _{начальная} = 26,5 ° С
T _{окончательный} = 0,0 ° C
ΔT = -26,5 ° C (T _{конечный} — T _{начальный} )

Энергия, полученная льдом, равна энергии, потерянной из воды.

Q _лед = -Q _{жидкая вода}

Знак — указывает, что один объект получает энергию, а другой объект теряет энергию. Мы можем вычислить левую часть приведенного выше уравнения следующим образом:

Q _лед = m • ΔH _{плавление} = (50.0 г) • (333 Дж / г)
Q _лед = 16650 Дж

Теперь мы можем установить правую часть уравнения равной m • C • ΔT и начать подставлять известные значения C и ΔT, чтобы найти массу жидкой воды. Решение:

16650 Дж = -Q _{жидкая вода}
16650 Дж = -м _{жидкая вода} • C _{жидкая вода} • ΔT _{жидкая вода}
16650 Дж = -м _{жидкая вода} • (4.18 Дж / г / ° C) • (-26,5 ° C)
16650 Дж = -м _{жидкая вода} • (-110,77 Дж / ° C)
м _{жидкая вода} = — (16650 Дж) / (- 110,77 Дж / ° C)
м _{жидкая вода} = 150,311 г
м _{жидкая вода} = 1,50×10 ² г (округлено до трех значащих цифр)

Еще раз о кривых нагрева и охлаждения

На предыдущей странице Урока 2 обсуждалась кривая нагрева воды.Кривая нагрева показывала, как температура воды увеличивалась с течением времени по мере нагрева образца воды в твердом состоянии (т. Е. Льда). Мы узнали, что добавление тепла к образцу воды может вызвать либо изменение температуры, либо изменение состояния. При температуре плавления воды добавление тепла вызывает преобразование воды из твердого состояния в жидкое состояние. А при температуре кипения воды добавление тепла вызывает преобразование воды из жидкого состояния в газообразное.Эти изменения состояния произошли без каких-либо изменений температуры. Однако добавление тепла к образцу воды, не имеющей температуры фазового перехода, приведет к изменению температуры.

Теперь мы можем подойти к теме кривых нагрева на более количественной основе. На диаграмме ниже представлена ​​кривая нагрева воды. На нанесенных линиях есть пять помеченных участков.

Три диагональных участка представляют собой изменения температуры пробы воды в твердом состоянии (участок 1), жидком состоянии (участок 3) и газообразном состоянии (участок 5).Две горизонтальные секции представляют изменения в состоянии воды. На участке 2 проба воды тает; твердое вещество превращается в жидкость. В секции 4 образец воды подвергается кипению; жидкость превращается в газ. Количество тепла, передаваемого воде в секциях 1, 3 и 5, связано с массой образца и изменением температуры по формуле Q = m • C • ΔT. А количество тепла, переданного воде в секциях 2 и 4, связано с массой образца и теплотой плавления и испарения формулами Q = m • ΔH _fusion (секция 2) и Q = m • ΔH _{испарение} (раздел 4).Итак, теперь мы попытаемся вычислить количество тепла, необходимое для перевода 50,0 граммов воды из твердого состояния при -20,0 ° C в газообразное состояние при 120,0 ° C. Для расчета потребуется пять шагов — по одному шагу для каждого раздела приведенного выше графика. Хотя удельная теплоемкость вещества зависит от температуры, в наших расчетах мы будем использовать следующие значения теплоемкости:

Твердая вода: C = 2,00 Дж / г / ° C
Жидкая вода: C = 4,18 Дж / г / ° C
Газообразная вода: C = 2.01 Дж / г / ° C

Наконец, мы будем использовать ранее сообщенные значения ΔH _{слияния} (333 Дж / г) и ΔH _{испарения} (2,23 кДж / г).

Раздел 1 : Изменение температуры твердой воды (льда) с -20,0 ° C до 0,0 ° C.

Используйте Q ₁ = m • C • ΔT

, где m = 50,0 г, C = 2,00 Дж / г / ° C, T _{начальная} = -200 ° C и T _{конечная} = 0,0 ° C

Q ₁ = m • C • ΔT = (50.0 г) • (2,00 Дж / г / ° C) • (0,0 ° C — -20,0 ° C)
Q ₁ = 2,00 x10 ³ Дж = 2,00 кДж

Раздел 2 : Таяние льда при 0,0 ° C.

Используйте Q ₂ = m • ΔH _сварка

, где m = 50,0 г и ΔH _{плавление} = 333 Дж / г

Q ₂ = m • ΔH _{плавление} = (50,0 г) • (333 Дж / г)
Q ₂ = 1,665 x10 ⁴ J = 16.65 кДж
Q ₂ = 16,7 кДж (округлено до 3 значащих цифр)

Раздел 3 : Изменение температуры жидкой воды с 0,0 ° C на 100,0 ° C.

Используйте Q ₃ = m • C • ΔT

, где m = 50,0 г, C = 4,18 Дж / г / ° C, T _{начальная} = 0,0 ° C и T _{конечная} = 100,0 ° C

Q ₃ = m • C • ΔT = (50,0 г) • (4,18 Дж / г / ° C) • (100,0 ° C — 0,0 ° C)
Q ₃ = 2.09 x10 ⁴ Дж = 20,9 кДж

Раздел 4 : Кипячение воды при 100,0 ° C.

Используйте Q ₄ = m • ΔH _{испарение}

, где m = 50,0 г и ΔH _{испарение} = 2,23 кДж / г

Q ₄ = m • ΔH _{испарение} = (50,0 г) • (2,23 кДж / г)
Q ₄ = 111,5 кДж
Q ₄ = 112 кДж (округлено до 3 значащих цифр)

Раздел 5 : Изменение температуры жидкой воды со 100.От 0 ° C до 120,0 ° C.

Используйте Q ₅ = m • C • ΔT

, где m = 50,0 г, C = 2,01 Дж / г / ° C, T _{начальная} = 100,0 ° C и T _{конечная} = 120,0 ° C

Q ₅ = m • C • ΔT = (50,0 г) • (2,01 Дж / г / ° C) • (120,0 ° C — 100,0 ° C)
Q ₅ = 2,01 x10 ³ J = 2,01 кДж

Общее количество тепла, необходимое для превращения твердой воды (льда) при -20 ° C в газообразную воду при 120 ° C, является суммой значений Q для каждого участка графика.То есть

Q _итого = Q ₁ + Q ₂ + Q ₃ + Q ₄ + Q ₅

Суммирование этих пяти значений Q и округление до нужного числа значащих цифр приводит к значению 154 кДж в качестве ответа на исходный вопрос.

В приведенном выше примере есть несколько особенностей решения, над которыми стоит задуматься:

• Первое: длинная задача была разделена на части, каждая из которых представляет собой одну из пяти частей графика.Поскольку было вычислено пять значений Q, они были помечены как Q ₁ , Q ₂ и т. Д. Этот уровень организации требуется в многоступенчатой ​​задаче, такой как эта.
• Секунда: Внимание было уделено знаку +/- на ΔT. Изменение температуры (или любой величины) всегда рассчитывается как конечное значение величины за вычетом начального значения этой величины.
• Третий: На протяжении всей задачи внимание уделялось подразделениям.Единицы Q будут либо в Джоулях, либо в килоджоулях, в зависимости от того, какие количества умножаются. Отсутствие внимания к устройствам — частая причина сбоев в подобных проблемах.
• Четвертый: На протяжении всей задачи внимание уделялось значащим цифрам. Хотя это никогда не должно становиться основным акцентом какой-либо проблемы в физике, это, безусловно, деталь, на которую стоит обратить внимание.

Мы узнали здесь, на этой странице, как рассчитать количество тепла, задействованного в любом процессе нагрева / охлаждения и в любом процессе изменения состояния.Это понимание будет иметь решающее значение, когда мы перейдем к следующей странице Урока 2, посвященной калориметрии. Калориметрия — это наука, связанная с определением изменений энергии системы путем измерения теплообмена с окружающей средой.

Проверьте свое понимание

1. Вода имеет необычно высокую удельную теплоемкость. Какое из следующих утверждений логически следует из этого факта?

а.По сравнению с другими веществами горячая вода вызывает сильные ожоги, потому что хорошо проводит тепло.
б. По сравнению с другими веществами вода при нагревании быстро нагревается до высоких температур.
c. По сравнению с другими веществами, образец воды требует значительного количества тепла, чтобы немного изменить ее температуру.

2. Объясните, почему в больших водоемах, таких как озеро Мичиган, может быть довольно холодно в начале июля, несмотря на то, что температура наружного воздуха около или выше 90 ° F (32 ° C).

3. В таблице ниже описан термический процесс для различных объектов (выделен красным жирным шрифтом). Для каждого описания укажите, набирается или теряется тепло объектом, является ли процесс эндотермическим или экзотермическим, и является ли Q для указанного объекта положительным или отрицательным значением.

4. Образец металлического цинка массой 11,98 грамма помещают в баню с горячей водой и нагревают до 78,4 ° C. Затем его удаляют и помещают в чашку из пенополистирола, содержащую 50,0 мл воды комнатной температуры (T = 27,0 ° C; плотность = 1,00 г / мл). Вода прогревается до температуры 28.1 ° С. Определите удельную теплоемкость цинка.

5. Джейк берет из туалета банку с газировкой и выливает ее в чашку со льдом. Определите количество тепла, теряемого содой комнатной температуры при плавлении 61,9 г льда (ΔH _fusion = 333 Дж / г).

6. Теплота сублимации (ΔH _{сублимация} ) сухого льда (твердый диоксид углерода) составляет 570 Дж / г. Определите количество тепла, необходимое для превращения 5,0-фунтового мешка сухого льда в газообразный диоксид углерода.(Дано: 1,00 кг = 2,20 фунта)

7. Определите количество тепла, необходимое для повышения температуры 3,82-граммового образца твердого пара-дихлорбензола с 24 ° C до жидкого состояния при 75 ° C. Пара-дихлорбензол имеет температуру плавления 54 ° C, теплоту плавления 124 Дж / г и удельную теплоемкость 1,01 Дж / г / ° C (твердое состояние) и 1,19 Дж / г / ° C (жидкое состояние).

3.12: Расчет энергоемкости и теплоемкости

Цели обучения

• Связать теплопередачу с изменением температуры.

Тепло — знакомое проявление передачи энергии. Когда мы прикасаемся к горячему объекту, энергия перетекает от горячего объекта к нашим пальцам, и мы воспринимаем эту поступающую энергию как «горячий» объект. И наоборот, когда мы держим кубик льда в ладонях, энергия перетекает из руки в кубик льда, и мы воспринимаем эту потерю энергии как «холод».«В обоих случаях температура объекта отличается от температуры нашей руки, поэтому мы можем сделать вывод, что разница температур является основной причиной теплопередачи.

Удельную теплоемкость вещества можно использовать для расчета изменения температуры, которому подвергнется данное вещество при нагревании или охлаждении. Уравнение, связывающее тепло \ (\ left (q \ right) \) с удельной теплоемкостью \ (\ left (c_p \ right) \), массой \ (\ left (m \ right) \) и изменением температуры \ (\ left (\ Delta T \ right) \) показан ниже.

\ [q = c_p \ times m \ times \ Delta T \]

Поглощаемое или выделяемое тепло измеряется в джоулях. Масса измеряется в граммах. Изменение температуры определяется выражением \ (\ Delta T = T_f — T_i \), где \ (T_f \) — конечная температура, а \ (T_i \) — начальная температура.

Каждое вещество имеет характерную удельную теплоемкость, которая выражается в единицах кал / г • ° C или кал / г • К, в зависимости от единиц, используемых для выражения Δ T .\text{o} \text{C} \right)\)»> 0.233

Направление теплового потока не отображается в heat = mc Δ T . Если энергия поступает в объект, общая энергия объекта увеличивается, и значения тепла Δ T положительны. Если энергия исходит из объекта, общая энергия объекта уменьшается, а значения тепла и Δ T являются отрицательными.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

A \ (15.0 \: \ text {g} \) кусок металлического кадмия поглощает \ (134 \: \ text {J} \) тепла, поднимаясь из \ (24.\ text {o} \ text {C} \]

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Какое количество тепла передается при нагревании блока металлического железа весом 150,0 г с 25,0 ° C до 73,3 ° C? Какое направление теплового потока?

Решение

Мы можем использовать heat = mc Δ T , чтобы определить количество тепла, но сначала нам нужно определить Δ T . Поскольку конечная температура утюга составляет 73,3 ° C, а начальная температура составляет 25,0 ° C, Δ T составляет:

Δ T = T _{конечный} — T _{начальный} = 73.\ circ C) = 782 \: cal} \]

Обратите внимание, как единицы измерения грамм и ° C отменяются алгебраически, оставляя только единицу калорий, которая является единицей тепла. Поскольку температура железа увеличивается, энергия (в виде тепла) должна переходить в металл .

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Какое количество тепла передается при охлаждении блока металлического алюминия массой 295,5 г с 128,0 ° C до 22,5 ° C? Какое направление теплового потока?

Ответ

Тепло уходит из алюминиевого блока.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Образец красновато-коричневого металла массой 10,3 г выделил 71,7 кал тепла при снижении его температуры с 97,5 ° C до 22,0 ° C. Какова удельная теплоемкость металла? Можете ли вы идентифицировать металл по данным в Таблице \ (\ PageIndex {1} \)?

Решение

Вопрос дает нам тепло, конечную и начальную температуры, а также массу образца. Значение Δ T составляет:

Δ T = T _{конечный} — T _{начальный} = 22.\ circ C)}} \)

c = 0,0923 кал / г • ° C

Это значение удельной теплоемкости очень близко к значению, приведенному для меди в таблице 7.3.

Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

10,7 г кристалла хлорида натрия (NaCl) имеет начальную температуру 37,0 ° C. Какова конечная температура кристалла, если на него было подано 147 кал тепла?

Ответ

Сводка

Проиллюстрированы расчеты удельной теплоемкости.

Материалы и авторство

Эта страница была создана на основе содержимого следующими участниками и отредактирована (тематически или широко) командой разработчиков LibreTexts в соответствии со стилем, представлением и качеством платформы:

Удельная теплоемкость — обзор

2.31.2.2.1 Линейное сканирование

Наиболее распространенным режимом работы DSC является нагрев или охлаждение с постоянной скоростью. Основным результатом такого эксперимента является график зависимости скорости теплового потока от времени.Если температура позиции образца известна, то данные также могут быть представлены как зависимость скорости теплового потока от температуры. (Следует знать, что обычно измеряется температура около образца, а не сама температура образца.) На рисунке 2 показан типичный пример.

Рис. 2. Температурный профиль и измеренная скорость теплового потока для (а) пустых кастрюль, (б) калибровочного стандарта сапфира (31,3 мг) и (в) изначально аморфного ПЭЭК (29 мг). Скорость нагрева β = 20 K мин ⁻¹ .

Из кривых теплового потока, показанных на Рис. 2 , удельную теплоемкость c _p (T) можно получить следующим образом:

[8] cp (T) = cp, сапфир (T) msapphireβmsampleβΦsample (T) −Φempty (T) Φsapphire (T) −Φempty (T) = K (T) Φsample (T) −Φempty (T) msampleβ

с

K (T) = cp, сапфир (T) msapphireβΦsapphire (T) −Φempty (T)

, где K ( T ) — это зависящий от температуры калибровочный коэффициент, который можно сохранить для использования в будущем.Здесь все измерения собираются с одинаковой скоростью сканирования. Изотермы в начале и в конце сканирования используются для корректировки небольших изменений тепловых потерь между измерениями пустого, сапфирового и образца путем совмещения этих частей кривых. Небольшие изменения потерь неизбежны, поскольку термические свойства, такие как теплопроводность, образцов различны. С другой стороны, проверка скорости теплового потока на изотермах позволяет нам проверить правильность размещения и тепловые контакты всех частей измерительной системы, перемещаемых во время смены образца.В частности, изотерма высоких температур не должна слишком сильно отличаться между последовательными измерениями.

Удельная теплоемкость — это наиболее полезная величина, доступная от DSC, поскольку она напрямую связана со свойствами образца и, согласно уравнениям [1] — [5], напрямую связана со стабильностью и порядком. Тем не менее, часто отображается только скорость теплового потока, полученная в результате измерения одного образца. Есть несколько причин, по которым это не следует отображать:

1.

Каждый график теплового потока требует указания эндотермического или экзотермического направления, поскольку направление графика не стандартизировано.

2.

Кривые, измеренные при разных скоростях сканирования, сравнить непросто.

3.

Если не разделить на массу образца, кривые для разных образцов нельзя сравнивать.

4.

Если измерения пустой чаши не вычитаются, кривые могут быть искривлены, и построение базовой линии для интегрирования пиков может быть затруднено.

5.

Если калибровочный коэффициент теплового потока K ( T ) зависит от температуры, полученная теплота плавления и другие подобные параметры могут быть ошибочными.

Выполнение поправок (3) — (5) дает удельную теплоемкость, заданную уравнением [8]. Поскольку большинство программных пакетов DSC включают определение удельной теплоемкости в соответствии с уравнением [8], настоятельно рекомендуется определять удельную теплоемкость, а не представлять кривые расхода тепла. Несмотря на то, что представление данных об удельной теплоемкости предпочтительнее, могут быть причины не делать этого. Нормализация кривой теплового потока на скорость сканирования и массу образца может привести к «измерениям псевдо c _p », которые можно использовать для определения зависящей от температуры кристалличности и других величин, как показано в ссылке 8.Но есть еще один очень веский аргумент в пользу представления удельной теплоемкости, а не «псевдо c _p » или скорости теплового потока. Для более чем 200 полимеров данные об удельной теплоемкости от 0 до 1000 К доступны в банке данных ATHAS (ATHAS-DB). ³⁶ Эти данные можно использовать для сравнения измеренных данных в стеклообразном или жидком состоянии с рекомендованными значениями. Это позволяет легко проверить качество измеренных данных, хотя следует иметь в виду, что точность рекомендованных данных банка данных составляет всего около 6%. Рисунок 3 показывает удельную теплоемкость (согласно уравнению [8]), рассчитанную на основе данных, показанных на Рисунок 2 .

Рис. 3. Зависимость удельной теплоемкости от температуры для первоначально аморфного образца ПЭЭК. Данные из Рисунок 2 . Справочные данные (прямые) для полностью аморфного (жидкого) и кристаллического (твердого) ПЭЭК доступны в ATHAS-DB. ³⁶

Более подробное обсуждение оценки кривых, показанных на Рис. 3 , приведено в ссылке 35.

Помимо измерений сканирования при нагревании, DSC позволяет охлаждение в широком диапазоне скоростей охлаждения. В зависимости от прибора и интересующего диапазона температур скорость охлаждения может достигать 750 K мин. ^-1 (HyperDSC ™ PerkinElmer, США). ^20,37–39 Но обычно температурный диапазон для контролируемого охлаждения с максимальной скоростью ограничен.Измерения, выполняемые в широком диапазоне скоростей нагрева или охлаждения, требуют оптимизации экспериментальных условий. Масса образца должна масштабироваться обратно пропорционально скорости сканирования. При низких скоростях, когда тепловая задержка не является проблемой, масса образца должна быть большой, чтобы иметь хорошее отношение сигнал / шум. При высоких скоростях, когда сигналы большие, масса образца должна быть небольшой, чтобы минимизировать тепловой поток к образцу, который пропорционален скорости и вызывает тепловую задержку. Проблемы, связанные с тепловым запаздыванием, температурной калибровкой и воспроизводимостью в экспериментах ДСК с быстрым сканированием, были интенсивно изучены, и были даны соответствующие рекомендации. ^37,40,41 На рисунке 4 показаны кривые охлаждения в области кристаллизации полиэтилена низкой плотности (PE). При скоростях выше 200 K мин. ^–1 контролируемое охлаждение до 100 ° C было невозможно из-за ограниченной охлаждающей способности используемого механического промежуточного охладителя. Если требуется более высокая скорость охлаждения, следует использовать жидкий азот. Для более низких скоростей сканирования, показанных на рис. 4 , масса образца должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить хорошее отношение сигнал / шум.Для более высоких скоростей большой образец (4 мг) вызывает некоторую тепловую задержку, как обсуждается в учебниках и ссылках 37, 40 и 42. Это также видно по уширению пика кристаллизации при 20 К мин. ^-1 по сравнению с с образцом 0,4 мг при той же скорости охлаждения. Данные, представленные на рис. 4 , предоставляют информацию о кинетике кристаллизации и могут быть проанализированы с использованием различных кинетических моделей. ^43–48

Рис. 4. Кривые охлаждения в области кристаллизации полиэтилена низкой плотности.Образцы имеют массу 4 мг в алюминиевом поддоне 25 мг для скоростей охлаждения до -20 K мин. ^-1 и массу 0,4 мг в алюминиевой фольге 2 мг для более высоких скоростей охлаждения. Теплоемкость отложена вниз.

Как показано на Рис. 4 , DSC имеет широкий динамический диапазон, который может быть расширен по крайней мере на 1 порядок в сторону более низких скоростей; таким образом он покрывает 3 порядка величины.Расширение на несколько порядков в сторону более высоких скоростей обсуждается в разделе 2.31.3.2. Возможность достаточно быстрого охлаждения образца позволяет нам изучать формирование структуры в ситуациях, далеких от равновесия, таких как «квазиизотермическая кристаллизация при глубоком переохлаждении».

Тепловая энергия света

Что произойдет, если мы продолжим полагаться на ископаемое топливо в течение следующих 1000 лет? Вместо этого мы должны найти альтернативные формы чистой энергии. Солнечная энергия бесплатна, чиста и будет использоваться, пока Земля является обитаемой.

Есть два способа использовать солнечный свет для производства полезных форм энергии. Один из них — использовать фотоэлектрические панели для производства электричества. Другой, более простой подход — преобразовать солнечный свет в тепло для таких вещей, как обогрев здания, приготовление горячей воды, приготовление пищи или производство «пара», который может питать электрический генератор.

Цели обучения: Учащиеся смогут:

1. Определите взаимосвязь между основами ядерного синтеза и солнечным светом.
2. Используйте практические занятия, чтобы понять, что солнечный свет состоит из волн различной длины, представленных цветами.
3. Расскажите об историческом развитии солнечного отопления и солнечного приготовления пищи.
4. Создайте аннотированную схему системы горячего водоснабжения на солнечной энергии для домашнего использования.
5. Используйте данные, которые они собирают в ходе экспериментов, чтобы обнаружить взаимосвязь между потреблением энергии и цветом для солнечных коллекторов.
6. Объясните парниковый эффект, включая роль коротковолнового и длинноволнового излучения, и свяжите его с данными, которые они собирают в ходе экспериментов.

Что такое тепло?

Все вещества с температурой выше абсолютного нуля (-273,15 ^o C) способны передавать тепло более холодным объектам. Температура — это мера молекулярного движения вибрации. Чем теплее вещество, тем быстрее движутся или колеблются его молекулы. Тепло — это количество тепловой энергии, передаваемой между объектами.Физики не сказали бы, что объект содержит определенное количество тепла, но они сказали бы, что он может передавать определенное количество тепловой энергии другому объекту, и они бы назвали это теплом. Единицы тепла включают: джоуль, ватт и калорию. Джоуль = (кг x 1м2) / с2 = Ш x С. кг — килограмм, м — метр расстояния, с — время в секундах. W означает ватт.

Нам часто нравится думать об определенном количестве потребляемой энергии в киловатт-часах (кВтч), поскольку именно так мы покупаем электроэнергию у энергокомпании.Поскольку джоуль — это ватт-секунда, киловатт-час составляет 1000 x 3600 секунд = 3,6 МДж (мегаджоули). Джоуль — это количество энергии, выделяемое яблоком весом 100 г, которое падает с расстояния 1 м. КВт-ч — это количество электроэнергии, которое используют десять 100-ваттных ламп накаливания в течение часа.

Еще один показатель тепла — это калории. Это количество тепла, необходимое для подъема одного грамма воды (= 1 мл или 1 кубический сантиметр воды) 1 ^o C. 1 калория = 4,184 Дж.

Мы можем думать о тепле по той работе, которую оно выполняет, когда передается от одного объекта к другому.Явное тепло — это то, что вызывает повышение температуры объекта. Но всегда ли добавление тепла вызывает повышение температуры? Нет! Добавление тепла к кубику льда может привести к его расплавлению, но вода, превращенная из твердой в жидкость, может все еще иметь ту же температуру 0 ^o C. Когда температура остается постоянной, но добавленное или отводимое тепло вызывает изменение состояния, это называется скрытой теплотой. Напомним, что изменение состояния происходит, когда вещества меняют форму между состояниями твердого, жидкого или газообразного.Обычно для изменения состояния требуется гораздо больше тепла, чем для простого повышения температуры объекта. Например, требуется 1 калория, чтобы поднять температуру 1 грамма жидкой воды на 1 ^o C. После достижения температуры 0 ^o C необходимо удалить 79,5 калорий, чтобы превратить жидкую воду в 1 г льда. . На грамм жидкой воды, имеющей температуру 100-^— ° C, требуется еще 539 калорий, чтобы превратить ее в водяной пар. Как вы увидите ниже, используя изменение состояния, а не просто изменение температуры, можно сохранить или высвободить гораздо больше энергии из системы, предназначенной для выполнения полезной работы.

Как тепло передается между объектами?

Тепло всегда самопроизвольно перетекает от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой. Когда предметы соприкасаются, тепло передается за счет теплопроводности. Если вы положите руку на чашку горячего кофе, тепло от кофе перейдет к вашей руке. Если вместо этого вы поместите руку рядом с чашкой горячего кофе, скажем, на расстоянии 2 см, вы все равно почувствуете, что рука становится теплее. Инфракрасные лучи тепловой энергии уходят от чашки, и вы чувствуете их на коже руки.Когда энергия течет через пространство таким образом, это называется излучением. Именно так энергия передается от Солнца на Землю с помощью солнечного излучения. Тепло также может перемещаться из одного места в другое, переносясь движущейся жидкостью (жидкостью или газом). Это называется конвекцией. Пассивная конвекция возникает, когда теплый объект передает тепло жидкости, в результате чего жидкость становится менее плотной и всплывает вверх. Воздух над чашкой горячего кофе нагревается за счет теплопроводности и излучения. Чем теплее, он становится менее плотным и всплывает вверх, заменяясь более прохладным воздухом, который скользит, чтобы занять его место.В гораздо большем масштабе это то, что происходит в атмосфере и океанах, и именно так тепло переносится вокруг Земли. Активная конвекция возникает при приложении силы для перемещения жидкости, переносящей тепло. Мы используем электрические вентиляторы для циркуляции нагретого воздуха в наших домах. Мы используем насосы для циркуляции нагретой воды / раствора антифриза для охлаждения автомобильных двигателей.

Скорость теплового потока между объектами пропорциональна разнице температур между ними. Когда есть большая разница, тепло течет быстро.Если разница температур небольшая, поток тепла уменьшается. Представьте себе горячий горшок, снятый с плиты и поставленный на плиточную столешницу. Сначала быстро остывает. По мере охлаждения разница в температуре между кастрюлей и комнатным воздухом становится меньше, и поэтому кастрюле требуется много времени, чтобы терять достаточно тепла, чтобы соответствовать комнатной температуре. Говорят, что два объекта при одинаковой температуре находятся в равновесии. В этот момент любое тепло, полученное горшком от воздуха, равно тому же количеству тепла, которое горшок теряет воздуху.

Происхождение: Доступно через веб-сайт НАСА: https://genesismission.jpl.nasa.gov/science/module1/index.html; изначально из http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/hydrogen_burn.htm
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/ licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ под аналогичной лицензией.

Солнце — наша звезда. Это массивный шар из плотных газов, в основном водорода (91,2%) и гелия (8,7%). Огромная гравитация Солнца так плотно упаковывает газы в ядре, что заставляет 4 атома водорода (1 протон и 1 электрон) слиться вместе, чтобы произвести 1 атом гелия (2 протона, 2 нейтрона и 2 электрона) и энергию. Высвобождаемая энергия происходит из-за потери небольшого количества массы в процессе синтеза. Напомним, что Эйнштейн показал, что массу можно превратить в энергию, и наоборот, с помощью своего уравнения: E = mC ² .Этот ядерный синтез приводит к высвобождению большого количества энергии. Выделяемая энергия включает тепло (инфракрасное излучение), видимый свет, ультрафиолетовый свет, а также различные лучи и частицы высокой энергии. Посмотрите анимацию слияния на солнце.

Происхождение: Викискладе: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cont_emspec2.jpg
Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

Энергия распространяется волнами. Расстояние между вершинами одной волны и другой называется длиной волны. Длина волны определяет вид энергии. Тепло (инфракрасное) имеет более длинную волну, чем видимый свет. Какова длина волны инфракрасного излучения в нанометрах (нм)? ____ Что это за синий свет? ___ Используйте для ответа рисунок электромагнитного спектра.

Происхождение: Wikispaces: https: // new243-servicelearningreport.wikispaces.com/Photosynthesis
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент для других целей. в коммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете производные работы по аналогичной лицензии.

Из солнечного света, достигающего поверхности Земли, 54% уже является теплом (инфракрасное), 45% — видимым светом и около 1% — более короткими длинами волн (ультрафиолет). Когда солнечный свет попадает на объект, он может отражаться или поглощаться. Если он отражается, он отражается на той же длине волны. Но если он поглощается, коротковолновая энергия превращается в длинноволновую (тепло).

Парниковый эффект

Происхождение: NASA
Повторное использование: Этот предмет находится в общественном достоянии и может быть использован повторно без ограничений.

Инфракрасной энергии, исходящей от Солнца, недостаточно, чтобы поддерживать такую ​​температуру на Земле, как она есть. Свою роль также должна сыграть энергия видимого света и ультрафиолетового света. Из всей солнечной энергии, достигающей атмосферы, около 29% отражается обратно в космос. Большая часть того, что отражается обратно в космос, — это видимый свет, поэтому Земля выглядит как светящийся сине-белый шар при фотографировании с некоторого расстояния.Около 23% начальной солнечной энергии поглощается газами и частицами в атмосфере, а оставшиеся 48% поглощаются землей, океаном, растениями и практически любым объектом на поверхности Земли. Когда видимый свет поглощается объектом, объект преобразует коротковолновый свет в длинноволновое тепло. Это заставляет объект нагреваться. Но это только часть того, почему Земля теплая. Что-то должно удерживать это тепло от быстрого распространения обратно в космос.

Provenance: US EPA, доступ через Wikimedia Commons: https: // commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth%27s_greenhouse_effect_(US_EPA,_2012).png
Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

Атмосфера состоит из 78% N ₂ (газообразный азот) и 21% O ₂ . Оставшийся 1% состоит из различных газов, включая перечисленные выше парниковые газы. Пространства между молекулами N2 и O2 в атмосфере достаточно велики, чтобы пропускать как длинноволновое, так и коротковолновое излучение. Хотя CO ₂ составляет лишь крошечную часть (0,04%) атмосферы, он является мощным препятствием для длинноволнового излучения. Более длинные волны практически не могут пройти через расстояние между молекулами CO ₂ .Другие парниковые газы имеют такой же эффект.

Как упоминалось в начале этого раздела, сжигание ископаемого топлива с начала промышленной революции значительно повысило уровень CO ₂ в атмосфере. В 1800 году, незадолго до начала промышленной революции, концентрация CO ₂ в атмосфере составляла около 250 частей на миллион (ppm). В мае 2013 года концентрация CO ₂ превысила 400 частей на миллион, самый высокий уровень за последние 3 миллиона лет.Соответственно, средняя температура Земли за последнее столетие увеличилась с 1 ^до C. Это причина продолжающегося глобального изменения климата.

Запуск парникового эффекта

В 1776 году швейцарско-французский ученый Гораций Бенедикт де Соссюр построил первый солнечный коллектор, в котором использовался парниковый эффект. Он отметил, что в те дни в закрытых вагонах со стеклянными окнами было тепло даже в холодные дни — точно так же, как и в случае с автомобилями.Он построил ящики, покрытые слоями стекла с черной пробкой для поглощения света. Он зафиксировал температуры выше 100 ^o C. URL для изображения горячей коробки де Соссюра.

Интересно, что де Соссюр использовал свой «горячий ящик» как научный инструмент. Ему было интересно узнать, почему в высоких широтах обычно холоднее. Он принес ящик на вершину горы, чтобы измерить максимальную производимую температуру, и повторил процедуру на следующий день на низкой равнине.Ящик достиг одинаковой температуры в обоих местах, несмотря на то, что внешний воздух равнины был на 43 ^o F теплее, чем на вершине горы. Из этого он пришел к выводу, что более плотное воздушное покрывало, покрывающее равнину, обеспечивает большую изоляцию, чем более тонкая атмосфера на вершине горы.

Концепция «горячего ящика» была применена на практике астрономом сэром Джоном Гершелем, который в 1830-х годах находился в экспедиции в Южную Африку. Он построил горячий ящик на солнечных батареях, чтобы готовить еду.

Происхождение: http: // www.atlascuisinesolaire.com — http://www.atlascuisinesolaire.com Доступ через Wikimedia Commons: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker#/media/File:ALSOL.jpg
Повторное использование: Этот элемент находится в общественное достояние и может использоваться повторно без ограничений.

Происхождение: Бенджамин Кукер, Университет Хэмптона
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Солнечные плиты не требуют топлива. В этом есть два преимущества. В бедных странах часто не хватает топлива. Керосин дорогой, поэтому дров, древесного угля, сушеного навоза и т. Д. Может не хватать. Во-вторых, топливо для приготовления пищи часто горит очень грязно, вызывая много копоти и дыма.Это создает реальные проблемы со здоровьем, особенно для женщин и детей в странах, где есть традиции приготовления пищи в домах с плохой вентиляцией. Глобальный альянс за чистые кухонные плиты — это партнерство Организации Объединенных Наций и частного сектора для решения этой проблемы. Они заявляют: «По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), воздействие дыма в результате простого процесса приготовления пищи является пятым наихудшим фактором риска заболеваний в развивающихся странах и вызывает почти два миллиона преждевременных смертей в год, что превышает количество смертей, связанных с малярией или малярией. туберкулез.Кроме того, еще десятки миллионов человек заболевают болезнями, которые можно было бы легко предотвратить с помощью более широкого внедрения чистых и эффективных решений для приготовления пищи ».

Происхождение: Фотография сделана автором модуля доктором Бенджамином Кукером, Университет Хэмптона
Повторное использование: Вы можете: Поделиться — копировать и распространять материал на любом носителе или формате. следующие условия: Атрибуция — Вы должны указать соответствующую ссылку, предоставить ссылку на лицензию и указать, были ли внесены изменения.Вы можете сделать это любым разумным способом, но не любым способом, который предполагает, что лицензиар одобряет вас или ваше использование. Некоммерческий — вы не можете использовать материал в коммерческих целях. ShareAlike — если вы ремикшируете, трансформируете или опираетесь на материал, вы должны распространять свои материалы под той же лицензией, что и оригинал.

Традиционное твердое топливо также наносит серьезный ущерб окружающей среде. Леса часто уничтожают путем вывоза дров для приготовления пищи. Загрязняющий дым и сажа, представляющие опасность для здоровья в помещении, также попадают в атмосферу, вызывая общее загрязнение воздуха. Учитывая, что около 3 миллиардов человек, или трое из каждых семи человек на Земле, едят еду, приготовленную на грязных открытых кухонных плитах, загрязнение быстро увеличивается. Развивающиеся страны с наихудшей бедностью, как правило, находятся в солнечном субтропическом климате, который хорошо сочетается с солнечной кулинарией.

Солнечная кулинария также нашла свое место в более богатых странах. Зачем нагревать кухонную выпечку в традиционной газовой или электрической духовке в жаркий летний день, когда солнечная плита сделает всю работу на открытом воздухе за час или меньше?

Солнечная сушка белья

Provenance: Berthe Morisot, доступ через Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:1875_Morisot_Laundry.jpg
Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

Когда-то обычная черта человеческого пейзажа, линии для белья теперь редкость в Соединенных Штатах. Многие общины запретили сушку белья на открытом воздухе.Аргумент состоит в том, что вешалка для одежды — это бельмо на глазу, которое снижает стоимость собственности и заставляет сообщество выглядеть «бедным». Это пример того, как предвзятое отношение к бедным людям наносит ущерб окружающей среде и кошелькам среднего класса, который стремится казаться богатым. Местные организации в Соединенных Штатах работают над отменой запретов на сушку белья на открытом воздухе. Одна национальная организация называется Project Laundry List.

Provenance: DOE
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Происхождение: Изображение до 1923 года.
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Происхождение: Изображение до 1923 года.
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

«Энергетический кризис» 1974 года (возникший в результате войны на Ближнем Востоке) возобновил интерес ко всему, что касается солнечной энергии, в Соединенных Штатах. Солнечные системы горячего водоснабжения снова появились на рынке в конце 1970-х годов. Все они состояли из двух основных частей: коллекторной панели и накопительного бака. Коллекторная панель содержала систему маленьких черных трубок на черном фоне и была покрыта стеклом.Системы «обратного слива» заполняли панели коллектора, когда датчики показывали, что они нагреваются на утреннем солнце. Затем насос будет направлять нагретую воду в изолированный резервуар для хранения. Ночью насосы отключались, и вся вода могла стекать из панели — важная особенность в местах, где ночью температура опускалась ниже точки замерзания. Когда вода замерзает, она расширяется и разрывает трубы. Системы обратного дренажа хорошо работали в местах, свободных от мороза, но в более высоких широтах многие из них не работали из-за неполного дренажа в ночное время.

Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях, если вы указывать авторство и предлагать любые производные работы по аналогичной лицензии.

Происхождение: Фотография сделана Б. Цукером
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Иногда серия пасмурных дней исчерпывает запасы горячей воды. Встроенная в резервуар резервная спираль резистивного нагревателя будет обеспечивать подачу горячей воды до тех пор, пока не вернется солнечный свет.

Соображения безопасности — Все водонагреватели резервуарного типа имеют три соображения безопасности. Во-первых, когда вода нагревается, она расширяется, и возникающее давление может привести к взрыву резервуара. Клапан сброса давления в верхней части резервуаров защищает от этого. Во-вторых, горячая вода также может вызвать ожоги у пользователя, поэтому для предотвращения этого необходимо установить достаточно низкую температуру. Наконец, резервуар со слишком низкой температурой может стимулировать рост патогенных бактерий, подобных той, которая вызывает болезнь легионеров.Так что лучше всего, если температура в резервуарах будет составлять минимум 60 ^o C (140 ^o F), но вода должна распределяться при 50 ^o C (122 ^o F).

Бесконтактный (по запросу) водонагреватель

Provenance: DOE
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент для других целей. в коммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете производные работы по аналогичной лицензии.

Солнечная энергия может использоваться для обогрева зданий. Древние архитекторы понимали, как здания и конструкции могут использовать солнечные ресурсы. Такие пассивные конструкции рассматриваются в другом блоке.Здесь мы сосредоточимся в основном на активных конструкциях для отопления помещений.

Provenance: Источник: F.Koester, доступ в Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Trombe_wall.jpg
Повторное использование: Этот элемент предлагается на условиях Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike лицензия http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ под аналогичной лицензией.

Происхождение: Бенджамин Кукер, Университет Хэмптона
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Простые сифоны с тепловым воздухом также могут быть добавлены к существующим окнам. Эти устройства также сочетают в себе парниковый эффект с естественной пассивной конвекцией. Коллектор можно настроить на более эффективный угол для сбора солнечного света. Включение небольшого вентилятора на солнечной энергии, такого как те, которые используются для охлаждения настольных компьютеров, сделает устройство более эффективным.Следует позаботиться о том, чтобы изоляция закрывала зазоры, образовавшиеся в двойных окнах. В противном случае любое тепловыделение будет потеряно из-за проникновения холодного воздуха через утечки.

Происхождение: Бенджамин Кукер, Университет Хэмптона
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете использовать это повторно элемент для некоммерческих целей, если вы указываете авторство и предлагаете производные работы по аналогичной лицензии.

Происхождение: Бенджамин Кукер, Университет Хэмптона
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете использовать это повторно элемент для некоммерческих целей, если вы указываете авторство и предлагаете производные работы по аналогичной лицензии.

Отопление помещений солнечными системами горячего водоснабжения

Provenance: Изображение Riu Chixoy и доступ через Wikimedia Commons: https: // commons.wikimedia.org/wiki/File:Col%C2%B7lector_terra_radiant_i_tubs.JPG
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/ 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Лучистое напольное отопление лучше всего работает с большинством солнечных систем горячего водоснабжения, потому что в таких системах температура теплоносителя зимой составляет всего 140–160 ^o F. Напомним, что скорость теплового потока между объектами пропорциональна разнице температур. Чтобы передать достаточно тепла в здание, излучающая поверхность должна быть большой, как в случае с системами теплого пола. Плинтус или старомодные чугунные радиаторы не обеспечат достаточной площади для излучения при таких температурах.Они предназначены для работы при более высоких температурах, достигаемых при использовании природного газа или топочного мазута в качестве источника энергии.

Provenance: Greensolarvacuum, доступ через Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solar_vacuum_tube_collectors_Thessaloniki.jpg
Повторное использование: Этот элемент предлагается под лицензией Creative Commons Attribution-Like http / ShareAlike NonCommercial /creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Вакуумные трубчатые коллекторы состоят из внутренней стеклянной трубки внутри внешней стеклянной трубки. Их разделяет эвакуируемое пространство.Термин откачан означает, что откачан весь воздух. Это значительно снижает скорость потери тепла за счет теплопроводности и конвекции, поскольку нет воздуха, который проводил бы или переносил тепло между внутренней и внешней трубкой. Таким образом, солнечный свет проходит через два слоя стекла и превращается в длинноволновое излучение, когда он поглощается темным коллектором, и это тепло затем удерживается в коллекторе. Вакуумные трубы более эффективны, чем традиционные плоские коллекторы тепличного типа из-за изоляции, обеспечиваемой вакуумом между слоями стекла.

Жидкость гликоль-вода может напрямую циркулировать через откачанные коллекторные трубы и подключаться непосредственно к остальной части системы. Но более эффективный подход — включить в систему тепловую трубку.

Происхождение: Ильянасов, происхождение: http://www.appropedia.org/Image:Evacuated_tube_diagram.jpg; доступ через Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Evacuated_tube_diagram.jpg
Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

Объединение тепловых трубок в конструкции с вакуумированными трубками делает солнечный тепловой коллектор очень эффективным.Однако вакуумированные трубки хрупки по сравнению с плоскими коллекторами и со временем могут потребовать большего обслуживания.

Солнечная тепловая энергия для кондиционирования воздуха

Provenance: gringer, производная от Phase_change_heat_pump.png от Jleedev; доступ через Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phase_change_heat_pump.svg
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Provenance: DOE
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент для других целей. в коммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете производные работы по аналогичной лицензии.

Абсорбционные холодильники, работающие на пропане, используются в транспортных средствах для отдыха и в каютах. Отработанное тепло электростанций и промышленных процессов питает большие кондиционеры воздуха в этом режиме. В качестве источника тепла можно использовать солнечную энергию. Одна такая система, работающая исключительно на солнечной энергии, находится в Южной Африке, о ней рассказывается на сайте: кондиционер на солнечной энергии.

Абсорбционный кондиционер на основе тепла требует много тепла. Другой подход — объединить преимущества абсорбционной и компрессионной систем. В таких гибридных системах используется солнечный коллектор для перегрева хладагента, что требует меньше работы компрессорного гибридного солнечного кондиционера.

Солнечная энергия для производства пара и чистой воды

Происхождение: Фото Министерства внутренних дел США, Бюро мелиорации https: // www.flickr.com/photos/usbr/169360/
Повторное использование: Attribution-ShareAlike 2.0 Generic (CC BY-SA 2.0) Бесплатно: Совместное использование — копирование и распространение материала на любом носителе или любом формате. Адаптация — ремикс, преобразование и создание. на материал для любых целей, даже в коммерческих целях.