Зимнее чаепитие. Сколько нужно снега и дров. Удельная теплоемкость снега


Зимнее чаепитие. Сколько нужно снега и дров

Традиция русского чаепития имеет многовековую историю. Впервые чай появился на Руси в первой половине 17 века, он был привезён в подарок государю Михаилу Федоровичу от монгольского Алтан-хана Кучкуна. Чай стал очень популярным напитком, начиная со второй половины 18 века, когда появились первые русские самовары, известные теперь во всём мире. Особенно приятно пить чай в зимнее время года, когда стоит морозная погода, а чай согревает, придаёт бодрости и сил. Если вы оказались в загородном доме и вам хочется выпить чаю, а воды нет, то можно набрать чистого свежевыпавшего снега, растопить дровами русский самовар и приготовить восхитительный напиток – русский чай. Давайте попробуем разобраться, сколько нужно снега и дров, чтобы всех напоить горячим чаем.

Сначала рассчитаем сколько нужно снега, чтобы самовар объёмом 3 литра был полным. Учитывая, что 1 л = 1 дм3, находим массу воды объемом 3 литра:

m = 3·10-3 м3·1000 кг/м3=3 кг

Так как плотность свежевыпавшего снега примерно равна 150 кг/м3, то нам потребуется примерно 20 литров снега, то есть достаточно набрать два десятилитровых ведра снега.

Теперь рассчитаем количество дров, считая, что температура снега – 200С, а воду надо довести до кипения. Сначала снег надо нагреть до температуры плавления (00С), затем растопить снег и потом нагреть полученную воду до температуры кипения (1000С).

Количество теплоты, которое необходимо, чтобы нагреть снег до 00С рассчитывается по формуле:

Q1 = cснm (T2 – T1),

где cсн = 2100 Дж/(кг·0C)– удельная теплоёмкость снега,  – масса снега, T1 – начальная температура снега, T2 – конечная температура снега.

Подставляя значения, находим:

Q1 = 2100Дж/(кг·0 C)*3 кг * 200C)= 126 кДж

Чтобы растопить снег необходимо количество теплоты:

Q2 = λm,

где λ = 334 кДж/кг – удельная теплота плавления снега, тогда:

Q2=1002 кДж

Аналогично рассчитываем количество теплоты, необходимое для нагревания воды:

Q3=cвm(T3 – T2)

где cв = 4200 Дж/(кг·0С)– удельная теплоёмкость воды, m – масса воды, T2 – начальная температура воды, T3, – конечная температура воды.

Подставляя значения, находим:

Q3 = 4200 Дж/(кг·0С) * 3 кг * 1000С = 1260 кДж

Кроме этого, необходимо ещё нагреть сам самовар, изготовленный из латуни и имеющий комнатную температуру (200С), до температуры кипения воды:

Q4 = cлmс (T3 – T2)

где cл = 380 Дж / (кг·0С)– удельная теплоёмкость латуни, mс = 4 кг – масса самовара, T4 – начальная температура самовара, T3 – конечная температура воды.

Подставляя значения, находим:

Q4 = 380 Дж / (кг·0С)·4кг·800С =121,6 кДж

Складывая полученные значения, находим необходимое количество теплоты: Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 2509,6 кДж

Самовар

Так как русский самовар имеет КПД примерно 15%, то дрова при сгорании должны выделить большее количество теплоты:

2509,6 кДж/0,15=16,7 МДж.

Чтобы рассчитать массу необходимых дров разделим полученную величину на удельную теплоту сгорания березовых (сосновых) дров (10,2 МДж/кг):

mдров = 16,7 МДж / 10,2МДж/кг = 1,637 кг

Таким образом, достаточно немногим более полутора килограмма дров.

 По предложенному методу мы предлагаем вам рассчитать:

  1. массу древесного угля (удельная теплота сгорания 34,4 МДж/кг), необходимого для получения 5 литров кипячёной воды из снега, имеющего температуру – 200С в латунном самоваре массы 5 кг;
  2. объём снега при температуре – 300С и массу сосновых дров, необходимых для получения 200 л воды при температуре 400 при помощи русской печи, считая её КПД равным 40%.

life.mosmetod.ru

Сколько дров надо сжечь в печке с кпд 40% что бы получить на 200 кг снега, взятого при -10с, воду температурой 20с?

Для этого надо знать удельную теплоту сгорания дров, из вики узнаём при сгорании 1 кг дров выделяется 10,2 МДж или 10200 кДж. Удельная теплоёмкость снега 2,06 кДж/кг*гр. С, а воды примерно 4,183 кДж/кг*гр. С. Удельная теплота плавления снега 333,55 кДж/кг. Теперь можно просто посчитать. Нам нужно количество дров? Сначала вычислим сколько энергии нужно для нагрева, плавления снега и нагрева воды до 20 гр. С. Q=(2,06*10+333,55+4,183*20)*200=87562 кДж, на то чтобы превратить 200 кг снега с температурой -10, в воду с температурой +20. Теперь вычисляем массу дров необходимую для этого: m=87562/(10200*0,4), где 0,4 это и есть КПД 40%, получаем 21,46 кг дров.

КПД=(Q1+Q2+Q3)/Q4 Q1 = количество теплоты, затраченное на нагревание снега от -10 град до 0 Q2 - количество теплоты, затраченное на плавление снега Q3 - количество теплоты, затраченное на нагревание воды, полученной из снега от 0 до 20 град Q4 - количество теплоты, выделенное при сгорании дров Все формулы расписать и выразить массу дров

а в кельвины переводить?

touch.otvet.mail.ru

1.1.2 Удельная теплота парообразования воды и плавления снега и льда

Удельной теплотой парообразования L (кал/г) называется количество тепла, необходимое для перевода 1 г воды из жидкого состояния в парообразное без изменения температуры при нормаль­ном атмосферном давлении.

Теплота, затрачиваемая на перевод жидкости в пар, состоит из двух частей

L = L1 + L2,

где

L1 - тепло, расходуемое на преодоление межмолекулярных сил сцепления, т. е. на повышение внутренней энергии, и называе­мое внутренней теплотой испарения;

L2 - тепло, расходуемое на увеличение объема, занимаемого единицей массы вещества, т. е. на работу против внешнего давления.

С повышением температуры удельная теплота парообразования уменьшается. Эта зависимость может быть охарактеризована сле­дующей эмпирической формулой:

L = 597 - 0,57t,

где

t - температура испаряющей поверхности, L - в кал/г.

Количество тепла Qис, затрачиваемого на испарение столбика воды высотой E см с площадью основания 1 см2 при плотности воды = 1, определяется по формуле

Qис = EL = Е (597 - 0,570 t),

где

Qис - в калориях.

Удельной теплотой плавления Lпл называется количество тепла, поглощаемого при переходе 1 г снега или льда в жидкую воду той же температуры. Это же количество тепла выделяется при за­мерзании 1 г воды.

Количество теплоты, поглощаемое при плавлении или выделяе­мое при кристаллизации столбиком чистого льда высотой h см и площадью 1 см2, определяется выражением

Qл = лhLпл,

где

Qл - в калориях.

Интересно отметить, что удельная теплота испарения воды и удельная теплота плавления льда значительно больше, чем мно­гих других жидкостей. Эта аномалия объясняется, так же как и аномалия плотности, особенностями строения воды. При переходе жидкой воды в пар и льда в жидкую воду энергия затрачивается не только на преодоление сил взаимного притяжения молекул, но и на разрушение агрегатов двойных и тройных молекул.

1.1.3 Теплоемкость и теплопроводность

Количество тепла, необ­ходимое для нагревания 1 г воды на 1°С, называется удельной теплоемкостью Cp. В гидрологии теплоемкость обычно выражается в кал/(г*град).

Вода характеризуется наибольшей теплоемкостью по сравнению с другими жидкими и твердыми веществами, за исключением во­дорода и аммиака.

Благодаря большой теплоемкости воды суточные и сезонные изменения ее температуры оказываются менее значительными, чем изменение температуры воздуха, удельная теплоемкость которого в 4 раза меньше, чем теплоемкость воды.

Так же как и плотность, теплоемкость воды изменяется с температурой аномально: при 30°С она наименьшая - 0,9975 кал/(г*град) при 15 и 70°С равна 1,000, при 3,6 и 100°С возрастает до 1,0057; теплоемкость водяного пара при 100°С и давлении 760 мм равна 0,462, теплоемкость льда при 0°С - 0,485, а при 10°С - 0,444 кал/(г*град).

Передача тепла путем молекулярной теплопроводности состоит в том, что повышенные колебания молекул в более нагретых слоях постепенно передаются молекулам смежных слоев и таким обра­зом энергия теплового движения постепенно передается от слоя к слою. В результате возникает поток тепла от более нагретых слоев к слоям с более низкой температурой.

Характеристика молекулярной теплопередачи - коэффициент теплопроводности воды () в кал/(см*с*град) при 0°С равен 0,001358 кал/(см*с*град). С повышением температуры он увели­чивается и при температуре 20° С равен 0,00143 кал/(см×с×град).

Коэффициент теплопроводности чистого, лишенного пузырьков воздуха льда равен 0,0054 кал/(см×с×град). С понижением тем­пературы теплопроводность льда несколько уменьшается.

Тепло­проводность снега зависит в значительной мере от его плотности.

Зависимость коэффициента теплопроводности снега с от его плот­ности может быть выражена в следующей форме:

с = 0,0067с2,

Где

с - плотность снега;

с - в кал/(см×с×град).

studfiles.net

Таблица Удельная теплота. Удельная теплота плавления.

 ЗАДАЧНИК ОНЛ@ЙН  БИБЛИОТЕКА 1  БИБЛИОТЕКА 2

Удельная теплота плавления. Удельная теплота парообразования (испарения). Критические параметры некоторых веществ. Удельная теплота сгорания.

Удельная теплота плавления металлов

  Металл

Удельная теплота плавления

Металл

Удельная теплота плавления

кДж/кг

кал/г

кДж/кг

кал/г

Алюминий 393 94 Платина 113 27
Вольфрам 184 44 Ртуть 12 2,8
Железо 270 64,5 Свинец 24,3 5,8
Золото 67 16 Серебро 87 21
Магний 370 89 Сталь 84 20
Медь 213 51 Тантал 174 41
Натрий 113 27 Цинк 112,2 26,8
Олово 59 14 Чугун 96-140 23-33

Удельная теплота плавления некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)

 Вещество

Удельная теплота плавления

Вещество

Удельная теплота плавления

кДж/кг

кал/г

кДж/кг

кал/г

Азот 25,7 6,2 Нафталин 151 36
Водород 59 14 Парафин 150 35
Воск 176 42 Спирт 105 25
Глицерин 199 47,5 Стеарин 201 48
Кислород 13,8 3,3 Хлор 188 45
Лед 330 80 Эфир 113 27

Изменение объемов веществ при их плавлении

В таблице укзан объем жидкости Vж, образующийся при плавлении твердых тел из различных веществ объемом 1000 см3

Вещество

Vж, см3

Вещество

Vж, см3

Алюминий 1066 Ртуть 1036
Висмут 967 Свинец 1036
Золото 1052 Серебро 1050
Кремний 900 Сурьма 991
Лед 917 Цинк 1069
Олово 1026 Чугун серый 988-994

Большинство веществ при переходе из твердого состояния в жидкое увеличивает свой объем. Исключение составляют лед, висмут и некоторые другие вещества.

Удельная теплота испарения (парообразования) воды при различной температуре и нормальном атмосферном давлении

t, oC

Удельная теплота испарения

t, oC

Удельная теплота испарения

кДж/кг

калл/кг

кДж/кг

калл/кг

0 2501 597 80 2308 551
5 2489 594 100 2256 539
10 2477 592 160 2083 497
15 2466 589 200 1941 464
18 2458 587 300 1404 335
20 2453 586 370 438 105
30 2430 580 374 115 27
50 2382 569 374,15* 0 0

* При температуре 374,15 oC и давлении 22,13 Па (225,64 ат) вода находится в критическом состоянии. В этом состоянии жидкость и ее насыщенный пар обладают одиноковыми свойствами - разница между водой и ее насыщенным паром исчезает.

График зависимости удельной теплоты парообразования (испарения) воды от температуры

Изменение объемов жидкостей при испарении и газов (паров) при конденсации

Испаряющаяся жидкость

Vг, л

Конденсирующийся газ (пар)

Vж, л

Азот 716 Азот 1,42
Вода (при ) 1780 Водяной пар 0,737
Воздух 749 Воздух 1,38
Гелий 774 Гелий 1,31
Кислород 886 Кислород 1,15
Метан 656 Метан 1,55

В таблице указан объем газа (пара), образующегося при испарении 1л жидкости, взятой при температу  ре 20 oС и нормальном атмосферном давлении, а также объем жидкости образующейся при конденсации 1 м3 газа (пара).

Удельная теплота парообразования жидкостей и расплавленных металлов

(при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении)

Жидкость

Удельная теплота испарения

Жидкость

Удельная теплота испарения

кДж/кг

кал/кг

кДж/кг

кал/кг

Азот жидкий 201 48 Водород жидкий 450 108
Алюминий 9200 2200 Воздух 197 47
Бензин 230-310 55-75 Гелий жидкий 23 5,5
Висмут 840 200 Железо 6300 1500
Вода (при t=0 oC) 2500 597 Керосин 209-230 50-55
Вода (при t=20 oC) 2450 586 Кислород жидкий 214 51
Вода (при t=100 oC) 2260 539 Магний 5440 1300
Вода (при t=370 oC) 440 105 Медь 4800 1290
Вода (при t=374,15 oC) 0 0 Олово 3010 720
      Ртуть 293 70
      Свинец 860 210
      Спирт этиловый 906 216
      Эфир этиловый 356 85

Удельная теплота испарения (парообразования) некоторых твердых веществ

Вещество

Удельная теплота испарения

Вещество

Удельная теплота испарения

кДж/кг

калл/кг

кДж/кг

калл/кг

Йод 226 54 Мышяк 427 102
Камфара 387,2 92,5 Сухой лед 586 140
Лед 2834 677      

Примечание. Непосредственный переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя превращение в жидкое состояние, называется сублимацией.

Критические параметры некоторых веществ

Вещество

Критическая температура, oC

Критическая плотность, кг/м3

Критическое давление

МПа

ат

Азот -147.1 311 3.39 34.6
Аммиак 132.4 235 11.5 117
Ацетилен 35.7 231 6.24 63.7
Вода 374.2 307 22.13 225.65
Водород -239.9 31.0 1.30 13.5
Воздух -140.7 350 3.77 38.5
Гелий -267.9 69.3 0.23 2.3
Кислород -118.8 430 5.04 51.4
Нафталин 469 314 3.98 40.6
Оксид углерода (II) -139 301 3.5 36
Оксид углерода (IV) 31.0 460 7.35 75.0
Спирт 243.5 276 6.38 65.2
Хлор 144.0 573 7.70 78.5
Эфир 193.8 260 3.60 37.0

Удельная теплота сгорания некоторых пищевых продуктов

Продукт

Удельная теплота сгорания

Продукт

Удельная теплота сгорания

кДж/кг

калл/кг

кДж/кг

калл/кг

Батоны простые 10470 2500 Мясо куриное 5380 1280
Виноград 2400 700 Огурцы свежие 570 140
Говядина 7520 1800 Окунь, щука 3520 840
Земляника садовая 1730 443 Сахар 17150 4100
Картофель 3770 900 Сметана 14800 3530
Кефир 2700 640 Смородина черная 2470 590
Малина 1920 460 Хлеб пшеничный 8930 2130
Масло сливочное 32700 7800 Хлеб ржаной 8620 2060
Молоко 2800 670 Яблоки 2010 480
Морковь 1720 400 Яйца 6900 1650
Мороженое сливочное 7500 1790      

Удельная теплота сгорания различных видов топлива и некоторых веществ

Топливо, вещество

Удельная теплота сгорания

МДж/кг

калл/кг

Условное топливо 29,3 7000

Твердое

Антрацит 26,8-31,4 6400-7500
Древесный уголь 31,5-34,4 7500-8200
Дрова (воздушно-сухие) 8,4-11 2000-2500
Каменный уголь ≈ 27 ≈ 6500
Порох 3,8 900
Сланцы горючие 7,5-15,0 1800-3600
Твердые ракетные топлива 4,2-10,5 100-2500
Торф 10,5-14,5 2500-3500
Тротил (взрывчатое вещество) 15 3600
Уголь:    
           канско-акчинский 15,5 3700
           подмосковный 10,5 2500
           челябинский 14,6 3500
           экибастузский 16,1 3840

Жидкое

Бензин 44-47 10500-11200
Дизельное автотракторное 42,7 10200
Керосин 44-46 10500-11000
Нефть 43,5-46 10400-11000
Спирт 27,0 6450
Топливо для ЖРД (керосин + жидкий кислород) 9,2 2200
Топливо для реактивных двигателей самолетов (ТС-1) 42,9 10250

Газообразное

Ацетилен 48,1 11500
Водород 120 28600
Газ природный 41-49 9800-11700
Метан 50,0 11950
Оксид углерода (II) 10,1 2420
...

www.kilomol.ru