Объем воды в одной секции биметаллического радиатора: как посчитать и на что он влияет? ➤ Рекомендации лучших экспертов интернет-магазина TEPLOVOZ.UA

Объем радиатора отопления – как правильно рассчитать

Теплоноситель в системе отопления – это не только водопроводная вода, которая закачивается внутрь за счет своего давления. К примеру, в загородных поселках нередко воду заливают в отопление ведрами, доставая ее из колодца или близлежащего водоема. Или вообще используют незамерзающие жидкости. Второй вариант используется нечасто только из-за дороговизны материала, но тот, кто планирует проживать на даче или загородном коттедже только по выходным и праздникам, пользуется именно незамерзающими жидкостями, чтобы каждый раз не сливать теплоноситель из отопительной системы. Поэтому расчет объема теплоносителя – важный показатель, в который входит объем радиатора отопления, объем труб и отопительного котла.

Емкость котла указана в паспорте изделия. Этот показатель будет в основном зависеть от мощности агрегата и его размеров. Объем труб можно определить из специальных таблиц, которых в Интернете большое количество. Мы тоже предлагаем такую таблицу:

Диаметр (мм)	Объем одного погонного метра (л)
15	0,177
20	0,31
25	0,49
32	0,8
40	1,25
50	1,96

Чтобы определить общий объем необходимого теплоносителя, который будет помещаться только в трубы, необходимо измерить их общую длину и умножить на показатель из таблицы. Если вы пользуетесь проектом для сооружения отопительной системы, то все необходимые расчеты и замеры можно провести по нему.

Итак, остается только определить объем воды в радиаторе отопления. Как это можно сделать проще всего? Советуем опять-таки воспользоваться таблицами.

Обращаем ваше внимание, что производители предлагают на рынке различные модели отопительных приборов. В модельной линейке могут оказаться радиаторы не только разной конструкции, но и разных размеров. В плане размерного ряда в основе лежит межосевое расстояние, то есть, это расстояние между осями двух коллекторов (верхнего и нижнего). К тому же в настоящее время производители предлагают приборы на заказ, в которых используются индивидуальные эскизы и рисунки. С определением емкости этих батарей все намного сложнее.

Но давайте вернемся к данному показателю и покажем усредненные величины для приборов отопления. Берем модели вида 500 (межосевое расстояние).

• Чугунный радиатор ЧМ-140 старого образца – 1,7 литра объем одной секции.
• То же самое только нового образца – 1л.
• Стальной панельный прибор тип 11 (то есть, одна панель) – 0,25 л на каждые 10 см длины прибора. Измерение типа в количественном соотношении увеличивает объем теплоносителя на 0,25 л. То есть, тип 22 – 0,5 л, тип 33 – 0,75 л.
• Алюминиевая батарея – 0,45 л на каждую секцию.
• Биметаллический – 0,25 л.

В данном списке нет стальных трубчатых радиаторов. Даже приблизительный объем у этой модели определить будет непросто. Дело все в том, что производители используют для их изготовления трубы различных диаметров, отсюда и невозможность подобрать хотя бы усредненный вариант. Поэтому рекомендуем обращать внимание на паспортные данные, где показатель объема должен быть указан.

Соотношение по типажу

Расчет объема опытным путем

А если такового показателя нет, что делать? Тогда рекомендуем найти объем батареи отопления практическим путем. Как это можно сделать:

• Устанавливаете три заглушки на радиатор.
• Ставите его на торец так, чтобы открытый патрубок находился сверху.
• Берете мерную емкость, к примеру, ведро или ковшик (то есть вы должны знать объем этой емкости, пусть даже приблизительный).
• Теперь заливаете вручную в батарею обычную воду, при этом считаете, сколько ведер вошло в отопительный прибор. Умножая количество на объем ведра, вы получаете объем теплоносителя в приборе.

Обратите внимание, что этот способ определения объема прибора отопления может быть использован для всех типов и моделей. Если в паспортных данных емкость прибора не указана, и таблицу определения вы не нашли, то опытным путем своими руками можно достаточно точно определить данный показатель.

Теперь хотелось бы затронуть тему, как влияет емкость батареи отопления на общую теплоотдачу отопительной системы. Здесь зависимость не прямая, а косвенная. Поясним суть дела. Многое будет зависеть от того, как сам теплоноситель будет двигаться по контурам: под действием физических законов (то есть, с естественной циркуляцией) или под искусственным давлением (под действием циркуляционного насоса).

Если выбран первый вариант, то оптимальное решение – радиаторы с большим объемом. Если второй, то тут разницы никакой нет. Давление создаст условия, при которых теплоноситель будет распределяться равномерно по всей сети, а, значит, равномерно распределиться и температура.

Не забудьте оценить статью:

Объем воды и другие характеристики радиаторов отопления

Содержание

• 1 Зачем знать объем теплоносителя в батареи
• 2 Способы расчета объема
  • 2.1 Определяем объем с помощью документации
  • 2.2 Усредненные значения объема
  • 2.3 Универсальный метод

Определение объема воды или другого теплоносителя в радиаторе — важный этап проектирования отопительной системы собственного загородного дома. 

Зачем знать объем теплоносителя в батареи

Расчет объема теплоносителя в батарее делают для того, чтобы:

• выбрать правильное крепление радиатора. Оно должно выдерживать не только вес изделия, но и вес воды, которая заполняет все внутреннее пространство. Вес жидости равен объему;
• выбрать котел нужной мощности. Если он будет слабым, он будет создавать малое давление, и вода будет двигаться медленно;
• выбрать расширительный бак необходимого объема. Многие отказываются от этого элемента. Однако его лучше использовать, поскольку он компенсирует давление, созданное увеличенным в объеме нагретым теплоносителем. Например, при нагревании объем жидкости растет на 4%. Если ей некуда деться, то давление на батареи и трубы растет. Рано или поздно тепловое расширение «порадует» протечкой;
• определить общую потребность в теплоносителе. Для этого нужно учесть внутренний объем труб с малым гидравлическим сопротивлением, а также объем нагревательного котла, способного создать нужное давление;
• выдержать верную концентрацию антифриза. Это касается тех случаев, когда вода будет смешиваться с антифризом. Такое делать можно, и в некоторых случаях образованная жидкость для радиаторов отопления замерзает при более низких температурах, чем 100% антифриз;
• подобрать тип циркуляции. Теплоноситель может двигаться естественным способом (сверху вниз) или перемещаться под давлением, созданным насосом. Естественный тип циркуляции выбирают в случае батарей с большим внутренним объемом и малым сопротивлением нагретой жидкости. Что касается второго типа, то размер и вес батарей значения не имеет.

Способы расчета объема

Величину внутреннего пространства батарей можно определить двумя способами:

1. Заглянуть в техническую документацию и найти среди указанных характеристик нужную цифру. Далее необходимо провести простые математические операции.
2. Залить воду и измерить ее объем или вес.

Определяем объем с помощью документации

Начальные цифры можно взять, как из документации с техническими характеристиками, так и из специальных составленных производителями таблиц. В обоих случаях указывается определенный показатель, которому соответствует такой объем воды, который может уместиться в погонном метре радиатора.

Этим показателем является межосевое расстояние. Под ним понимают расстояние, которое разделяет верхний и нижний коллекторы. Многие производители выпускают батареи, соблюдая стандартные значения межосевого расстояния. Чаще всего оно составляет 30 и 50 см.

Расчет объема воды предусматривает такие шаги:

1. Определение длины панельных радиаторов или количества секций алюминиевых или биметаллических батарей с гладкими внутренними стенками (такие стенки позволяют снизить гидравлическое сопротивление).
2. Определение объема воды на погонный метр. Для этого в таблице смотрят на межосевое расстояние. Напротив его величины ищут объем воды. Если устройство для отопления секционное, то узнают, сколько воды может поместиться внутри одной секции.
3. Умножение полученных величин.

Этот метод сложно использовать для трубчатых радиаторов и батарей, выполненных по индивидуальным заказам. Это потому, что для первых устройств производители используют различные, прошедшие проверку на ГОСТ, трубы. Они имеют разные диаметры, толщину стенок и длину. Поэтому таблиц с усредненными значениями объема и расстояния между коллекторами нет. На помощь может прийти документация с техническими характеристиками и составленная производителем таблица. В ней кроме межосевого расстояния также может указываться сопротивление нагретой жидкости и вес устройства с этой жидкостью.

Для устройства отопления, изготовленного по желанию клиента, может и не быть технической документации с очень детальными характеристиками. Ведь оно выпускается только в малой партии, и нет смысла высчитывать все характеристики, включая объем и сопротивление воде.

Усредненные значения объема

Для примера взяты радиаторы с межосевым расстоянием 500 мм. Объем таков:

• 1,7 л на каждую секцию рассчитанного на большое давление чугунного радиатора ЧМ-140;
• 1 л на каждую секцию этой же батареи нового образца;
• 0,25 л на каждые 10 см панельного устройства типа 11. Для конструкций с двумя и тремя рассчитанными на небольшое давление панелями этот показатель составляет 0,5 и 0,75 л на 10 см;
• 0,45 л на каждую легкую по весу секцию батарей из алюминия;
• 0,25 л на одну секцию биметаллического радиатора.

Универсальный метод

Он подходит для любого типа нагревательного устройства с любым межосевым расстоянием.

Измерение осуществляют так:

1. Устанавливают заглушки на два нижних отверстия.
2. Наливают воду до тех пор, пока она не начнет вытекать из второго свободного отверстия.
3. Ставят заглушку на этом отверстии и медленно заливают воду до тех пор, пока вся батарея не будет полностью заполнена. Во время наливания подсчитывают количество вылитых емкостей. Это можно делать и во время спускания воды из радиатора. Придется спускать воду в ведро или что-то другое и потом ее выливать.
4. Умножение количества вылитых емкостей на их объем. Конечная цифра является объемом батареи.

Как работают термостатические конденсатоотводчики биметаллического типа: взгляд на их механизмы и преимущества

org/BreadcrumbList»>
1. Дом
2. Ресурсы Steam
3. Теория пара
4. Как работают термостатические конденсатоотводчики биметаллического типа: взгляд на их механизмы и достоинства

Основы конденсатоотводчиков

Поиск в Steam Theory

• Работа не зависит от давления пара
• Преимущества фиксированной температуры нагнетания
• Недостатки фиксированной температуры нагнетания
• Современные биметаллические конденсатоотводчики

«Биметалл» представляет собой термостатический элемент, состоящий из двух разнородных металлических пластин, соединенных вместе.

Эти разнородные металлы имеют разные коэффициенты теплового расширения и при изменении температуры элемент начинает деформироваться.

Биметаллические конденсатоотводчики используют деформацию биметаллического элемента для открытия или закрытия головки клапана.

Некоторые биметаллические конденсатоотводчики могут быть рассчитаны на работу при заданных рабочих температурах. Рабочие температуры других биметаллических конденсатоотводчиков могут регулироваться полевыми операторами. Биметаллический элемент, содержащийся в этих ловушках, используется либо для открытия ловушки при слишком низкой температуре, либо для закрытия ловушки при слишком высокой температуре.

Насыщенный пар остается при постоянной температуре до тех пор, пока давление не меняется, но конденсат со временем теряет тепло и охлаждается, даже если его давление остается постоянным. Биметаллические конденсатоотводчики работают за счет изменения температуры конденсата. Они имеют простую структуру и понятный принцип работы.

Поскольку биметаллические элементы способны преобразовывать изменения температуры в механическое движение, они также широко используются в другом оборудовании в качестве переключателей температуры.

Эксплуатация Не зависит от давления пара

Биметаллические элементы деформируются при заданной температуре (например, 120°C [248°F]).

Таким образом, даже при изменении давления пара положение биметаллического элемента внутри конденсатоотводчика не изменится до тех пор, пока не изменится температура окружающего его конденсата.

Эта фиксированная температура нагнетания может быть как преимуществом, так и недостатком конденсатоотводчика в зависимости от типа применения.

Преимущества фиксированной температуры нагнетания

В качестве примера конденсатоотводчиков, в которых используется фиксированная температура нагнетания, рассмотрим конденсатоотводчики с контролем температуры, используемые в низкотемпературных системах обогрева пара.

Поскольку конденсатоотводчики с регулированием температуры открываются, когда температура падает ниже фиксированной точки, можно намеренно установить эту точку намного ниже, чем температура насыщения пара. Это приведет к скоплению конденсата на входной стороне конденсатоотводчика до тех пор, пока он не остынет до заданной температуры. Идея этого состоит в том, чтобы использовать ощутимое тепло, доступное из накопленного конденсата, для нагрева оборудования или продукта.

Парообогрев часто используется для защиты счетчиков или контрольно-измерительных приборов от замерзания, а также для нагрева жидкостей с высокой вязкостью и обеспечения плавного течения по трубопроводам.

Недостатки фиксированной температуры нагнетания

Из-за конструкции этих конденсатоотводчиков накапливается определенный уровень конденсата, когда температура нагнетания правильно установлена ​​ниже температуры насыщения пара. Хотя ловушка начинает открываться в заданную точку, скопившаяся жидкость должна еще больше переохладиться (охладиться ниже точки кипения), чтобы ловушка полностью открылась и достигла полной дренажной способности. Если температура нагнетания значительно ниже температуры пара, конденсат может начать накапливаться слишком далеко, что может привести к проблемам с производительностью и надежностью или даже вызвать гидравлический удар в паропроводах.

В противном случае, когда температура нагнетания выше температуры насыщения пара, конденсатоотводчик не закроется, что приведет к постоянной потере пара.

Естественно, биметаллические конденсатоотводчики не будут работать должным образом, если температура нагнетания установлена ​​равной или близкой к температуре пара.

Из-за этих ограничений биметаллические конденсатоотводчики не подходят для использования на паротранспортных линиях или другом ответственном оборудовании, где требуется быстрый сброс конденсата.

Существует множество моделей биметаллических ловушек с различными конструктивными характеристиками. В частности, форма и расположение биметаллических элементов и клапанов могут различаться между ловушками.

Некоторые конструкции делают биметаллический элемент более подверженным «усталости» (износу или даже растрескиванию), чем другие. Например, головка клапана, расположенная ниже по потоку, должна преодолевать противодавление в системе, что увеличивает нагрузку на биметаллические элементы и снижает температуру нагнетания клапана.

Современные биметаллические конденсатоотводчики

Конденсатоотводчик с фиксированной температурой дренажа можно использовать только в системе, работающей в ограниченном диапазоне давлений. Чтобы решить эту проблему, биметаллические конденсатоотводчики обычно имеют регулировочный винт для изменения температуры дренажа. Однако перед использованием такие ловушки необходимо настроить в соответствии с условиями системы, и они не адаптируются автоматически к неожиданным изменениям. По этим причинам биметаллические конденсатоотводчики подходят только для конкретных применений, и их выбор следует тщательно взвешивать.

Тем не менее, сам биметалл широко используется в качестве дополнительного элемента в других типах конденсатоотводчиков, таких как поплавковые, перевернутые и дисковые конденсатоотводчики. Эти биметаллические элементы в основном используются в качестве вентиляционных отверстий или для отвода большого количества конденсата из конденсатоотводчика при пуске и остаточной нагрузки при останове.

Конденсатоотводчики поплавкового типа
При запуске температура системы низкая, поэтому встроенный биметаллический элемент находится в расслабленном открытом состоянии. В этом состоянии он удерживает поплавок, принудительно открывая клапан. Это обеспечивает автоматическое и быстрое удаление начального воздуха и конденсата, помогая сократить время, необходимое для достижения прибором требуемой температуры.

Конденсатоотводчики дискового типа
При комнатной температуре С-образное биметаллическое кольцо сжимается и скользит вверх по конической стенке седла клапана. В этом положении он удерживает диск над седлом, принудительно открывая клапан ловушки. Пока клапан открыт, быстро проходит большой объем воздуха и низкотемпературного конденсата. Когда температура конденсата повышается, С-образный биметаллический элемент расширяется и скользит вниз по конической стенке, позволяя ловушке работать в обычном режиме.

Тепловое расширение | Encyclopedia.com

КОНЦЕПЦИЯ

Большинство материалов подвержены тепловому расширению: тенденция расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. По этой причине мосты строятся с металлическими компенсаторами, чтобы они могли расширяться и сжиматься, не вызывая дефектов в общей конструкции моста. Другие машины и конструкции также имеют встроенную защиту от опасностей теплового расширения. Но тепловое расширение также может быть полезным, делая возможным работу термометров и термостатов.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Энергия молекулярного поступательного движения

В научных терминах тепло — это внутренняя энергия, которая течет от системы с относительно высокой температурой к системе с относительно низкой температурой. Сама внутренняя энергия, определяемая как тепловая энергия, — это то, что люди обычно имеют в виду, когда говорят «тепло». Тепловая энергия, форма кинетической энергии, обусловленная движением молекул, иногда называется молекулярной поступательной энергией.

Температура определяется как мера средней молекулярной поступательной энергии в системе, и, как мы увидим, чем больше изменение температуры для большинства материалов, тем больше величина теплового расширения. Таким образом, все эти аспекты «тепла» — само тепло (в научном смысле), а также тепловая энергия, температура и тепловое расширение — в конечном итоге зависят от движения молекул относительно друг друга.

МОЛЕКУЛЯРНОЕ ДВИЖЕНИЕ И НЬЮТОНОВСКАЯ ФИЗИКА.

В целом кинетическая энергия, создаваемая молекулярным движением, может быть понята в рамках классической физики, то есть парадигмы, связанной с сэром Исааком Ньютоном (1642–1727) и его законами движения. Ньютон был первым, кто понял физическую силу, известную как гравитация, и объяснил поведение объектов в контексте гравитационной силы. Среди понятий, необходимых для понимания ньютоновской физики, — масса объекта, скорость его движения (будь то скорость или ускорение) и расстояние между объектами. Все они, в свою очередь, являются центральными компонентами для понимания того, как молекулы при относительном движении генерируют тепловую энергию.

Чем больше импульс объекта, то есть произведение его массы на его скорость, тем большее воздействие он оказывает на другой объект, с которым сталкивается. Тем больше его кинетическая энергия, равная половине его массы, умноженной на квадрат его скорости. Масса молекулы, конечно, очень мала, но если все молекулы внутри объекта находятся в относительном движении — многие из них сталкиваются и, таким образом, передают кинетическую энергию, — это должно приводить к относительно большому количеству теплового излучения. энергии со стороны более крупного объекта.

МОЛЕКУЛЯРНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ И ФАЗЫ МАТЕРИИ.

Тем не менее, именно из-за того, что молекулярная масса настолько мала, гравитационная сила сама по себе не может объяснить притяжение между молекулами.

Вместо этого это притяжение следует понимать с точки зрения второго типа силы — электромагнетизма, — открытого шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879). Детали электромагнитной силы не важно здесь; необходимо только знать, что все молекулы обладают некоторой составляющей электрического заряда. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные притягиваются, между молекулами существует постоянное электромагнитное взаимодействие, что приводит к различной степени притяжения.

Чем больше относительное движение между молекулами, вообще говоря, тем меньше их притяжение друг к другу. Действительно, эти два аспекта материала — относительное притяжение и движение на молекулярном уровне — определяют, можно ли классифицировать этот материал как твердое, жидкое или газообразное. Когда молекулы медленно движутся по отношению друг к другу, они оказывают сильное притяжение, и материал, частью которого они являются, обычно классифицируется как твердое тело. Молекулы жидкости, с другой стороны, движутся с умеренными скоростями и, следовательно, оказывают умеренное притяжение. Когда молекулы движутся с высокой скоростью, они практически не притягиваются, и этот материал известен как газ.

Прогнозирование теплового расширения

КОЭФФИЦИЕНТ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ.

Коэффициент — это число, которое служит мерой некоторой характеристики или свойства. Это также может быть фактором, на который умножаются другие значения для получения желаемого результата. Для любого материала можно рассчитать степень, в которой этот материал будет расширяться или сжиматься при изменении температуры. В общих чертах это известно как его коэффициент расширения, хотя на самом деле существует две разновидности коэффициента расширения.

Коэффициент линейного расширения — это константа, определяющая степень изменения длины твердого тела в результате изменения температуры. Для любого данного вещества коэффициент линейного расширения обычно представляет собой число, выраженное в единицах 10 ^-5 /°С. Другими словами, значение коэффициента линейного расширения конкретного твердого тела умножается на 0,00001 на °C. (°C в знаменателе, показанном в приведенном ниже уравнении, просто «выпадает», когда коэффициент линейного расширения умножается на изменение температуры.)

Для кварца коэффициент линейного расширения равен 0,05. Напротив, железо с коэффициентом 1,2 в 24 раза чаще расширяется или сжимается в результате изменений температуры. (Сталь имеет ту же ценность, что и железо.) Коэффициент для алюминия равен 2,4, что в два раза больше, чем для железа или стали. Это означает, что одинаковое изменение температуры приведет к вдвое большему изменению длины алюминиевого стержня, чем железного стержня. Свинец является одним из самых дорогих твердых материалов с коэффициентом 3,0.

РАСЧЕТ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ.

Линейное расширение данного твердое можно рассчитать по формуле δ L = aL _O Δ T. Греческая буква дельта (d) означает «изменение»; следовательно, первая цифра представляет собой изменение длины, а последняя цифра в уравнении — изменение температуры. Буква а — это коэффициент линейного расширения, а L _O — исходная длина.

Предположим, что свинцовый стержень длиной 5 метров подвергается изменению температуры на 10°C; как изменится его длина? Чтобы ответить на этот вопрос, a (3,0 · 10 ⁻⁵ /°C) нужно умножить на L _O (5 м) и δ T (10°C). Ответ должен быть 150 & 10 ⁻⁵ м, или 1,5 мм. Обратите внимание, что это просто изменение длины, связанное с изменением температуры: при повышении температуры длина увеличивается, а при понижении температуры на 10°С длина уменьшается на 1,5 мм.

РАСШИРЕНИЕ ОБЪЕМА.

Очевидно, что линейные уравнения применимы только к твердым телам. Жидкости и газы, классифицируемые вместе как жидкости, соответствуют форме своего сосуда; следовательно, «длина» любого данного образца жидкости такая же, как у твердого тела, которое его содержит. Однако жидкости подвержены объемному расширению, то есть изменению объема в результате изменения температуры.

Для расчета изменения объема используется та же формула, что и для изменения длины; отличаются лишь некоторые детали. В формуле δ V = bV _O δ T , последний член, опять же, означает изменение температуры, тогда как δ V означает изменение объема, а V _O — первоначальный объем. Буква b обозначает коэффициент объемного расширения. Последнее выражается в единицах 10 ^-4 /°C, или 0,0001 на °C.

Стекло имеет очень низкий коэффициент объемного расширения, 0,2, а у стекла Pyrex чрезвычайно низкий — всего 0,09. По этой причине изделия из пирекса идеально подходят для приготовления пищи. Значительно выше коэффициент объемного расширения глицерина, маслянистого вещества, связанного с мылом, которое пропорционально увеличивается в 5,1 раза. Еще выше этиловый спирт с коэффициентом объемного расширения 7,5.

ПРИМЕНЕНИЕ В РЕАЛЬНОЙ ЖИЗНИ

Жидкости

Большинство жидкостей следуют довольно предсказуемой схеме постепенного увеличения объема в ответ на повышение температуры и уменьшения объема в ответ на снижение температуры. Действительно, коэффициент объемного расширения жидкости, как правило, выше, чем твердого тела, и — за одним заметным исключением, обсуждаемым ниже — жидкость будет сжиматься при замерзании.

Поведение бензина, перекачиваемого в жаркий день, представляет собой пример теплового расширения жидкости в ответ на повышение температуры. Когда он поступает из своего подземного бака на заправке, бензин относительно прохладный, но он согреется, сидя в баке уже теплой машины. Если бак автомобиля заполнен, а транспортное средство оставлено стоять на солнце — другими словами, если автомобиль не едет после того, как бак заполнен, — бензин вполне может расширяться в объеме быстрее, чем топливный бак, вытекая на тротуар. .

ОХЛАЖДАЮЩАЯ ЖИДКОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ.

Другой пример теплового расширения со стороны жидкости можно найти внутри радиатора автомобиля. Если в холодный день радиатор «доливается» охлаждающей жидкостью, повышение температуры вполне может привести к тому, что охлаждающая жидкость расширится до тех пор, пока не переполнится. В прошлом это создавало проблему для автовладельцев, поскольку двигатели автомобилей выбрасывали на землю лишний объем охлаждающей жидкости, что требовало периодической замены жидкости.

Автомобили более поздних моделей, однако, имеют переливной резервуар для сбора жидкости, выделяющейся в результате расширения объема. По мере того, как двигатель снова остывает, емкость возвращает лишнюю жидкость в радиатор, тем самым «перерабатывая» ее. Это означает, что новые автомобили гораздо менее склонны к перегреву, чем старые автомобили. В сочетании с улучшениями в смесях жидкостей радиатора, которые действуют как антифриз в холодную погоду и охлаждающую жидкость в жару, процесс «рециркуляции» привел к значительному снижению поломок, связанных с тепловым расширением.

ВОДА.

Одной из веских причин не использовать чистую воду в радиаторе является то, что вода имеет гораздо более высокий коэффициент объемного расширения, чем обычная охлаждающая жидкость двигателя. Это может быть особенно опасно в холодную погоду, потому что замерзшая вода в радиаторе может расшириться настолько, что может привести к растрескиванию блока цилиндров.

В целом вода, коэффициент объемного расширения которой в жидком состоянии составляет 2,1, а в твердом состоянии 0,5, проявляет ряд интересных характеристик в отношении теплового расширения. Если температура кипения воды снижается с 212°F (100°C) до 390,2°F (4°C) будет неуклонно сокращаются, как и любое другое вещество, реагирующее на понижение температуры. Однако обычно вещество продолжает уплотняться по мере того, как оно превращается из жидкого в твердое; но с водой этого не происходит.

При температуре 32,9°F вода достигает максимальной плотности, а это означает, что ее объем на данную единицу массы минимален. Ниже этой температуры он «должен» (если бы он был похож на большинство типов материи) продолжать уменьшаться в объеме на единицу массы, но на самом деле он неуклонно начинает расширяться. Таким образом, он менее плотный, с большим объемом на единицу массы, когда достигает точки замерзания. Именно по этой причине, когда зимой трубы замерзают, они часто лопаются, что объясняет, почему заполненный водой радиатор может стать серьезной проблемой в очень холодную погоду.

Кроме того, это необычное поведение в отношении теплового расширения и сжатия объясняет, почему лед плавает: твердая вода менее плотна, чем жидкая вода под ней. В результате замерзшая вода зимой остается на поверхности озера; поскольку лед является плохим проводником тепла, энергия не может выйти из воды под ним в количестве, достаточном для замерзания остальной воды озера. Таким образом, вода подо льдом остается жидкой, сохраняя жизнь растений и животных.

Газы

ЗАКОНЫ О ГАЗАХ.

Как уже говорилось, жидкости расширяются в большей степени, чем твердые тела. Учитывая увеличение молекулярной кинетической энергии жидкости по сравнению с твердым телом и газа по сравнению с жидкостью, неудивительно, что газы реагируют на изменения температуры еще большим изменением объема. чем у жидкостей. Конечно, когда речь идет о газе, «объем» измерить труднее, потому что газ просто расширяется, чтобы заполнить свой сосуд. Чтобы термин имел какое-либо значение, необходимо также указать давление и температуру.

Ряд газовых законов описывает три параметра газов: объем, температуру и давление. Закон Бойля, например, гласит, что в условиях постоянной температуры существует обратная зависимость между объемом и давлением газа: чем больше давление, тем меньше объем, и наоборот. Еще более актуальным для темы теплового расширения является закон Шарля.

Закон Шарля гласит, что при постоянном давлении существует прямая зависимость между объемом и температурой. При нагревании газа его объем увеличивается, а при охлаждении соответственно уменьшается. Таким образом, если наполнить надувной матрас в помещении с кондиционером, а затем взять его на пляж в жаркий день, воздух внутри расширится. В зависимости от того, насколько увеличивается его объем, расширение горячего воздуха может привести к тому, что матрас «лопнет».

ОБЪЕМНЫЕ ГАЗОВЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ.

В то время как жидкости и твердые тела значительно различаются по своим коэффициентам расширения, большинство газов имеют более или менее одинаковый характер расширения в ответ на повышение температуры. Предсказуемое поведение газов в этих ситуациях привело к разработке постоянного газового термометра, очень надежного прибора, по которому часто измеряют другие термометры, в том числе содержащие ртуть (см. Ниже).

В объемном газовом термометре пустой контейнер прикреплен к стеклянной трубке, содержащей ртуть. Когда газ высвобождается в пустой контейнер, это заставляет столбик ртути двигаться вверх. Разница между прежним положением ртути и ее положением после введения газа показывает разницу между нормальным атмосферным давлением и давлением газа в сосуде. Тогда можно использовать изменения объема газа как меру температуры. Реакция большинства газов в условиях низкого давления на изменение температуры настолько однородна, что объемные газовые термометры часто используются для калибровки других типов термометров.

Твердые тела

Многие твердые тела состоят из кристаллов правильной формы, состоящих из молекул, соединенных друг с другом, как на пружинах. Пружина, которая оттягивается назад непосредственно перед тем, как ее отпустить, является примером потенциальной энергии, или энергии, которой объект обладает в силу своего положения. Для кристаллического твердого тела при комнатной температуре потенциальная энергия и расстояние между молекулами относительно малы. Но по мере повышения температуры и расширения твердого тела пространство между молекулами увеличивается, как и потенциальная энергия в твердом теле.

На самом деле реакции твердых тел на изменения температуры имеют тенденцию быть более резкими, по крайней мере, когда они наблюдаются в повседневной жизни, чем поведение жидкостей или газов в условиях тепловое расширение. Конечно, твердые тела меньше реагируют на изменения температуры, чем жидкости; но поскольку они являются твердыми телами, люди ожидают, что их контуры будут неподвижны. Таким образом, когда объем твердого тела изменяется в результате увеличения тепловой энергии, результат более примечательный.

КРЫШКИ ДЛЯ БАНОК И ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ.

Повседневный пример теплового расширения можно увидеть на кухне. Почти у каждого был опыт безуспешных попыток сдвинуть с места тугую металлическую крышку стеклянного контейнера, и после обливания горячей водой крышка обнаруживала, что она поддается и наконец открывается. Причина этого в том, что высокая температура воды вызывает расширение металлической крышки. С другой стороны, стекло, как отмечалось ранее, имеет низкий коэффициент расширения. В противном случае он расширился бы вместе с крышкой, что лишило бы смысла пропускать через него горячую воду. Если бы стеклянные банки имели высокий коэффициент расширения, они деформировались бы при воздействии относительно низких уровней тепла.

Другим примером теплового расширения в твердом теле является провисание линий электропередач в жаркий день. Это происходит потому, что тепло заставляет их расширяться, и, таким образом, длина линии электропередачи от полюса к полюсу больше, чем в условиях более низких температур. Крайне маловероятно, конечно, что летняя жара может быть настолько сильной, чтобы создать опасность обрыва линий электропередач; с другой стороны, тепло может создать серьезную угрозу для более крупных конструкций.

КОМПЕНСАТОРЫ.

Большинство больших мостовидных протезов имеют компенсационные швы, которые выглядят скорее как две металлические гребенки, обращенные друг к другу с зацепленными зубьями. Когда тепло заставляет мост расширяться в солнечные часы жаркого дня, две стороны компенсационного шва движутся навстречу друг другу; затем, по мере остывания моста после наступления темноты, они начинают постепенно втягиваться. Таким образом, мост имеет встроенную зону безопасности; в противном случае у него не было бы места для расширения или сжатия в ответ на изменения температуры. Что касается использования гребенчатой ​​формы, то зазор между двумя сторонами компенсатора смещается в шахматном порядке, что сводит к минимуму неровности, с которыми сталкиваются автомобилисты, когда они проезжают по нему.

Компенсаторы другой конструкции также можно найти на автомагистралях и на «магистралях» железных дорог. Термическое расширение представляет собой особенно серьезную проблему для железнодорожных путей, поскольку рельсы, по которым движутся поезда, сделаны из стали. Сталь, как отмечалось ранее, расширяется в 12 частей на 1 миллион при изменении температуры на каждый градус Цельсия, и хотя это может показаться незначительным, в условиях высокой температуры это может создать серьезную проблему.

Большинство гусениц изготавливаются из стальных листов, поддерживаемых деревянными шпалами, и укладываются с зазором между концами. Этот зазор обеспечивает буфер для теплового расширения, но есть еще один момент, который следует учитывать: гусеницы прикручены болтами к деревянным шпалам, и если сталь слишком сильно расширится, она может вырвать эти болты. Следовательно, вместо того, чтобы помещаться в отверстие того же размера, что и болт, болты вставляются в пазы, так что остается место для медленного скольжения гусеницы на месте при повышении температуры.

Такое расположение удобно для поездов, которые движутся с обычной скоростью: их колеса просто издают шум, проезжая через промежутки, ширина которых редко превышает 0,5 дюйма (0,013 м). Однако высокоскоростной поезд не может двигаться по неровным путям; поэтому пути для скоростных поездов прокладывают в условиях относительно высокого натяжения. Гидравлическое оборудование используется для натяжения секций пути; затем, как только гусеница закреплена на месте вдоль шпал, натяжение распределяется по всей длине гусеницы.

Термометры и термостаты

РТУТЬ В ТЕРМОМЕТРАХ.

Термометр измеряет температуру путем измерения свойства, зависящего от температуры. Термостат, напротив, представляет собой устройство для регулировки температуры системы отопления или охлаждения. Оба используют принцип теплового расширения в своей работе. Как было отмечено выше в примере с металлической крышкой и стеклянной банкой, стекло мало расширяется при изменении температуры; следовательно, он является идеальным контейнером для ртути в термометре. Что касается ртути, то она является идеальной термометрической средой, то есть материалом, используемым для измерения температуры, по нескольким причинам. Среди них высокая температура кипения и очень предсказуемая однородная реакция на изменения температуры.

В обычном ртутном термометре ртуть помещена в длинную узкую герметичную трубку, называемую капилляром. Поскольку ртуть расширяется гораздо быстрее, чем стеклянный капилляр, она поднимается и опускается в зависимости от температуры. Калибровка термометра производится путем измерения разницы в высоте между ртутным столбиком при температуре замерзания воды и ртутным столбиком при температуре кипения воды. Интервал между этими двумя точками затем делится на равные приращения в соответствии с одной из известных температурных шкал.

БИМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПОЛОСА В ТЕРМОСТАТАХ.

В термостате центральным компонентом является биметаллическая полоса, состоящая из тонких полосок из двух разных металлов, расположенных спиной к спине. Один из этих металлов имеет высокий коэффициент линейного расширения, а другой металл имеет низкий коэффициент. Повышение температуры приведет к тому, что сторона с более высоким коэффициентом расширится больше, чем сторона, которая менее чувствительна к изменениям температуры. В результате биметаллическая полоса будет прогибаться в одну сторону.

Когда полоска согнется достаточно далеко, она замкнет электрическую цепь и, таким образом, запустит кондиционер. Регулируя термостат, можно изменить расстояние, на которое должна быть изогнута биметаллическая полоса, чтобы замкнуть цепь. Как только воздух в помещении достигнет нужной температуры, высококоэффициентный металл начнет сжиматься, а биметаллическая полоса выпрямится. Это приведет к размыканию электрической цепи и отключению кондиционера.

В холодную погоду, когда система контроля температуры направлена ​​на нагрев, а не на охлаждение, биметаллическая пластина действует почти так же, только на этот раз металл с высоким коэффициентом сжатия сжимается от холода, включая нагреватель. Другой тип термостата использует расширение пара, а не твердого тела. В этом случае нагрев пара заставляет его расширяться, нажимая на набор латунных сильфонов и замыкая цепь, тем самым включая кондиционер.

ГДЕ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Бейсер, Артур. Физика, 5-е изд. Рединг, Массачусетс: Addison-Wesley, 1991.

«Сравнение материалов: коэффициент теплового расширения» (веб-сайт). (21 апреля 2001 г.).

Энциклопедия термодинамики (веб-сайт). (12 апреля 2001 г.).

Флейшер, Пол. Материя и энергия: принципы материи и термодинамики. Minneapolis, MN: Lerner Publications, 2002.

NPL: Национальная лаборатория физики: Thermal Stuff: Beginners’ Guides (веб-сайт). (18 апреля 2001 г.).

Ройстон, Анджела. Горячее и холодное. Чикаго: Библиотека Хайнемана, 2001.

Супли, Курт. Объяснение повседневной науки. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное географическое общество, 1996.

«Измерение теплового расширения» (веб-сайт). (21 апреля 2001 г.).

«Тепловое расширение твердых тел и жидкостей» (веб-сайт). (21 апреля 2001 г.).

Уолпол, Бренда. Температура. Иллюстрировано Крисом Фэйрклафом и Деннисом Тинклером. Милуоки, Висконсин: Gareth Stevens Publishing, 1995.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

КОЭФФИЦИЕНТ:

Число, которое служит мерой некоторой характеристики или свойства. Коэффициент также может быть фактором, на который умножаются другие значения для получения желаемого результата.

КОЭФФИЦИЕНТ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ:

Постоянная величина для любого конкретного типа твердого тела, используемая при расчете величины, на которую длина этого твердого тела изменится в результате изменения температуры. Для любого данного вещества коэффициент линейного расширения обычно представляет собой число, выраженное в единицах 10 ^-5 /°C.

КОЭФФИЦИЕНТ ОБЪЕМНОГО РАСШИРЕНИЯ:

Постоянная величина для любого конкретного типа материала, используемая при расчете величины, на которую объем этого материала изменится в результате изменения температуры. Для любого данного вещества коэффициент объемного расширения обычно представляет собой число, выраженное в единицах 10 9 . 0155 -4 /°С.

ТЕПЛО:

Внутренняя тепловая энергия, перетекающая от одного тела к другому.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ:

Энергия, которой объект обладает благодаря своему движению.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭНЕРГИЯ ПЕРЕДАЧИ:

Кинетическая энергия в системе, создаваемая движением молекул относительно друг друга.

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ:

Энергия, которой объект обладает благодаря своему положению.

СИСТЕМА:

В физике термин «система» обычно относится к любой совокупности физических взаимодействий или любому материальному телу, изолированному от остальной Вселенной. Все, что находится за пределами системы, включая все факторы и силы, не имеющие отношения к обсуждению этой системы, известно как окружающая среда.

ТЕМПЕРАТУРА:

Мера средней кинетической энергии или энергии поступательного движения молекул в системе. Различия в температуре определяют направление потока внутренней энергии между двумя системами при передаче тепла.