Теплообмен. Введение

1. ВВЕДЕНИЕ

• Теплообмен — это процесс передачи тепла между телами или
веществами с разными температурами. При изменении агрегатного
состояния вещества теплообмен играет ключевую роль, поскольку
тепло, передаваемое в системе, может быть связано не только с
изменением температуры, но и с изменением фазового состояния
вещества. Эти процессы, называемые фазовыми переходами,
включают плавление, кристаллизацию, испарение, конденсацию и
сублимацию.
• В этой лекции рассматриваются физические основы теплообмена при
изменении агрегатного состояния вещества, основные виды фазовых
переходов, а также соответствующее оборудование и методы
управления этими процессами.

2. 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ

• Агрегатное состояние вещества определяется его внутренней структурой,
температурой и давлением. Обычно различают три основных состояния вещества:
твердое, жидкое и газообразное. Теплообмен при изменении агрегатного состояния
связан с передачей тепла для преодоления скрытых теплот — тех, которые не
сопровождаются изменением температуры вещества.
• Основные этапы теплообмена при фазовых переходах:
• Плавление — переход вещества из твердого состояния в жидкое при повышении
температуры.
• Кристаллизация — обратный процесс плавления, переход вещества из жидкого
состояния в твердое.
• Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное.
• Конденсация — обратный процесс испарения, переход вещества из газообразного
состояния в жидкое.
• Сублимация — прямой переход вещества из твердого состояния в газообразное без
промежуточной стадии жидкости.
• Депозиция — обратный процесс сублимации, переход вещества из газообразного
состояния в твердое.

3. 2. СКРЫТОЕ ТЕПЛО И ЕГО РОЛЬ В ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ

• Тепло, необходимое для изменения агрегатного состояния вещества,
называется скрытым теплом. Это тепло не вызывает изменения температуры
вещества, а используется для изменения его состояния. Для каждого типа
фазового перехода существует своё скрытое тепло, которое характеризует
количество тепла, необходимое для того, чтобы провести единицу массы
вещества через данный фазовый переход.
• Скрытое тепло плавления (Q_плав) — количество тепла, необходимое для
плавления единицы массы вещества при постоянной температуре.
• Скрытое тепло испарения (Q_исп) — количество тепла, которое требуется для
испарения единицы массы вещества при постоянной температуре.
• Скрытое тепло сублимации — тепло, необходимое для сублимации вещества.
• Эти теплоёмкости характеризуются высокими значениями, что объясняется
необходимостью разрушения межмолекулярных связей в веществах, что
требует значительных затрат энергии.

4.

3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПЛАВЛЕНИИ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Плавление — это процесс, при котором твердое вещество
переходит в жидкость при повышении температуры. Этот
процесс требует тепла для разрушения кристаллической
решетки вещества, преодоления силы межмолекулярных
взаимодействий. Важно отметить, что температура плавления
вещества остается постоянной до тех пор, пока весь материал
не расплавится.
• Пример: плавление льда в воде. Лед плавится при температуре
0°C, и в это время температура воды не изменяется, несмотря на
подачу тепла.
Кристаллизация — это процесс перехода вещества из жидкого
состояния в твердое, и он сопровождается выделением тепла.
Этот процесс происходит при снижении температуры и
освобождении скрытого тепла.
• Пример: замерзание воды. Когда температура воды опускается
ниже 0°C, она начинает кристаллизоваться, и при этом
выделяется скрытое тепло, называемое теплотой
кристаллизации.

5. 4. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ИСПАРЕНИИ И КОНДЕНСАЦИИ

• Испарение — это процесс перехода вещества из жидкого состояния в
газообразное, который происходит при любой температуре, но с более
высокой скоростью при повышении температуры жидкости. Этот процесс
требует большого количества тепла, называемого скрытым теплом испарения.
Важно отметить, что температура жидкости остается постоянной во время
испарения, несмотря на подаваемое тепло.
• Пример: испарение воды с поверхности. Вода при 100°C (температура
кипения) начинает превращаться в пар, и для этого требуется значительное
количество энергии.
• Конденсация — обратный процесс, при котором газ переходит в жидкость.
Этот процесс сопровождается выделением скрытого тепла, равного теплоте
испарения, которое было поглощено при испарении. Конденсация происходит
при охлаждении пара.
• Пример: конденсация водяного пара на холодной поверхности. При
охлаждении пара до температуры ниже точки росы, происходит его
конденсация в виде капель воды, и при этом выделяется скрытое тепло.

6. 5. ТЕПЛООБМЕН ПРИ СУБЛИМАЦИИ И ДЕПОЗИЦИИ

• Сублимация — это прямой переход вещества из твердого состояния в
газообразное без прохождения через жидкую фазу. Этот процесс
требует скрытого тепла сублимации.
• Пример: сублимация льда при низких температурах, когда лед
превращается в водяной пар, не плавясь.
• Депозиция — это обратный процесс сублимации, при котором
газообразное вещество переходит непосредственно в твердое
состояние. Этот процесс сопровождается выделением скрытого тепла.
• Пример: образование инея на холодной поверхности из водяного пара в
воздухе.

7. 6. ТЕПЛООБМЕН В ПРИРОДНЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОЦЕССАХ

• Процессы изменения агрегатного состояния вещества играют важную роль не
только в природе, но и в промышленных приложениях. Например:
• Теплообмен в холодильных установках: холодильники и кондиционеры
используют процессы конденсации и испарения хладагента для охлаждения
воздуха. Хладагент вначале испаряется в испарителе, забирая скрытое тепло,
затем конденсируется в конденсаторе, выделяя это тепло в окружающую
среду.
• Процессы в строительстве: при строительстве зданий важно учитывать
фазовые переходы воды (плавление льда, замерзание воды в трещинах) для
предотвращения повреждений материалов. Также многие строительные
материалы, такие как гипс или бетон, могут изменять свое состояние под
воздействием температуры.
• Процессы в энергетике: в тепловых электростанциях пар, образующийся при
кипении воды, используется для приведения в движение турбин, а затем
конденсируется, возвращаясь в жидкое состояние для повторного
использования.

8. 7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• Теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества является
важным процессом, который находит широкое применение в
различных отраслях промышленности и в повседневной жизни. Изучение
скрытого тепла и фазовых переходов позволяет эффективно управлять
этими процессами, оптимизируя их для нужд энергетики, химической
промышленности, кондиционирования воздуха и многих других сфер.
Правильное понимание этих явлений критически важно для повышения
эффективности технических систем и обеспечения устойчивости и
долговечности материалов.