2. Тепловий баланс. Рівняння теплового балансу

Тіла з різними температурами при теплообміні обмінюються між собою теплотою. Припустимо, що є система тіл, яка не одержує енергію ззовні і

не віддає енергію назовні (така система тіл називається ізольованою). Тоді збільшення або зменшення внутрішньої енергії тіл системи відбувається тільки внаслідок теплопередачі. Більш нагріті тіла віддають енергію менш нагрітим, поки їх температури не стануть однаковими. Наприклад, при теплообміні кількість теплоти Q₁, яку віддає гаряча вода, рівна кількості теплоти Q₂, яку отримує холодна вода, тобто Q₁ = Q_2.Записане рівняння називають рівнянням теплового балансу. Враховуючи, що Q=cm(t₂-t₁) для системи з двох тіл отримаємо рівняння:

c₂m₂(t₂-t)=c₁m₁(t-t₁)

Таке рівняння ще у 18 столітті вивів Георг Ріхман .

Воно пов’язує кількість теплоти, яку отримує одне тіло, і кількість теплоти, яку віддає друге тіло при теплообміні.

При цьому в теплообміні можуть брати участь

не тільки два тіла, а три і більше. Наприклад, якщо у склянку з гарячим чаєм опустити ложку, то в теплообміні беруть участь склянка і чай (віддають енергію), ложка й оточуюче повітря (отримують енергію). Як уже наводилось, в конкретних задачах можна знехтувати кількістю теплоти, яку отримують чи віддають деякі тіла при теплообміні, вважаючи її невеликою.

Рівняння теплового балансу дає можливість визначити, наприклад, масу тіл, що беруть участь в теплообміні; температуру, яка встановиться в результаті теплообміну. Використовуючи рівняння теплового балансу, можна розрахувати значення питомої теплоємності речовини.

ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС. Важливою особливістю теплових процесів є те, що під час теплового контакту між тілами теплота самовільно переходить від більш нагрітого до менш нагрітого тіла. З часом між цими тілами встановлюється теплова рівновага, тобто температура тіл стає однаковою. У задачах на визначення енергетичних характеристик теплових процесів виникає необхідність обчислювати кількість теплоти, яка надається або виділяється тілами з різною температурою до встановлення теплової рівноваги.

 Процеси теплообміну підпорядковуються закону збереження енергії за умови, що вони відбуваються в теплоізольованій або замкненій системі. Тобто в теплоізольованій системі не відбувається втрати теплоти в навколишнє середовище. У реальних системах такі втрати є достатньо відчутними. Так, частина теплової енергії, що виділяється конфоркою електричної плити, на якій кип'ятять воду, йде на нагрівання повітря в кімнаті. Через металеві стінки чайника теплота віддається в навколишнє середовище. Прикладом теплоізольованої системи є калориметр — пристрій, використовуваний для дослідження теплових процесів

Калориметр складається з двох посудин циліндричної

форми, вміщених одна в одну. Між посудинами розміщений шар тепло-ізолятора (повітря, пінопласту тощо) для зменшення втрат тепла під час теплообміну. Зовнішня посудина прикривається кришкою, до якої можна прикріпити термометр та пристрій для перемішування рідини. Таку систему певною мірою можна вважати тепло-ізольованою.

За законом енергії для теплоізольованої системи кількість теплоти, яку віддають більш нагріті тіла, дорівнює кількості теплоти, отриманої менш нагрітими тілами в процесі теплообмін. Тобто кількість теплоти, яку віддасть нагрітий залізний важок, що опускається у внутрішню посудину з водою, дорівнює кількості теплоти, отриманої водою.

При цьому в теплообміні можуть брати участь не тільки два тіла, а три і більше. Наприклад, якщо у склянку з гарячим чаєм опустити ложку, то в теплообміні беруть участь склянка і чай (віддають енергію), ложка й оточуюче повітря (отримують енергію). Як уже наводилось, в конкретних задачах можна знехтувати кількістю теплоти, яку отримують чи віддають деякі тіла при теплообміні, вважаючи її невеликою.