Какое количество теплоты необходимо сообщить 5 л воды при нагревании: Какое количество теплоты необходимо сообщить 5 л воды при нагревании её от комнатной температуры (20 °С) до кипения (100 °С)?

Содержание

Количество теплоты полученное водой при нагревании. Количество теплоты. Удельная теплоёмкость

1. Изменение внутренней энергии путём совершения работы характеризуется величиной работы, т.е. работа является мерой изменения внутренней энергии в данном процессе. Изменение внутренней энергии тела при теплопередаче характеризуется величиной, называемой количеством теплоты .

Количеством теплоты называется изменение внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы.

Количество теплоты обозначают буквой $Q $ . Так как количество теплоты является мерой изменения внутренней энергии, то его единицей является джоуль (1 Дж).

При передаче телу некоторого количества теплоты без совершения работы его внутренняя энергия увеличивается, если тело отдаёт какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия уменьшается.

2. Если в два одинаковых сосуда налить в один 100 г воды, а в другой 400 г при одной и той же температуре и поставить их на одинаковые горелки, то раньше закипит вода в первом сосуде.

\circ C) \) температур: $Q\sim(t_2-t_1) $ .

4. Если теперь в один сосуд налить 100 г воды, а в другой такой же сосуд налить немного воды и положить в неё такое металлическое тело, чтобы его масса и масса воды составляли 100 г, и нагревать сосуды на одинаковых плитках, то можно заметить, что в сосуде, в котором находится только вода, температура будет ниже, чем в том, в котором находятся вода и металлическое тело. Следовательно, чтобы температура содержимого в обоих сосудах была одинаковой нужно воде передать большее количество теплоты, чем воде и металлическому телу. Таким образом, количество теплоты, необходимое для нагревания тела зависит от рода вещества, из которого это тело сделано.

5. Зависимость количества теплоты, необходимого для нагревания тела, от рода вещества характеризуется физической величиной, называемой удельной теплоёмкостью вещества .

Физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества для нагревания его на 1 °С (или на 1 К), называется удельной теплоёмкостью вещества.

Такое же количество теплоты 1 кг вещества отдаёт при охлаждении на 1 °С.

Удельная теплоёмкость обозначается буквой $c $ . Единицей удельной теплоёмкости является 1 Дж/кг °С или 1 Дж/кг К.

Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально. Жидкости имеют большую удельную теплоёмкость, чем металлы; самую большую удельную теплоёмкость имеет вода, очень маленькую удельную теплоёмкость имеет золото.

Удельная теплоёмкость свинца 140 Дж/кг °С. Это значит, что для нагревания 1 кг свинца на 1 °С необходимо затратить количество теплоты 140 Дж. Такое же количество теплоты выделится при остывании 1 кг воды на 1 °С.

Поскольку количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела, то можно сказать, что удельная теплоёмкость показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 °С. В частности, внутренняя энергия 1 кг свинца при его нагревании на 1 °С увеличивается на 140 Дж, а при охлаждении уменьшается на 140 Дж.

\circ) \]

По этой же формуле вычисляется и количество теплоты, которое тело отдаёт при охлаждении. Только в этом случае от начальной температуры следует отнять конечную, т.е. от большего значения температуры отнять меньшее.

6. Пример решения задачи . В стакан, содержащий 200 г воды при температуре 80 °С, налили 100 г воды при температуре 20 °С. После чего в сосуде установилась температура 60 °С. Какое количество теплоты получила холодная вода и отдала горячая вода?

При решении задачи необходимо выполнять следующую последовательность действий:

записать кратко условие задачи;
перевести значения величин в СИ;

проанализировать задачу, установить, какие тела участвуют в теплообмене, какие тела отдают энергию, а какие получают;
решить задачу в общем виде;
выполнить вычисления;
проанализировать полученный ответ.

1. Условие задачи .

Дано:
$m_1 $ = 200 г
$m_2 $ = 100 г
$t_1 $ = 80 °С
$t_2 $ = 20 °С
$t $ = 60 °С
______________

$Q_1 $ — ? $Q_2 $ — ?
$c_1 $ = 4200 Дж/кг · °С

2. СИ: $m_1 $ = 0,2 кг; $m_2 $ = 0,1 кг.

3. Анализ задачи . В задаче описан процесс теплообмена между горячей и холодной водой. Горячая вода отдаёт количество теплоты $Q_1 $ и охлаждается от температуры $t_1 $ до температуры $t $ . Холодная вода получает количество теплоты $Q_2 $ и нагревается от температуры $t_2 $ до температуры $t $ .

4. Решение задачи в общем виде . Количество теплоты, отданное горячей водой, вычисляется по формуле: $Q_1=c_1m_1(t_1-t) $ .

Количество теплоты, полученное холодной водой, вычисляется по формуле: $Q_2=c_2m_2(t-t_2) $ .

5. Вычисления .
$Q_1 $ = 4200 Дж/кг · °С · 0,2 кг · 20 °С = 16800 Дж
$Q_2 $ = 4200 Дж/кг · °С · 0,1 кг · 40 °С = 16800 Дж

6. В ответе получено, что количество теплоты, отданное горячей водой, равно количеству теплоты, полученному холодной водой. При этом рассматривалась идеализированная ситуация и не учитывалось, что некоторое количество теплоты пошло на нагревание стакана, в котором находилась вода, и окружающего воздуха. В действительности же количество теплоты, отданное горячей водой, больше, чем количество теплоты, полученное холодной водой.

Часть 1

1. Удельная теплоёмкость серебра 250 Дж/(кг · °С). Что это означает?

1) при остывании 1 кг серебра на 250 °С выделяется количество теплоты 1 Дж
2) при остывании 250 кг серебра на 1 °С выделяется количество теплоты 1 Дж
3) при остывании 250 кг серебра на 1 °С поглощается количество теплоты 1 Дж
4) при остывании 1 кг серебра на 1 °С выделяется количество теплоты 250 Дж

2. Удельная теплоёмкость цинка 400 Дж/(кг · °С). Это означает, что

1) при нагревании 1 кг цинка на 400 °С его внутренняя энергия увеличивается на 1 Дж
2) при нагревании 400 кг цинка на 1 °С его внутренняя энергия увеличивается на 1 Дж
3) для нагревания 400 кг цинка на 1 °С его необходимо затратить 1 Дж энергии
4) при нагревании 1 кг цинка на 1 °С его внутренняя энергия увеличивается на 400 Дж

3. При передаче твёрдому телу массой $m $ количества теплоты $Q $ температура тела повысилась на $\Delta t^\circ $ . \circ \)

4. На рисунке приведён график зависимости количества теплоты, необходимого для нагревания двух тел (1 и 2) одинаковой массы, от температуры. Сравните значения удельной теплоёмкости ($c_1 $ и $c_2 $ ) веществ, из которых сделаны эти тела.

1) $c_1=c_2 $
2) $c_1>c_2 $
3) \(c_1 4) ответ зависит от значения массы тел

5. На диаграмме представлены значения количества теплоты, переданного двум телам равной массы при изменении их температуры на одно и то же число градусов. Какое соотношение для удельных теплоёмкостей веществ, из которых изготовлены тела, является верным?

1) $c_1=c_2 $
2) $c_1=3c_2 $
3) $c_2=3c_1 $
4) $c_2=2c_1 $

6. На рисунке представлен график зависимости температуры твёрдого тела от отданного им количества теплоты. Масса тела 4 кг. Чему равна удельная теплоёмкость вещества этого тела?

1) 500 Дж/(кг · °С)
2) 250 Дж/(кг · °С)
3) 125 Дж/(кг · °С)
4) 100 Дж/(кг · °С)

7. При нагревании кристаллического вещества массой 100 г измеряли температуру вещества и количество теплоты, сообщённое веществу. Данные измерений представили в виде таблицы. Считая, что потерями энергии можно пренебречь, определите удельную теплоёмкость вещества в твёрдом состоянии.

1) 192 Дж/(кг · °С)
2) 240 Дж/(кг · °С)
3) 576 Дж/(кг · °С)
4) 480 Дж/(кг · °С)

8. Чтобы нагреть 192 г молибдена на 1 К, нужно передать ему количество теплоты 48 Дж. Чему равна удельная теплоёмкость этого вещества?

1) 250 Дж/(кг · К)
2) 24 Дж/(кг · К)
3) 4·10 -3 Дж/(кг · К)
4) 0,92 Дж/(кг · К)

9. Какое количество теплоты необходимо для нагревания 100 г свинца от 27 до 47 °С?

1) 390 Дж
2) 26 кДж
3) 260 Дж
4) 390 кДж

10. На нагревание кирпича от 20 до 85 °С затрачено такое же количество теплоты, как для нагревания воды такой же массы на 13 °С. Удельная теплоёмкость кирпича равна

1) 840 Дж/(кг · К)
2) 21000 Дж/(кг · К)
3) 2100 Дж/(кг · К)
4) 1680 Дж/(кг · К)

11. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Количество теплоты, которое тело получает при повышении его температуры на некоторое число градусов, равно количеству теплоты, которое это тело отдаёт при понижении его температуры на такое же число градусов.
2) При охлаждении вещества его внутренняя энергия увеличивается.
3) Количество теплоты, которое вещество получает при нагревании, идёт главным образом на увеличение кинетической энергии его молекул.
4) Количество теплоты, которое вещество получает при нагревании, идёт главным образом на увеличение потенциальной энергии взаимодействия его молекул
5) Внутреннюю энергию тела можно изменить, только сообщив ему некоторое количество теплоты

12. В таблице представлены результаты измерений массы $m $ , изменения температуры $\Delta t $ и количества теплоты $Q $ , выделяющегося при охлаждении цилиндров, изготовленных из меди или алюминия.

Какие утверждения соответствуют результатам проведённого эксперимента? Из предложенного перечня выберите два правильных. Укажите их номера. На основании проведенных измерений можно утверждать, что количество теплоты, выделяющееся при охлаждении,

1) зависит от вещества, из которого изготовлен цилиндр.
2) не зависит от вещества, из которого изготовлен цилиндр.
3) увеличивается при увеличении массы цилиндра.
4) увеличивается при увеличении разности температур.
5) удельная теплоёмкость алюминия в 4 раза больше, чем удельная теплоёмкость олова.

Часть 2

C1. Твёрдое тело массой 2 кг помещают в печь мощностью 2 кВт и начинают нагревать. На рисунке изображена зависимость температуры $t $ этого тела от времени нагревания $\tau $ . Чему равна удельная теплоёмкость вещества?

1) 400 Дж/(кг · °С)
2) 200 Дж/(кг · °С)
3) 40 Дж/(кг · °С)
4) 20 Дж/(кг · °С)

На практике часто пользуются тепловыми расчётами. Например, при строительстве зданий необходимо учитывать, какое количество теплоты должна отдавать зданию вся система отопления. Следует также знать, какое количество теплоты будет уходить в окружающее пространство через окна, стены, двери. Покажем на примерах, как нужно вести простейшие расчёты.
Итак, необходимо узнать, какое количество теплоты получила при нагревании медная деталь. Её масса 2 кг, а температура увеличивалась от 20°С до 280°С. Вначале по таблице определим удельную теплоёмкость меди см = 400 Дж/кг* °С»

Это означает, что на нагревание детали из меди массой 1 кг на 1°С потребуется 400 Дж. Для нагревания медной детали массой 2 кг на 1°С необходимо в 2 раза большее количество теплоты — 800 Дж. Температуру медной детали необходимо увеличить не на 1°С, а на 260°С, значит, потребуется в 260 раз большее количество теплоты, т. е. 800 Дж. 260 = 208 000 Дж.

Определить, какое количество теплоты необходимо сообщить куску свинца массой 2 кг для его нагревания на 10 °С.

По таблице находим для свинца:

(Ответ: Q = 2800 Дж.)

Какое количество теплоты отдает 5 л воды при охлаждении с 50 °С до 10 °С?

Так как плотность воды ρ = 1000 кг/м3, то масса воды равна:

(Ответ: Q = -840 кДж.)

Знак «-» в ответе указывает на то, что вода отдает тепло.

Домашняя работа.

Задание 1. Ответь на вопросы.
1.Что нужно знать, чтобы вычислить количество теплоты, полученное телом при нагревании?
2. Объясните на примере, как рассчитывают количество теплоты, сообщённое телу при его нагревании или выделяющееся при его охлаждении.
3. Напишите формулу для расчёта количества теплоты.
4. Какой вывод можно сделать из опыта по смешиванию холодной и горячей воды? Почему на практике эти энергии не равны?
Задание 2. Реши задачи.

Мы узнали, от каких величин зависит количество теплоты и какими единицами его измеряют.

Для подсчета количества теплоты нужно знать удельную теплоемкость вещества, из которого изготовлено тело, массу этого тела и разность между его начальной и конечной температурой.

Удельная теплоемкость железа равна 460 Дж/кг*°С, это означает, что для нагревания железа массой 1 кг на 1 °С требуется 460 Дж.

Для нагревания железа массой 5 кг на 1°С потребуется в 5 раз большее количество теплоты, т. е. 460 Дж X 5 =2300 Дж; для нагревания железа массой 5 кг на 600 °С потребуется еще в 600 раз большее количество теплоты, т. е. 2300 Дж X 600 = 1380 000 Дж.

Указанное правило можно записать в виде формулы, введя следующие обозначения: Q-количество теплоты, c – кудельная теплоемкость вещества, m — масса тела, t1 -начальная и t2 – конечная температура тела. Тогда

Q = cm (t2 — t1).

Пример 1. В железный котел массой 10 кг налито 20 кг воды. Какое количество теплоты нужно передать котлу, чтобы нагреть его вместе с налитой в него водой от 10 до 100 °С?

Оба тела — и котел, и вода — будут нагреваться вместе.

Между ними происходит теплообмен, и их температуры можно считать одинаковыми. Поэтому и котел, и вода нагреваются на одно и то же число градусов: 100 °С — 10 °С = 90 °С.

Но количества теплоты, полученные котлом и водой, не будут одинаковыми, ведь их массы и удельные теплоемкости различны.

котлом, равно:

Q1=c1m1(t2 – t1),

Q1 =460 Дж/кг*°С 10 кг 90°С=414 000 Дж ≈ 400 кДж.

Количество теплоты, полученное водой, равно:

Q2 = c2m2(t2 – t1),

Q2 = 4200 Дж/кг*°С 20 кг 90°С = 7560000 Дж≈7600 кДж.

На нагревание и котла, и воды израсходовано количество теплоты:

Q = 400 кДж+7 600 кДж = 8 000 кДж

Пример 2. Смешали 0,8 кг воды, имеющей температуру 25°С, и 0,2 кг кипятка. Температуру полученной смеси измерили, и она оказалась равной 40 °С. Вычислить

, какое количество теплоты отдал при остывании кипяток и какое количество теплоты получила, при нагревании более холодная вода. Сравнить эти количества теплоты.

Кипяток остыл от 100 до 40 °С, при этом он отдал количество теплоты:

Q1 = c1m1(t2 — t1),

Q1 = 4 200 Дж/кг*°С 0,2 кг (100° С – 40° С) = 50 400 Дж.

Вода, в которую был влит кипяток, нагрелась от 25 до 40 °С и получила количество теплоты:

Q2 = c2m2(t – t1),

Q2 = 4 200 Дж/кг*°С 0,8 кг (40° С – 25° С) = 50 400 Дж.

Мы видим, что количество теплоты, отданное горячей водой, и количество теплоты, полученное холодной водой, равны между собой. Это не случайный результат. Опыт показывает, что если между телами происходит теплообмен, то внутренняя энергия всех нагревающихся тел увеличивается настолько, насколько уменьшается внутренняя энергия остывающих тел.

Однако если провести более точные измерения в опытах по смешиванию горячей и холодной воды, то точного равенства отданной и полученной энергии не получится. Отданная энергия будет больше полученной.

Объясняется это тем, что часть энергии во время опыта передается воздуху и сосуду. Разница в отданном и полученном количестве теплоты будет тем меньше, чем меньше потерь энергии допускается в опыте.

Вопросы. 1. Что нужно знать, чтобы подсчитать количество теплоты, полученное телом при нагревании? 2. Объясните на примере, как подсчитывают количество теплоты, сообщенное телу при его нагревании или выделяющееся при его охлаждении. 3. Как записывают формулу для подсчета количества теплоты? 4. Какой вывод можно сделать из опыта по смешиванию холодной и горячей воды?

Упражнения.

Удельная теплоемкость алюминия равна 920 Дж/кг ° С. Что это означает?
Какая из указанных в таблице 6 жидкостей быстрее нагревается при одинаковых условиях нагревания? Почему?

Почему в качестве охладителя (например, при охлаждении двигателя внутреннего сгорания ) из всех жидкостей выгоднее всего применять воду?
Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагревания: а) чугунного утюга массой 1,5 кг на 200° С, б) алюминиевой ложки массой 50 г от 20 до 90° С, в) кирпичной печи массой 2 т от 10 до 60°С,

Задачи на удельную теплоту парообразования

Репетитор
по физике

916 478 1032

П
Р
О
Г
Р
А
М
М
И
Р
О
В
А
Н
И
Е
Репетитор
916 478 1032

Репетитор
по физике

916 478 1032

Репетитор
по алгебре

916 478 1032

Репетитор
по физике

916 478 1032

Удельная теплота парообразования . 6 \dfrac{Дж}{кг} \cdot 0,05кг=953800 Дж \)

$Q=953800 Дж\; =953,8 кДж$

Ответ: $Q= 953,8 кДж$

Энергетическое образование

Примеры решения задач по теме «Процессы изменения состояния идеальных газов»

1. В закрытом сосуде емкостью $V = 300$ л содержится $3$ кг газа при давлении $p_1 = 8$ ат и температуре $t_1 = 20$ °C. Определить давление (ат) и удельный объем после охлаждения воздуха до $0$ °C.

2. В закрытом сосуде заключен газ при разрежении $p_1 = 6.7$ кПа и температуре $t_1 = 70$ °C. Показания барометра – $742$ мм.рт.ст. До какой температуры нужно охладить газ при том же атмосферном давлении, чтобы разрежение стало $p_2 = 13.3$ кПа?

3. В закрытом сосуде емкостью $V = 0.6$ м³ содержится азот при давлении (абсолютном) $p_1 = 0.5$ МПа и температуре $t_1 = 20$ °C. В результате охлаждения сосуда азот, содержащийся в нем, теряет $105$ кДж. Определить, какие давление и температура устанавливаются в сосуде после охлаждения.

4. Сосуд емкостью $90$ л содержит углекислый газ при абсолютном давлении $0.8$ МПа и температуре $30$ °C. Определить количество теплоты, которое необходимо сообщить газу при $v = const$, чтобы давление поднялось до $1.6$ МПа.

5. Какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы нагреть $2$ м³ воздуха при постоянном избыточном давлении $p = 2$ ат от $t_1 = 120$ °C до $t_2 = 450$ °C? Какую работу при этом совершит воздух? Атмосферное давление принять равным $750$ мм.рт.ст., учесть зависимость теплоемкости от температуры.

6. В установке воздушного отопления внешний воздух при $t_1 = – 15$ °C нагревается в калорифере при $p = const$ до $60$ °C. Какое количество теплоты надо затратить для нагревания $1000$ м³ наружного воздуха? Давление воздуха считать равным $755$ мм.рт.ст.

7. Уходящие газы котельной установки проходят через воздухоподогреватель. Начальная температура газов $t_{г1} = 300$ °C, конечная $t_{г2} = 160$ °C; расход газов равен $900$ кг/ч. Начальная температура воздуха составляет $t_{в1} = 15$ °C, а расход его равен $800$ кг/ч. Определить температуру нагретого воздуха $t_{в2}$, если потери тепла в воздухоподогревателе составляет $4$ %. Средние теплоемкости для газов и воздуха принять соответственно равными $1.0467$ и $1.0048$ кДж/(кгּ К).

8. При сжигании в топке парового котла каменного угля объем продуктов сгорания составляет $V_н = 11.025$ м³/кг (объем при нормальных условиях, приходящийся на 1 кг топлива). Анализ продуктов сгорания показывает следующий их объемный состав: $CO = 10$ %; $O2 = 8$ %; $h3O = 10$ %; $N2 = 72$ %. Определить количество теплоты, теряемой с уходящими газами (в расчете на $1$ кг топлива), если на выходе из котла температура газов равна $180$ °C, а температура окружающей среды $20$ °C. Давление продуктов сгорания принять равным атмосферному. Учесть зависимость теплоемкости от температуры.

9. Воздух в количестве $1$ кг при температуре $t = 30$ °C и начальном давлении $p_1 = 0. 1$ МПа изотермически сжимается до конечного давления $p_2 = 1$ МПа. Определить конечный объем, затрачиваемую работу изменения объема и количество теплоты, отводимой от газа.

10. Воздух в количестве $12$ кг при температуре $t = 27$ °C изотермически сжимается до тех пор, пока давление не становится равным $4$ МПа. На сжатие затрачивается работа $L = –6$ МДж. Найти начальные давление и объем, конечный объем и теплоту, отведенную от воздуха.

11. Воздух в количестве $0.5$ кг изотермически расширяется от давления $p_1 = 100$ ат до $p_2$. Определить давление $p_2$ в ат, работу изменения объема $L_{1-2}$ и отведенную теплоту $Q_{1-2}$, если $\frac{v_2}{v_1} = 5$ и $t_1 = 30$ °C.

12. В идеально охлаждаемом компрессоре происходит изотермическое сжатие углекислого газа. В компрессор поступает $700$ м³/ч газа (приведенного к нормальным условиям) при $p_1 = 0.095$ МПа и $t_1 = 47$ °C. Давление за компрессором $p_2 = 0.8$ МПа. Найти теоретическую мощность приводного двигателя $N_0$ (кВт) и теоретический расход $M_в$ охлаждающей компрессор воды (в кг/ч), если она нагревается в системе охлаждения на $Δt = 15$ °C.

13. Воздух при температуре $t_1 = 20$ °C должен быть охлажден посредством адиабатного расширения до температуры $t_2 = –30$ °C. Конечное давление воздуха при этом должно составлять $0.1$ МПа. Определить начальное давление воздуха $p_1$ и работу расширения $1$ кг воздуха.

14. Воздух при температуре $120$ °C изотермически сжимается так, что его объем становится равным $0.25$ начального, а затем расширяется по адиабате до начального давления. Определить температуру воздуха в конце адиабатного расширения. Представить процессы расширения и сжатия в диаграммах pv и Ts.

15. При адиабатном расширении $1$ кг воздуха $K = 1.40 = сonst$ температура его падает на $100$ K. Какова полученная в процессе расширения работа и сколько теплоты следовало бы подвести к воздуху, чтобы ту же работу получить в изотермическом процессе?

16. Воздух в количестве $1$ кг политропно расширяется от $12$ до $2$ ат, причем объем его увеличился в $4$ раза; начальная температура воздуха равна $120$ °C. Определить показатель политропы, начальный и конечный объемы, конечную температуру и работу расширения.

17. При политропном сжатии $1$ кг воздуха до объема $v_2 = 0.1ּ v_1$ температура поднялась с $10$ до $90$ °C. Начальное давление равно $0.8$ бар; $R = 287$ Дж/(кгּ K). Определить показатель политропы, конечные параметры газа, работу сжатия и количество отведенной наружу теплоты.

18. Воздух в компрессоре сжимается по политропе $n = 1.25$ от $1$ до $8$ бар; начальная температура воздуха $5$ °C. После сжатия воздух проходит через холодильник, охлаждаемый холодной водой, начальная температура которой $t_1 = 10$ °C, а конечная равна $t_2 = 18$ °C. Определить часовой расход охлаждающей воды, если производительность компрессора $1000$ мн³/ч при нормальных физических условиях, а воздух в холодильнике изобарно охлаждается до $30$ °C.

19. В воздушном двигателе воздух в количестве $1$ кг расширяется от $p_1 = 10$ ат до $p_2 = 1$ ат. Расширение может произойти изотермически, адиабатно и политропно с показателем политропы $n = 1. 2$. Сравнить работы расширения и определить конечные параметры воздуха по этим трем процессам; начальная температура воздуха $t_1 = 227$ °C. Представить процессы на диаграмме pv.

20. В процессе политропного расширения воздуху сообщается $70$ кДж теплоты. Найти изменение внутренней энергии воздуха и произведенную работу, если объем воздуха увеличился в $8$ раз, а давление его уменьшилось в $10$ раз.

Применение уравнения теплового баланса | Физика

1. Первый закон термодинамики и уравнение теплового баланса

До сих пор мы рассматривали первый закон термодинамики применительно к газам. Отличительной особенностью газа является то, что его объем может значительно изменяться. Поэтому согласно первому закону термодинамики переданное газу количество теплоты Q равно сумме совершенной газом работы и изменения его внутренней энергии:

Q = ∆U + A_г.

В этом параграфе мы рассмотрим случаи, когда некоторое количество теплоты сообщают жидкости или твердому телу. При нагревании или охлаждении они незначительно изменяются в объеме, поэтому совершенной ими при расширении работой обычно пренебрегают. Следовательно, для жидкостей и твердых тел первый закон термодинамики можно записать в виде

Q = ∆U.

Простота этого уравнения, однако, обманчива.

Дело в том, что внутренняя энергия тела представляет собой только суммарную кинетическую энергию хаотического движения составляющих его частиц лишь тогда, когда этим телом является идеальный газ. В таком случае, как мы уже знаем, внутренняя энергия прямо пропорциональна абсолютной температуре (§ 42). В жидкостях же и в твердых телах большую роль играет потенциальная энергия взаимодействия частиц. А она, как показывает опыт, может изменяться даже при постоянной температуре!

Например, если передавать некоторое количество теплоты смеси воды со льдом, то ее температура будет оставаться постоянной (равной 0 ºС), пока весь лед не растает. (Именно по этой причине температуру таяния льда и приняли в свое время в качестве опорной точки при определении шкалы Цельсия. ) При этом подводимое тепло расходуется на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул:чтобы превратить кристалл в жидкость, необходимо затратить энергию на разрушение кристаллической решетки.

Похожее явление происходит и при кипении: если передавать некоторое количество теплоты воде при температуре кипения, ее температура будет оставаться постоянной (равной 100 ºС при нормальном атмосферном давлении), пока вся вода не выкипит. (Потому ее и выбрали в качестве второй опорной точки для шкалы Цельсия.) В этом случае подводимое тепло также расходуется на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул.

Может показаться странным, что потенциальная энергия взаимодействия молекул в паре больше, чем в воде. Ведь молекулы газа почти не взаимодействуют друг с другом, поэтому потенциальную энергию их взаимодействия естественно принять за нулевой уровень. Так и поступают. Но тогда потенциальную энергию взаимодействия молекул в жидкости надо считать отрицательной.

Такой знак потенциальной энергии взаимодействия характерен для притягивающихся тел. В таком случае, чтобы увеличить расстояние между телами, надо совершить работу, то есть увеличить потенциальную энергию их взаимодействия. И если после этого она становится равной нулю, значит, до этого она была отрицательной.

Итак, изменение состояния жидкостей и твердых тел при сообщении им некоторого количества теплоты надо рассматривать с учетом возможности изменения их агрегатного состояния. Изменения агрегатного состояния называют фазовыми переходами. Это – превращение твердого тела в жидкость (плавление), жидкости в твердое тело (отвердевание или кристаллизация), жидкости в пар (парообразование) и пара в жидкость (конденсация).

Закон сохранения энергии в тепловых явлениях, происходящих с жидкостями и твердыми телами, называют уравнением теплового баланса.
Рассмотрим сначала уравнение теплового баланса для случая, когда теплообмен происходит между двумя телами, а их теплообменом с другими телами можно пренебречь (на опыте для создания таких условий используют калориметры – сосуды, которые обеспечивают теплоизоляцию своего содержимого).

Будем считать (как мы считали ранее для газов) переданное телу количество теплоты положительным, если вследствие этого внутренняя энергия тела увеличивается, и отрицательным, если внутренняя энергия уменьшается. В таком случае уравнение теплового баланса имеет вид

Q₁ + Q₂ = 0, (1)

где Q₁ – количество теплоты, переданное первому телу со стороны второго, а Q₂ – количество теплоты, переданное второму телу со стороны первого.

Из уравнения (1) видно, что если одно тело получает тепло, то другое тело его отдает. Скажем, если Q₁ > 0, то Q₂ < 0.

Если теплообмен происходит между n телами, уравнение теплового баланса имеет вид

Q₁ + Q₂ + … + Q_n = 0.

2. Уравнение теплового баланса без фазовых переходов

Будем считать тело однородным, то есть состоящим целиком из одного вещества (например, некоторая масса воды, стальной или медный брусок и т. д.). Рассмотрим сначала случай, когда агрегатное состояние тела не изменяется, то есть фазового перехода не происходит.

Из курса физики основной школы вы знаете, что в таком случае переданное телу количество теплоты Q прямо пропорционально массе тела m и изменению его температуры ∆t:

Q = cm∆t. (2)

В этой формуле как Q, так и ∆t могут быть как положительными, так и отрицательными величинами.

Входящую в эту формулу величину с называют удельной теплоемкостью вещества, из которого состоит тело. Обычно в задачах на уравнение теплового баланса используют температуру по шкале Цельсия. Мы тоже будем так поступать.

? 1. На рисунке 48.1 приведены графики зависимости температуры двух тел от переданного им количества теплоты Q. Масса каждого тела 100 г.

а) У какого тела удельная теплоемкость больше и во сколько раз?
б) Чему равна удельная теплоемкость каждого тела?

? 2. В калориметр, содержащий 150 г воды при температуре 20 ºС, погружают вынутый из кипятка металлический цилиндр. Удельная теплоемкость воды равна 4,2 кДж/(кг * К). Примите, что тепловыми потерями можно пренебречь.
а) Объясните, почему справедливо уравнение

c_мm_м(t_к – 100º) + c_вm_в(t_к – 20º) = 0,

где c_м и c_в – значения теплоемкости данного металла и воды соответственно, m_м и m_в – значения массы цилиндра и воды соответственно, t_к – значение конечной температуры содержимого калориметра, когда в нем установится тепловое равновесие.

б) Какое из двух слагаемых в приведенной формуле положительно, а какое – отрицательно? Поясните ваш ответ.
в) Чему равна удельная теплоемкость данного металла, если масса цилиндра 100 г, а конечная температура равна 25 ºС?
г) Чему равна конечная температура, если цилиндр изготовлен из алюминия, а его масса 100 г? Удельная теплоемкость алюминия равна 0,92 кДж/(кг * К).
д) Чему равна масса цилиндра, если он изготовлен из меди и его конечная температура 27 ºС? Удельная теплоемкость меди 0,4 кДж/(кг * К).

Рассмотрим случай, когда механическая энергия переходит во внутреннюю. Английский физик Дж. Джоуль пытался измерить, насколько нагреется вода в водопаде при ударе о землю.

? 3. С какой высоты должна падать вода, чтобы при ударе о землю ее температура повысилась на 1 ºС? Примите, что во внутреннюю энергию воды переходит половина ее потенциальной энергии.

Полученный вами ответ объяснит, почему ученого постигла неудача. Примите во внимание, что опыты ученый ставил на родине, где высота самого высокого водопада – около 100 м.

Если тело нагревают с помощью электронагревателя или сжигая топливо, надо учитывать коэффициент полезного действия нагревателя. Например, если коэффициент полезного действия нагревателя равен 60 %, это означает, что увеличение внутренней энергии нагреваемого тела составляет 60 % от теплоты, выделившейся при сгорании топлива или при работе электронагревателя.

Напомним также, что при сгорании топлива массой m выделяется количество теплоты Q, которое выражается формулой

Q = qm,

где q – удельная теплота сгорания.

? 4. Чтобы довести 3 л воды в котелке от температуры 20 ºС до кипения, туристам пришлось сжечь в костре 3 кг сухого хвороста. Чему равен коэффициент полезного действия костра как нагревательного прибора? Удельную теплоту сгорания хвороста примите равной 107 Дж/кг.

? 5. С помощью электронагревателя пытаются довести до кипения 10 л воды, но вода не закипает: при включенном нагревателе ее температура остается постоянной, ниже 100 ºС. Мощность нагревателя 500 Вт, коэффициент полезного действия 90 %.
а) Какое количество теплоты передается за 1 с воде от нагревателя?
б) Какое количество теплоты передается за 1 с от воды окружающему воздуху при включенном нагревателе, когда температура воды остается постоянной?
в) Какое количество теплоты передаст вода за 1 мин окружающему воздуху сразу после выключения нагревателя? Считайте, что за это время температура воды существенно не изменится.
г) Насколько понизится температура воды за 1 мин сразу после выключения нагревателя?

3.

Уравнение теплового баланса при наличии фазовых переходов

Напомним некоторые факты, известные вам из курса физики основной школы.

Для того чтобы полностью расплавить кристаллическое твердое тело при его температуре плавления, надо сообщить ему количество теплоты Q, пропорциональное массе m тела:

Q = λm.

Коэффициент пропорциональности λ называют удельной теплотой плавления. Она численно равна количеству теплоты, которое надо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг при температуре плавления, чтобы полностью превратить его в жидкость. Единицей удельной теплоты плавления является 1 Дж/кг (джоуль на килограмм).

Например, удельная теплота плавления льда равна 330 кДж/кг.

? 6. На какую высоту можно было бы поднять человека массой 60 кг, если увеличить его потенциальную энергию на величину, численно равную количеству теплоты, которая нужна для того, чтобы расплавить 1 кг льда при температуре 0 ºС?

При решении задач важно учитывать, что твердое тело начнет плавиться только после того, как оно все нагреется до температуры плавления. На графике зависимости температуры тела от переданного ему количества теплоты процесс плавления представляет собой горизонтальный отрезок.

? 7. На рисунке 48.2 изображен график зависимости температуры тела массой 1 кг от переданного ему количества теплоты.

а) Какова удельная теплоемкость тела в твердом состоянии?
б) Чему равна температура плавления?
в) Чему равна удельная теплота плавления?
г) Какова удельная теплоемкость тела в жидком состоянии?
д) Из какого вещества может состоять данное тело?

? 8. В атмосферу Земли влетает железный метеорит. Удельная теплоемкость железа равна 460 Дж/(кг * К), температура плавления 1540 ºС, удельная теплота плавления 270 кДж/кг. Начальную температуру метеорита до входа в атмосферу примите равной -260 ºС. Примите, что 80 % кинетической энергии метеорита при движении сквозь атмосферу переходит в его внутреннюю энергию.
а) Какова должна быть минимальная начальная скорость метеорита, чтобы он нагрелся до температуры плавления?
б) Какая часть метеорита расплавится, если его начальная скорость равна 1,6 км/с?

Если при наличии фазовых переходов требуется найти коечную температуру тел, то прежде всего надо выяснить, каким будет конечное состояние. Например, если в начальном состоянии заданы массы льда и воды и значения их температур, то есть три возможности.

В конечном состоянии только лед (такое может быть, если начальная температура льда была достаточно низкой или масса льда была достаточно большой). В таком случае неизвестной величиной является конечная температура льда. Если задача решена правильно, то полученное значение не превышает 0 ºС. При установлении теплового равновесия лед нагревается до этой конечной температуры, а вся вода охлаждается до 0 ºС, затем замерзает, и образовавшийся из нее лед охлаждается до конечной температуры (если она ниже 0 ºС).

В конечном состоянии находятся в тепловом равновесии лед и вода. Такое возможно только при температуре 0 ºС. Неизвестной величиной в таком случае будет конечная масса льда (или конечная масса воды: сумма масс воды и льда дана). Если задача решена правильно, то конечные массы льда и воды положительны. В таком случае при установлении теплового равновесия сначала лед нагревается до 0 ºС, а вода охлаждается до 0 ºС. Затем либо часть льда тает, либо часть воды замерзает.

В конечном состоянии только вода. Тогда неизвестной величиной является ее температура (она должна быть не ниже 0 ºС), В этом случае вода охлаждается до конечной температуры, а льду приходится пройти более сложный путь: сначала он весь нагревается до 0 ºС, затем весь тает, а потом образовавшаяся из него вода нагревается до конечной температуры.

Чтобы определить, какая из этих возможностей реализуется в той или иной задаче, надо провести небольшое исследование.

? 9. В калориметр, содержащий 1,5 л воды при температуре 20 ºС, кладут кусок льда при температуре –10 ºС. Примите, что тепловыми потерями можно пренебречь. Удельная теплоемкость льда 2,1 кДж/(кг * К).
а) Какова могла быть масса льда, если в конечном состоянии в калориметре находится только лед? только вода? лед и вода в тепловом равновесии?
б) Чему равна конечная температура, если начальная масса льда 40 кг?
в) Чему равна конечная температура, если начальная масса льда 200 г?
г) Чему равна конечная масса воды, если начальная масса льда равна 1 кг?

То, что для плавления телу надо сообщить некоторое количество теплоты, кажется естественным. Это явление служит нам добрую службу: оно замедляет таяние снега, уменьшая паводки весной.

А вот то, что при кристаллизации тело отдает некоторое количество теплоты, может удивить: неужели вода при замерзании действительно отдает некоторое количество теплоты? И тем не менее это так: замерзая и превращаясь в лед, вода отдает довольно большое количество теплоты холодному воздуху или льду, температура которых ниже 0 ºС. Это явление тоже служит нам добрую службу, смягчая первые заморозки и наступление зимы.
Учтем теперь возможность превращения жидкости в пар или пара в жидкость.

Как вы знаете из курса физики основной школы, количество теплоты Q, необходимое для того, чтобы превратить жидкость в пар при постоянной температуре, пропорционально массе m жидкости:

Q = Lm.

Коэффициент пропорциональности L называют удельной теплотой парообразования. Она численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг жидкости, чтобы полностью превратить ее в пар. Единицей удельной теплоты парообразования является 1 Дж/кг.

Например, удельная теплота парообразования воды при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении авиа примерно 2300 кДж/кг.

? 10. В калориметр, в котором находится 1 л воды при температуре 20 ºС, вводят 100 г водяного пара при температуре 100 ºС. Чему будет равна температура в калориметре после установления теплового равновесия? Тепловыми потерями можно пренебречь.

Дополнительные вопросы и задания

11. Чтобы нагреть на плите некоторую массу воды от 20 ºС до температуры кипения, потребовалось 6 мин. Сколько времени потребуется, чтобы вся эта вода выкипела? Примите, что потерями тепла можно пренебречь.

12. В калориметр, содержащий лед массой 100 г при температуре 0 ºС, впускают пар при температуре 100 ºС. Чему будет равна масса воды в калориметре, когда весь лед растает и температура воды будет равна 0 ºС?

13. Нагретый алюминиевый куб положили на плоскую льдину, температура которой 0 ºС. До какой температуры был нагрет куб, если он полностью погрузился в лед? Примите, что потерями тепла можно пренебречь. Удельная теплоемкость алюминия 0,92 кДж/(кг * К).

14. Свинцовая пуля ударяется о стальную плиту и отскакивает от нее. Температура пули до удара равна 50 ºС, скорость 400 м/с. Скорость пули после удара равна 100 м/с. Какая часть пули расплавилась, если во внутреннюю энергию пули перешло 60 % потерянной кинетической энергии? Удельная теплоемкость свинца 0,13 кДж/(кг * К), температура плавления 327 ºС, удельная теплота плавления 25 кДж/кг.

15. В калориметр, в котором содержится 1 л воды при температуре 20 ºС, кладут 100 г мокрого снега, содержание воды в котором (по массе) составляет 60 %. Какая температура установится в калориметре после установления теплового равновесия? Тепловыми потерями можно пренебречь.
Подсказка. Под мокрым снегом подразумевают смесь воды и льда при температуре 0 ºС.

Фазовые переходы и уравнение теплового баланса

теория по физике 🧲 термодинамика

Определение

Фазовые переходы — это термодинамические процессы, приводящие к изменению агрегатного состояния вещества.

Плавление и отвердевание

ОпределениеПлавление — переход вещества из твердого состояния в жидкое.

Для расчета количества теплоты, необходимого для процесса плавления, следует применять формулу:

Q=λm

m — масса вещества, λ (Дж/кг) — удельная теплота плавления.

Плавление каждого вещества происходит при определенной температуре, которую называют температурой плавления. Все проводимое тепло идет на разрушение кристаллической решетки, при этом увеличивается потенциальная энергия молекул. Кинетическая энергия остается без изменения и температура в процессе плавления не изменяется.

Удельная теплота плавления показывает, какое количество теплоты необходимо сообщить 1 кг данного вещества, чтобы перевести его из твердого состояния в жидкое при условии, что оно уже нагрето до температуры плавления. В процессе отвердевания 1 кг данной жидкости, охлажденной до температуры отвердевания, выделится такое же количество теплоты.

Внимание! Удельная теплота плавления — табличная величина.

ОпределениеОтвердевание, или кристаллизация — переход состояния из жидкого состояния в твердое (это процесс, обратный плавлению).

Отвердевание происходит при той же температуре, что и плавление. В процессе отвердевания температура также не изменяется. Количество теплоты, выделяемое в процессе отвердевания:

Q=−λm

Парообразование и конденсация

ОпределениеПарообразование, или кипение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное.

Количество теплоты, необходимое для процесса кипения, вычисляют по формуле:

Q=rm

m — масса вещества, r (Дж/кг) — удельная теплота парообразования.

Парообразование происходит при определенной температуре, которую называют температурой кипения. В отличие от испарения, процесс парообразования идет со всего объема жидкости. Несмотря на то, что к кипящему веществу подводят тепло, температура не изменяется. Все затраты энергии идут на увеличение промежутком между молекулами. Температура кипения зависит от рода вещества и внешнего атмосферного давления.

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы перевести в пар 1 кг жидкости, нагретой до температуры кипения. Такое же количество теплоты выделится в процессе конденсации 1 кг пара, охлажденного до температуры конденсации.

Внимание! Удельная теплота парообразования — табличная величина.

ОпределениеКонденсация — процесс, обратный кипению. Это переход вещества из газообразного состояния в жидкое.

Конденсация происходит при температуре кипения, которая также не изменяется во время всего процесса. Количество теплоты, выделяемое в процессе конденсации:

Q=−rm

Тепловые процессы при нагревании и охлаждении

Все фазовые переходы, а также процессы нагревания и остывания вещества можно отобразить графически. Посмотрите на график фазовых переходов вещества:

Он показывает зависимость температуры вещества от времени в процессе его нагревания и остывания. Опишем процессы, отображаемые на графике, в таблице.

Процесс	Что происходит	Количество выделенной теплоты
1–2	Нагревание твердого тела	Q=cтm(tпл−t0) с_т — удельная теплоемкость вещества в твердом состоянии.
2–3	Плавление при температуре плавления (t_пл)	Q=λm
3–4	Нагревание жидкости	Q=cжm(tкип−tпл) с_ж — удельная теплоемкость вещества в жидком состоянии.
4–5	Кипение при температуре кипения (t_кип)	Q=rm
5–6	Нагревание пара	Q=cпm(t−tкип) с_п — удельная теплоемкость вещества в газообразном состоянии.
6–7	Охлаждение пара	Q=cпm(tкип−t)
7–8	Кипение при температуре кипения (t_кип)	Q=−rm
8–9	Охлаждение жидкости	Q=cжm(tпд−tкип)
9–10	Отвердевание при температуре плавления (t_пл)	Q=−λm
10–11	Охлаждение твердого тела	Q=cтm(t0−tпл)

Внимание! На участках 2–3 и 9–10 вещество частично находится в жидком и твердом состояниях, а на 4–5 и 7–8 — в жидком и газообразном.

Частные случаи тепловых процессов

Что происходит	График	Формула количества теплоты
Полностью растопили лед, имеющий отрицательную температуру.		Q=cлm(tпл−tл)+λm c_л — удельная теплоемкость льда, tл — начальная температура льда.
Лед, взятый при отрицательной температуре, превратили в воду при комнатной температуре.		Q=cлm(tпл−tл)+λm+cвm(tв−tпл) c_в — удельная теплоемкость воды.
Взяли лед при температуре 0 ^оС и полностью испарили.		Q=λm+cвm(tкип−tпл)+rm
Взяли воду при комнатной температуре и половину превратили в пар.		Q=cвm(tкип−tв)+rm2..

Подсказки к задачам

Единицы измерения	Температуру можно оставлять в градусах Цельсия, так как изменение температуры в градусах Цельсия равно изменению температуры в Кельвинах.
Кипяток	Вода, которая при нормальном атмосферном давлении имеет температуру в 100 ^оС.
Объем воды 5 л	m = 5 кг, так как: m=ρV=10³· 5·10−3м3=5 кг *Внимание!* Равенство V (л) = m (кг) справедливо только для воды.

Пример №1. Какое количество теплоты нужно сообщить льду массой 2 кг, находящемуся при температуре –10 ^оС, чтобы превратить его в воду и нагреть ее до температуры +30 ^оС?

Можно выделить три тепловых процесса:

Нагревание льда до температуры плавления.
Плавление льда.
Нагревание воды до указанной температуры.

Поэтому количество теплоты будет равно сумме количеств теплоты для каждого из этих процессов:

Q=Q1+Q2+Q3

Q=cлm(0−t1)+λm+cвm(t2−0)

Удельные теплоемкости и удельную теплоту плавления смотрим в таблицах:

Удельная теплоемкость льда = 2050 Дж/(кг∙К).
Удельная теплоемкость воды = 4200 Дж/(кг∙К).
Удельная теплота плавления льда = 333,5∙10³ Дж/кг.

Отсюда:

Q=2050·2(0−(−10))+333,5·103·2+4220·2·30=961200 (дж)=961,2 (кДж)

Уравнение теплового баланса

Суммарное количество теплоты, которое выделяется в теплоизолированной системе равно количеству теплоты (суммарному), которое в этой системе поглощается.

Математически уравнение теплового баланса с учетом знаков количества теплоты записывается так:

Qотд=−Qпол

Отданное количество теплоты меньше нуля (Q_отд < 0), а полученное количество теплоты положительно (Q_получ > 0).

Подсказки к задачам на уравнение теплового баланса

Теплообмен происходит в калориметре	Потерями энергии можно пренебречь.
Жидкость нагревают в некотором сосуде	Начальные и конечные температуры жидкости и сосуда совпадают.
В жидкость опускают термометр	Через некоторое время он покажет конечную температуру жидкости и термометра.
Мокрый снег	Содержит воду и лед при 0 ^оС. Учтите, что лед плавится, если он находится при температуре 0 ^оС и получает энергию от более нагретого тела. Вода кристаллизируется при температуре 0 ^оС, если она отдает энергию более холодному телу. Если лед и вода находятся при температуре 0 ^оС, то никаких агрегатных переходов между ними не происходит.

Частные случаи теплообмена

В воду комнатной температуры бросили ком снега, содержащий некоторое количество воды, после чего установилась некоторая положительная температура.	Уравнение теплового баланса: Q1+Q2+Q3=0 cвmв1(t−tв1)+cвmв2(t−0)+λmл+cвmл(t−0)=0
Для получения некоторой положительной температуры воды используют горячую воду и лед, имеющий отрицательную температуру.	Уравнение теплового баланса: Q1+Q2=0 cвmв(t−tв)+cлmл(0−tл)+λmл+cвmл(t−0)=0
В воду комнатной температуры бросают раскаленное твердое тело, в результате часть воды испаряется.	Уравнение теплового баланса: Q1+Q2=0 cтmт(100−tт)+cвmв(100−tв)+rmп=0
Воду комнатной температуры нагревают до кипения, вводя пар при t = 100 ^оС.	Уравнение теплового баланса: Q1+Q2=0 −rmп+cвmв(100−tв)=0
Лед, имеющий температуру плавления, нагревают до положительной температуры, вводя пар при t = 100 ^оС.	Уравнение теплового баланса: Q1+Q2=0 −rmп+cвmп(t−tкип)+λmл+cвmл(t−tпл)=0

Пример №2. В кастрюлю, где находится вода объемом 2 л при температуре 25 ^оС, долили 3 л кипятка. Какая температура воды установилась?

2 л = 2 кг

3 л = 3 кг

Количество теплоты, отданное кипятком, равно количеству теплоты, принятому более прохладной водой. Поэтому:

cm1(t−t0)=−cm2(t−tкип)

Или:

m1(t−t0)=−m2(t−tкип)

m1t+m2t=m1t0+m2tкип

(m1+m2)t=m1t0+m2tкип

t=m1t0+m2tкипm1+m2..

t=2·25+3·1002+3..=3505..=70 (°C)

Взаимные превращения механической и внутренней энергии

Если в тексте задачи указан процент одного вида энергии, перешедший в другой, то он указывается в виде десятичной дроби перед этой энергией, которой тело обладало вначале.

Частные случаи закона сохранения энергии

При неупругом ударе о стенку пуля нагрелась	mv22..=cmΔt
Тело падает с некоторой высоты и в момент падения нагревается	mgh=cmΔt
В результате того, что пуля пробивает стену, ее скорость уменьшается, 50% выделившейся при этом энергии идет на нагревание пули	0,5(mv202..−mv22..)=cmΔt
Летящая пуля при ударе о стенку расплавилась. Начальная температура пули меньше температуры плавления	mv22..=cmΔt+λm
Капля воды, падая с некоторой высоты, в момент удара испарилась. Температура капли у поверхности земли меньше температуры кипения. На нагрев пошло 60% выделившейся механической энергии	0,6mgh=cmΔt+rm
Вследствие сгорания топлива ракета поднялась на некоторую высоту	qmтоп=mрgh
Вследствие сгорания топлива снаряд приобрел некоторую скорость, и на это было затрачено 25% энергии	0,25qmтопmсv22. .

Пример №3. Свинцовая дробинка, летящая со скоростью 100 м/с, попадает в доску и входит в нее. 52% кинетической энергии дробинки идет на ее нагревание. На сколько градусов нагрелась дробинка? Удельная теплоемкость свинца 130 Дж/(кг∙К).

Запишем закон сохранения энергии для этого случая:

0,52mv22..=cmΔt

Δt=0,52v22c..=0,52·10022·130..=20 (К)

Примеры КПД

Устройство	Полезная энергия (работа), затраченная энергия (полная работа)	КПД
Электронагреватель, электроплитка, электрочайник, кипятильник.	Qполезн=cmΔT Иногда: Qполезн=cmΔT+rm Wзатр=Pt (произведение мощности на время)	η=cmΔTPt..100%
Газовая горелка, паровая турбина, спиртовка, плавильная печь.	Qполезн=cmΔT Qзатр=qmтоп	η=cmΔTqmтоп..100%
Двигатель автомобиля, самолета.	Aполезн=Nt=Nsv.. Qзатр=qmтоп	η=cmΔTvqmтоп..100
Ружье с пороховым зарядом, пушка	Eполезн=mv22.. Qзатр=qmпор	η=mv22qmпор..100

Внимание! Если в задаче указано время, в течение которого происходит один тепловой процесс, а спрашивают о времени протекания другого, то считайте, что мощность нагревателя или холодильника постоянна:

Q1t1..=Q2t2..

Пример №4. Для нагревания на электроплитке некоторого количества воды от 20 до 100 ^оС потребовалась 21 минута. Сколько времени после этого необходимо для полного испарения воды? Удельная теплоемкость воды 4200 Дж (кг∙К), удельная теплота парообразования 2,24 МДж/кг.

Будем считать, что мощность электроплитки постоянна. Поэтому:

Q1t1..=Q2t2..

Количество теплоты, сообщенное воде при нагревании:

Q1=сm(t2−t1)

Количество теплоты, которое нужно сообщить, чтобы вода полностью испарилась:

Q1=rm

Отсюда:

сm(t2−t1)t1. .=rmt2..

Задание EF17544

Кусок льда, имеющий температуру 0°С, помещён в калориметр с электронагревателем. Чтобы превратить этот лёд в воду с температурой 12°С, требуется количество теплоты 80 кДж. Какая температура установится внутри калориметра, если лёд получит от нагревателя количество теплоты 60 кДж? Теплоёмкостью калориметра и теплообменом с внешней средой пренебречь.

Ответ:

а) 0°С

б) 4°С

в) 6°С

г) 9°С

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения величин в СИ.

2.Записать уравнение теплового баланса для первого случая.

3.Вычислить массу льда.

4.Выполнить решение.

Решение

Запишем исходные данные:

• Начальная температура льда: t₀ = 0 ^oC.

• Конечная температура воды в первом случае: t₁ = 12 ^oC.

• Количество теплоты, выделенное электронагревателем в первом случае: Q₁ = 80 кДж.

• Количество теплоты, выделенное электронагревателем во втором случае: Q₂ = 60 кДж.

Составим уравнение теплового баланса для первого случая:

Q1=λm+cmt1

Внимание! Вместо разности температур используется значение только конечной температуры, так как начальная температура равна 0.

Найдем массу льда из уравнения теплового баланса для первого случая. Учтем что:

• Удельная теплоемкость воды: c = 4200 Дж/(кг∙К).

• Удельная теплота плавления льда: λ = 333,5 кДж/(кг∙К).

Отсюда:

Чтобы расплавить кусок льда массой 0,5 кг, нужно затратить следующее количество теплоты:

Лед не расплавится весь, так как ему будет сообщено лишь 60 кДж теплоты. Поэтому в калориметре температура будет равна 0 ^оС.

Ответ: а

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF18791

Внимательно прочитайте текст задания и выберите верный ответ из списка

На рисунке представлены графики зависимости температуры t двух тел одинаковой массы от сообщённого им количества теплоты Q. Первоначально тела находились в твёрдом агрегатном состоянии.

Используя данные графиков, выберите из предложенного перечня два верных утверждения и укажите их номера. Ответ: а) Температура плавления первого тела в 1,5 раза больше, чем второго. б) Тела имеют одинаковую удельную теплоёмкость в твёрдом агрегатном состоянии. в) Удельная теплоёмкость второго тела в твёрдом агрегатном состоянии в 3 раза больше, чем первого. г) Оба тела имеют одинаковую удельную теплоту плавления. д) Тела имеют одинаковую удельную теплоёмкость в жидком агрегатном состоянии.

Алгоритм решения

Проанализировать каждое из утверждений.
Проверить истинность утверждений с помощью графика.
Выбрать и записать верные утверждения.

Решение

Проверим первое утверждение, согласно которому, температура плавления первого тела в 1,5 раза больше, чем второго.

Если это было бы так, то количество клеток до горизонтального участка графика 1 относилось к количеству клеток до горизонтального участка графика 2 как 3 к 2. Но мы видим, что до 1 графика 4 клетки, до 1 — 2. Следовательно, температура плавления первого тела в 2 раза больше, чем второго.

Первое утверждение неверно.

Проверим второе утверждение, согласно которому тела имеют одинаковую удельную теплоёмкость в твёрдом агрегатном состоянии.

Если бы это было так, то соответствующие участки графиков совпадали бы. Только в таком случае температура тел увеличивалась на одну и ту же температуру при получении одного и того же количества теплоты. Но мы видим, что это не так.

Второе утверждение неверно.

Проверим третье утверждение, согласно которому удельная теплоёмкость второго тела в твёрдом агрегатном состоянии в 3 раза больше, чем первого.

Если это было бы так, то первое тело при сообщении телам одинакового количества теплоты нагревалось бы втрое быстрее второго. И это действительно так, потому что температура второго во время нагревания в твердом состоянии увеличилась только на 1 клетку, в то время как температура первого тела — на 2 клетки.

Третье утверждение верно.

Проверим четвертое утверждение, согласно которому оба тела имеют одинаковую удельную теплоту плавления.

Если это было бы так, то протяженность горизонтальных участков обоих графиков была бы одинаковой. Но это не так. Протяженность этого участка для тела 1 составляет 3 клетки, для тела 2 — 2 клетки.

Четвертое утверждение верно.

Проверим пятое утверждение, согласно которому тела имеют одинаковую удельную теплоёмкость в жидком агрегатном состоянии.

Если бы это было так, то соответствующие участки графиков были параллельными. Только при таком условии при повышении температуры на одно и то же количество градусов тела бы получли одинаковое количество теплоты. И это действительно так.

Пятое утверждение верно.

Вывод: верным утверждения «в» и «д».

Ответ: вд

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF22685

В сосуде лежит кусок льда. Температура льда t₁= 0 °C. Если сообщить ему количество теплоты Q = 50 кДж, то 3/4 льда растает. Какое количество теплоты q надо после этого сообщить содержимому сосуда дополнительно, чтобы весь лёд растаял и образовавшаяся вода нагрелась до температуры t₂= 20 °C? Тепловыми потерями на нагрев сосуда пренебречь.

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения в СИ.

2.Записать уравнение теплового баланса.

3.Выполнить решение в общем виде.

4.Определить и вычислить искомую величину.

Решение

Запишем исходные данные:

• Начальная температура льда: t₁ = 0 ^oC.

• Конечная температура воды: t₂ = 20 ^oC.

• Количество теплоты, переданное льду изначально: Q = 50 кДж.

• Удельная теплоемкость воды: c = 4200 Дж/(кг∙К).

• Удельная теплота плавления льда: λ = 333,5 кДж/(кг∙К).

50 кДж = 50000 Дж

333,5 кДж = 333500 Дж

Составим уравнение теплового баланса:

Qобщ=Q+q

где q — количество теплоты, необходимое для того, чтобы окончательно растопить лед и нагреть воду:

q=Q2+Q3

Мы знаем, что изначально было растоплено 3/4 льда. Поэтому:

Q=3λm4..

Отсюда масса льда равна:

m=4Q3λ..

На растопку оставшегося льда уйдет следующее количество теплоты:

Q2=λm4..

На нагревание воды уйдет следующее количество теплоты:

Q3=cmt2

Отсюда:

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Алиса Никитина | Просмотров: 10. 2k | Оценить:

Задачи по термодинамике с подробными решениями

Изменение внутренней энергии при теплообмене. Теплота сгорания топлива.

5.1.1 Тело нагрелось на 5 К, поглотив 10 кДж теплоты. Чему равна его теплоемкость?
5.1.2 На сколько градусов нагреется вода массой 0,5 кг, если ей сообщить 16,8 кДж тепла?
5.1.3 Сколько тепла выделится при сгорании 2 кг бензина?
5.1.4 На сколько увеличилась внутренняя энергия 1 кг воды при нагревании её на 2 К?
5.1.5 Сколько тепла было передано льдинке массой 50 г, если она нагрелась на 3 К?
5.1.6 Какая установится температура воды после смешивания 39 л воды при 20 C и 21 л при 60 C?
5.1.7 Железный стержень массой 5 кг, нагретый до 550 C, опускается в воду. Сколько теплоты
5.1.8 Сколько литров воды при 100 C нужно добавить к воде при 20 C, чтобы получить
5.1.9 В стакане было 50 г воды при температуре 20 C. В него долили 100 г воды при температуре
5.1.10 Реактивный самолет пролетает с постоянной скоростью 250 м/с путь 1800 км, затрачивая
5. 1.11 Гусеничный трактор развивает номинальную мощность 60 кВт и при этой мощности
5.1.12 В стакане имеется 250 г воды при температуре 80 C. На сколько понизится температура
5.1.13 Воду массой 4,65 кг, взятую при температуре 286 К, нагревают до 308 К погружением куска
5.1.14 Определить удельную теплоемкость трансформаторного масла, если для нагревания 5 т
5.1.15 Тепловая нагрузка горелки водонагревателя равна 25 МДж/ч, вместимость бака 80 л
5.1.16 В электрическом чайнике мощностью 800 Вт можно вскипятить 1,6 л воды, имеющей
5.1.17 Для закалки стальную деталь, нагретую до 1073 К, массой 0,5 кг опустили в воду массой 10 кг
5.1.18 Мощность, развиваемая двигателем самолета на скорости 900 км/ч, равна 3 МВт. При этом
5.1.19 Определите расход бензина автомобилем на 1 км пути при скорости 72 км/ч. Мощность
5.1.20 Горячее тело, температура которого 70 C, приведено в соприкосновение с холодным телом
5.1.21 Для экономии энергии стальной бак массой 4 кг заменили стальной сеткой массой 1,5 кг
5. 1.22 Смешали 24 кг цемента при температуре 5 C с 30 л воды при температуре 35 C. Определить
5.1.23 Для приготовления ванны необходимо смешать холодную воду при 11 C и горячую
5.1.24 Автомобиль расходует 5,67 кг бензина на 50 км пути. Определить мощность, развиваемую
5.1.25 Алюминиевый сосуд содержит 118 г воды при температуре 20 C. Кусок железа массой
5.1.26 Автомобиль, движущийся со средней скоростью 72 км/ч, развивает силу тяги 2500 Н
5.1.27 Определить КПД нагревателя, расходующего 80 г керосина на нагревание 3 л воды
5.1.28 На спиртовке нагревали воду массой 100 г от 16 до 71 C. При этом был сожжен спирт массой
5.1.29 Медное тело, нагретое до 100 C, опущено в воду, масса которой равна массе тела
5.1.30 На сколько километров пути хватит 40 л бензина автомобилю, движущемуся со скоростью
5.1.31 В ванне находится 400 л воды при температуре 30 C. Из крана вытекает горячая вода
5.1.32 Чтобы нагреть 1,8 кг воды от 18 C до кипения на горелке с КПД 25%, потребовалось
5. 1.33 У какого из тел теплоемкость больше и во сколько раз: у куска свинца массой 1 кг или
5.1.34 Для определения удельной теплоёмкости 0,15 кг вещества, взятого при температуре 100 C
5.1.35 Сколько керосина необходимо сжечь, чтобы 50 л воды нагреть от 20 C до кипения? КПД
5.1.36 На зажженную спиртовку с КПД 60% поставили сосуд с 500 г воды при 20 C. Через какое
5.1.37 Какое количество керосина потребовалось бы сжечь, чтобы вывести спутник массой
5.1.38 Какую массу керосина потребовалось бы сжечь, чтобы вывести спутник массой 1000 кг
5.1.39 В стеклянный сосуд массой 120 г, имеющий температуру 20 C, налили горячую воду
5.1.40 В батарею водяного отопления вода поступает при 80 C по трубе площадью поперечного
5.1.41 Газовая нагревательная колонка потребляет 1,8 м3 метана (Ch5) в час. Найти температуру
5.1.42 Какую массу керосина нужно сжечь, чтобы вывести спутник массой 1000 кг на круговую
5.1.43 Некоторая установка, выделяющая мощность 30 кВт, охлаждается проточной водой
5. 1.44 Теплоизолированный сосуд разделен на две части перегородкой, не проводящей тепла
5.1.45 Ванну емкостью 100 литров необходимо заполнить водой, имеющей температуру 30 C
5.1.46 В калориметр налили 500 г воды, имеющей температуру 40 C, и положили кусок льда
5.1.47 В сосуд, содержащий 1 кг льда при температуре 0 C, влили 330 г воды при температуре 50 C
5.1.48 Слой льда толщиной 4,2 см имеет температуру 0 C. Какова минимальная толщина слоя воды
5.1.49 В калориметр, содержащий 100 г льда при температуре 0 C, налили 150 г воды, имеющей

Фазовые переходы

5.2.1 Сколько требуется энергии для испарения 4 кг воды, взятой при температуре кипения?
5.2.2 Из 450 г водяного пара с температурой 373 К образовалась вода. Сколько теплоты
5.2.3 Сколько тепла выделится при конденсации 10 г пара и охлаждении получившейся воды
5.2.4 Монету из вещества с плотностью 9000 кг/м3 и удельной теплоёмкостью 0,22 кДж/(кг*К)
5.2.5 На сколько возрастёт потенциальная энергия взаимодействия между молекулами
5. 2.6 Кусок свинца массой 1,6 кг расплавился наполовину при сообщении ему количества
5.2.7 В теплоизолированном сосуде находится вода при 273 К. Выкачивая из сосуда воздух
5.2.8 На нагревание 5 кг воды от 303 К до кипения и на обращение в пар при температуре
5.2.9 Сколько было затрачено бензина в нагревателе с КПД 32%, если с его помощью 4 кг воды
5.2.10 При охлаждении 40 кг жидкого олова, взятого при температуре плавления 505 К
5.2.11 Нагретый алюминиевый куб положили на лёд, и он полностью погрузился в лёд. До какой
5.2.12 Водяной пар массой 200 кг при температуре 100 C пропустили через воду при температуре
5.2.13 Комок мокрого снега массой 0,3 кг поместили в 1,2 л воды при температуре 21 C. После того
5.2.14 В калориметре находится 1 кг льда при -40 C. В него впускают 1 кг пара при 120 C
5.2.15 Под невесомым поршнем в цилиндре находится 1 кг воды при температуре 0 C. В воду
5.2.16 Сколько энергии нужно затратить, чтобы 6 кг льда при -20 C обратить в пар
5. 2.17 В сосуд, содержащий 10 кг льда при 0 C, влили 3 кг воды при 90 C. Какая установится
5.2.18 В теплоизолированный сосуд малой теплоёмкости налили 0,4 кг воды при 293 К и положили
5.2.19 В холодильник, потребляющий мощность 200 Вт, поместили воду массой 2 кг
5.2.20 Через воду, имеющую температуру 10 C, пропускают водяной пар при 100 C. Сколько
5.2.21 Струя стоградусного водяного пара направляется на кусок льда массой 10 кг
5.2.22 В 5 кг воды, температура которой 288 К, опущен 1 кг льда с температурой 270 К. Какая
5.2.23 В литр воды при 20 C бросили комок мокрого снега массой 250 г. Когда весь снег растаял
5.2.24 Колба, теплоемкостью которой можно пренебречь, содержит 600 г воды при 80 C
5.2.25 На электрической плитке мощностью 600 Вт находится чайник с двумя литрами воды
5.2.26 В условиях Севера пресную воду получают из снега. Сколько дров нужно израсходовать
5.2.27 Тающий лёд массой 0,5 кг погрузили в калориметр с 0,3 кг воды при температуре 80 C
5. 2.28 При замораживании некоторого вещества в холодильнике потребовалось 4 мин для того
5.2.29 В ведре находится смесь воды со льдом массой m=10 кг. Ведро внесли в комнату
5.2.30 В сосуд с водой объемом 0,25 л при 20 C поместили 50 г расплавленного свинца
5.2.31 В сосуд, содержащий 2,3 кг воды при 20 C, бросают кусок стали, который передаёт воде
5.2.32 Калориметр содержит 250 г воды при температуре 15 C. В воду бросили 20 г мокрого
5.2.33 В калориметр теплоёмкостью 1254 Дж/К бросили 30 г мокрого снега
5.2.34 Сосуд, содержащий воду, внесли в теплую комнату, причем за 15 мин температура
5.2.35 Алюминиевый чайник массой 0,4 кг, в котором находится 2 кг воды при 10 C
5.2.36 В латунный калориметр массы 0,3 кг , содержащий 1 кг воды при 18 C, опускается
5.2.37 В калориметр, содержащий 1,5 кг воды при 20 C, положили 1 кг льда, имеющего
5.2.38 В сосуд с водой объемом 0,25 л при 20 C поместили 50 г расплавленного свинца

Изменение внутренней энергии тела при совершении работы

5. 3.1 Стальной шар падает с высоты 15 м. При ударе о землю вся накопленная им энергия
5.3.2 Многократное перегибание алюминиевой проволоки массой 2 г нагревает её на 40 C
5.3.3 На сколько температура воды у основания водопада с высотой 20 м больше
5.3.4 С какой скоростью должна лететь свинцовая пуля, чтобы при ударе о препятствие
5.3.5 При трении двух тел, теплоёмкости которых по 800 Дж/К, температура через 1 мин
5.3.6 Найти высоту, на которой потенциальная энергия груза массой 1000 кг равна количеству
5.3.7 Чему равна высота водопада, если температура воды у его основания на 0,05 C больше
5.3.8 С какой высоты упал свинцовый шар, если при падении изменение его температуры
5.3.9 Две одинаковых льдинки летят навстречу друг другу с одинаковыми скоростями
5.3.10 Вода падает с высоты 60 м. На сколько температура воды внизу водопада выше
5.3.11 С какой скоростью должна лететь льдинка при 0 C, чтобы при резком торможении
5.3.12 Снежок, летящий со скоростью 20 м/с, ударяется в стену. Какая часть его расплавится
5.3.13 Стальной шар, падая свободно, достиг скорости 41 м/с и, ударившись о землю
5.3.14 Свинцовая пуля массой 10 г, летящая горизонтально со скоростью 100 м/с, попадает
5.3.15 Свинцовая пуля, летящая со скоростью 430 м/с, пробивает стену, причем скорость
5.3.16 При выстреле вертикально вверх свинцовая пуля ударилась о неупругое тело
5.3.17 Свинцовая пуля пробивает доску, при этом её скорость падает с 400 до 200 м/с
5.3.18 Свинцовая пуля, летящая горизонтально со скоростью 500 м/с, пробивает
5.3.19 С какой скоростью должна лететь свинцовая пуля, чтобы расплавиться при ударе
5.3.20 Железный метеорит влетает в атмосферу Земли со скоростью 1,5·10³ м/с
5.3.21 Сани массы 300 кг равномерно движутся по горизонтальной снежной поверхности
5.3.22 Найти работу газа, совершенную в процессе 1-2-3
5.3.23 Найти работу газа в процессе 1-2-3
5.3.24 Найти работу газа в процессе 1-2
5.3.25 Укажите, в каком из случаев работу внешних сил по изменению состояния идеального газа

Внутренняя энергия идеального газа.

Работа газа при изменении объема.

5.4.1 Какова температура одноатомного идеального газа, если известно, что внутренняя энергия
5.4.2 На сколько увеличится внутренняя энергия 1,5 моль гелия при нагревании на 40 К?
5.4.3 Газ, занимающий объем 6,6 л, расширяется при постоянном давлении 515 кПа
5.4.4 При сжатии газа внешними силами была совершена работа 12 кДж. Какую работу
5.4.5 Газ, занимающий объем 460 л при температуре 280 К, нагрели до 295 К. Найти работу
5.4.6 Углекислый газ массой 220 г имеет температуру 290 К. Определить работу газа
5.4.7 Определить работу, которую совершает газ при изобарном нагревании на 50 C, если он
5.4.8 Газ был нагрет изобарно от 285 до 360 К. Какую работу совершил при этом газ
5.4.9 160 г гелия нагревают от 50 до 60 C. Найти работу газа при постоянном давлении
5.4.10 Рассчитайте внутреннюю энергию одноатомного идеального газа в количестве 3 моль
5.4.11 Какую работу совершил гелий массой 40 г при его изобарном нагревании на 20 К?
5. 4.12 На сколько изменится внутренняя энергия восьми молей идеального одноатомного газа
5.4.13 Вычислить работу, которую совершают 2 моля идеального газа при изобарном
5.4.14 Каково давление одноатомного газа, занимающего объем 2 л, если его внутренняя
5.4.15 На сколько изменится давление идеального одноатомного газа, если его внутреннюю
5.4.16 Во сколько раз изменится внутренняя энергия идеального газа, если его давление
5.4.17 Внутренняя энергия одноатомного газа массой m при температуре T равна U
5.4.18 На сколько градусов надо нагреть газ, чтобы его объем увеличился вдвое по сравнению
5.4.19 Какая масса водорода находится в цилиндре под поршнем, если при изобарном
5.4.20 Один моль газа, имевший начальную температуру 300 К, изобарно расширился
5.4.21 Какую работу совершил водород массой 3 г при изобарном нагревании на 100 К?
5.4.22 19 м3 воздуха имеют температуру 50 C. Какую работу совершит воздух, расширяясь
5.4.23 В координатах давление-объем график процесса в идеальном одноатомном газе имеет
5. 4.24 Объем 120 г кислорода при изобарном нагревании увеличился в два раза. Определите
5.4.25 В цилиндре под тяжелым поршнем находится 20 г углекислого газа. Газ нагревается
5.4.26 На диаграмме T (температура) – V (объем) график процесса представляет собой прямую
5.4.27 Над идеальным газом проводят два замкнутых процесса. Какое соотношение
5.4.28 Некоторая масса газа, занимающего объем 0,01 м3, находится при давлении 0,1 МПа
5.4.29 Кислород массой 0,3 кг при температуре 320 К охладили изохорно так, что его давление
5.4.30 Некоторое количество газа нагревается от температуры 300 до 400 К. При этом объем газа
5.4.31 Газ изобарно увеличился в объеме в три раза при давлении 3000 кПа. Определить
5.4.32 В цилиндре находится газ, удерживаемый в объеме 1 м3 силой тяжести поршня и силой
5.4.33 Газообразный водород массой 1 кг при начальной температуре 300 К охлаждают
5.4.34 Определите работу, совершаемую одним молем газа за цикл, если
5.4.35 В сосуде объемом 2 л находится гелий при давлении 100 кПа и температуре 200 К
5. 4.36 Два одинаковых сосуда, содержащих одинаковое число молекул азота, соединены
5.4.37 Два сосуда, содержащие одинаковое количество атомов гелия, соединены краном
5.4.38 Два одинаковых сосуда, содержащие одинаковое число молекул азота, соединены
5.4.39 Два теплоизолированных сосуда соединены трубкой с закрытым краном. В первом

Первый закон термодинамики. Тепловой двигатель

5.5.1 Газ при изотермическом расширении получил 10 кДж теплоты. Чему равна
5.5.2 Какое количество теплоты получил гелий массой 1,6 г при изохорном нагревании
5.5.3 В адиабатическом процессе газ совершил работу 50 кДж. Чему равно приращение
5.5.4 Сколько тепла получил газ, если известно, что для его сжатия была совершена работа
5.5.5 При адиабатном расширении внутренняя энергия газа уменьшилась на 120 Дж. Какую
5.5.6 При изохорном нагревании 10 г неона его температура увеличилась на 205 К
5.5.7 Какое количество теплоты сообщили гелию массой 640 г при изобарном нагревании
5. 5.8 Определить, какое количество теплоты надо сообщить неону массой 400 г, чтобы
5.5.9 Какой процесс произошёл при сжатии идеального газа, если работа, совершаемая
5.5.10 При постоянном давлении 5 молям одноатомного газа сообщили теплоту 10 кДж
5.5.11 В закрытом сосуде объемом 2,5 л находится гелий при температуре 17 C и давлении
5.5.12 Один моль идеального газа, находящегося при температуре T0, нагревают. Какое
5.5.13 Закрытый баллон емкостью 50 л содержит аргон под давлением 200 кПа. Каким
5.5.14 Криптон массой 1 г был нагрет на 100 К при постоянном давлении. Какое количество
5.5.15 При изобарном расширении газа на 0,5 м3 ему было передано 0,26 МДж теплоты
5.5.16 В изотермическом процессе газ совершил работу 2 кДж. На сколько увеличится
5.5.17 Какой график соответствует процессу, в котором температура газа изменяется только
5.5.18 Количество теплоты, передаваемое газу, одинаково. В каком газовом процессе нагрев
5.5.19 Сколько молей одноатомного газа нагрели на 10 К, если количество подведенной
5. 5.20 Один моль одноатомного идеального газа нагревается при постоянном объеме
5.5.21 При нагревании 1 кг неизвестного газа на 1 К при постоянном давлении требуется
5.5.22 При изобарном расширении 40 г гелия его объем увеличили в два раза. Начальная
5.5.23 Идеальный одноатомный газ в количестве 5 моль сначала охлаждают
5.5.24 Один моль идеального одноатомного газа находится при нормальных условиях. Какое
5.5.25 При расширении одноатомного газа от 0,2 до 0,5 м3 его давление росло линейно
5.5.26 Двигатель Дизеля, КПД которого равен 35%, за некоторое время выбросил в атмосферу
5.5.27 Коэффициент полезного действия тепловой машины 20%. Какую работу совершает
5.5.28 Определить коэффициент полезного действия теплового двигателя, если температура
5.5.29 Идеальная тепловая машина совершает за цикл работу 1 кДж и отдаёт холодильнику
5.5.30 В идеальной тепловой машине температура нагревателя в три раза выше температуры
5.5.31 Во сколько раз максимально возможный КПД газовой турбины больше максимально
5. 5.32 Идеальная тепловая машина совершает работу 200 Дж, при этом холодильнику
5.5.33 Каков КПД идеальной паровой турбины, если пар поступает в турбину при температуре
5.5.34 КПД тепловой машины равен 15%. Какое количество теплоты передано от нагревателя
5.5.35 В результате циклического процесса газ совершил работу 100 Дж и передал
5.5.36 Тепловая машина работает по циклу Карно. Температура нагревателя 400 C
5.5.37 Газ в идеальной тепловой машине 70% теплоты, полученной от нагревателя
5.5.38 Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, получает от нагревателя
5.5.39 В идеальной тепловой машине за счёт каждого килоджоуля теплоты, получаемой
5.5.40 Двигатель работает по циклу Карно. Во сколько раз изменится его КПД, если при
5.5.41 Тепловой двигатель работает по циклу Карно. Количество теплоты, отдаваемое
5.5.42 Тепловая машина имеет максимальный КПД 35%. Определить температуру нагревателя
5.5.43 Коэффициент полезного действия тепловой машины равен 25%. В результате её
5.5.44 Тепловая машина с максимально возможным КПД имеет в качестве нагревателя
5.5.45 Один моль одноатомного газа совершает цикл, состоящий из двух изохор и двух изобар
5.5.46 Над одним молем идеального газа совершают цикл, показанный на рисунке
5.5.47 В некотором процессе внутренняя энергия газа уменьшилась на 300 Дж, а газ
5.5.48 При изобарном расширении гелия совершена работа, равная 500 Дж. Какое
5.5.49 Если в некотором процессе газу сообщено 900 Дж теплоты, а газ при этом совершил
5.5.50 В каком из представленных на рисунке процессов AB, протекающих в данной массе газа
5.5.51 Два моля идеального газа совершают замкнутый цикл, изображенный на рисунке
5.5.52 В некотором процессе газу сообщено 800 Дж теплоты, а его внутренняя энергия
5.5.53 В некотором процессе газу сообщено 900 Дж теплоты, а его внутренняя энергия
5.5.54 На p-V диаграмме изображен цикл, проводимый с одноатомным идеальным газом
5.5.55 В идеальном тепловом двигателе за счёт каждого килоджоуля энергии, полученной
5. 5.56 Холодильник идеального теплового двигателя имеет температуру 27 C. Как изменится
5.5.57 Холодильник идеального теплового двигателя имеет температуру 27 C. Как изменится
5.5.58 Идеальный тепловой двигатель совершает за один цикл работу 30 кДж
5.5.59 Температура нагревателя идеального теплового двигателя равна 327 C, а температура

Пожалуйста, поставьте оценку

( 49 оценок, среднее 4.51 из 5 )

Вы можете поделиться с помощью этих кнопок:

Расчет количества теплоты, необходимой для нагревания тела или выделяемой им при охлаждении. Количество тепла

Не раз приходил грустный школьник с опущенной головой и словами «зачем мне знать физику, если я не хочу быть каким-то ученым». И ведь даже взрослые затрудняются ответить на вопрос, зачем им нужно учить эти формулы, аксиомы, законы и постулаты. Кстати, с этой наукой связана далеко не одна профессия, вот подробный список: летчик, радиомеханик, машинист поезда, газорезчик, инженер, авиамеханик, программист, климатолог и т. д. Для освоения большинства технических специальностей необходимо иметь навыки, преподаваемые в школе на этом уроке. Полученные знания помогут ребенку стать интеллектуально развитым, он сможет поддержать любую беседу и узнает много интересных фактов.

Кроме того, физические законы окружают людей повсюду, просто мы не задумываемся об этом. Давайте рассмотрим повседневные примеры, в которых такие навыки пригодятся.

Во-первых, движение. Все на планете постоянно движется, в том числе и сами небесные тела. Мы можем использовать физические формулы, чтобы рассчитать время, необходимое нам, чтобы добраться до определенного места.

Во-вторых, сила притяжения. Всем известна причудливая история о Ньютоне и яблоке. Ведь наверняка каждый из нас не раз задавался вопросом, почему тот или иной предмет летит на землю с такой скоростью, один разбивается при падении, а другой нет.

В-третьих, и это самое главное, все в мире состоит из атомов и молекул, свойства и функционирование которых изучает данная область. Поэтому, чтобы лучше узнать не только строение всего космоса и нашей конкретной Земли, но и познать себя, необходимо усвоить школьный материал. В этом поможет книга решений, написанная профессиональными методистами и изданная издательством «Экзамен» в 2015 году.

Почему всем так нравится учебно-методический комплекс по физике, сборник задач для 7-9 классов(автор: Перышкин А.В.)

Предлагаемое пособие будет полезно не только тем, кто не понимает темы на уроках. У отличников будет возможность попрактиковаться и закрепить свои навыки, пройти разделы заранее, чтобы быть увереннее на уроках. Преимущества:

позволит качественно подготовиться к предстоящим контрольным и итоговым испытаниям;
наличие правильных ответов на все составленные задания;
сайт совместим со всеми типами современных устройств для выхода в интернет;
онлайн-режим.

Содержание сборника с ГДЗ по физике, сборник задач для 7-9 классов от Перышкина

Точность, погрешность измерения;
агрегатных состояний вещества, различие в молекулярном строении;
взаимодействие, масса тел;
давление в жидкости и газе. расчеты;
работа, мощность, энергия.

730. Почему для охлаждения некоторых механизмов используется вода?
Вода обладает высокой удельной теплоёмкостью, что способствует хорошему отводу тепла от механизма.

731. В каком случае следует затратить больше энергии: на нагрев одного литра воды на 1 °С или на нагрев ста граммов воды на 1 °С?
Чтобы нагреть литр воды, так как чем больше масса, тем больше энергии нужно затратить.

732. Мельхиоровые и серебряные вилки одинаковой массы опускали в горячую воду. Получают ли они одинаковое количество теплоты от воды?
Мельхиоровая вилка получит больше тепла, потому что удельная теплоемкость мельхиора больше, чем у серебра.

733. Кувалдой трижды ударили кусок свинца и кусок чугуна одинаковой массы. Какая часть стала горячее?
Свинец будет нагреваться сильнее, потому что его удельная теплоемкость меньше, чем у чугуна, и для нагрева свинца требуется меньше энергии.

734. В одной колбе вода, в другой керосин той же массы и температуры. В каждую колбу бросали одинаково нагретый железный кубик. Что нагреется до более высокой температуры — вода или керосин?
Керосин.

735. Почему колебания температуры зимой и летом в приморских городах менее резкие, чем в городах, расположенных внутри страны?
Вода нагревается и остывает медленнее, чем воздух. Зимой он остывает и перемещает теплые воздушные массы на сушу, делая климат на побережье более теплым.

736. Удельная теплоемкость алюминия 920 Дж/кг °С. Что это значит?
Это означает, что для нагрева 1 кг алюминия на 1 °C требуется 920 Дж.

737. Алюминиевые и медные стержни одинаковой массы 1 кг охлаждаются на 1 °С. На сколько изменится внутренняя энергия каждого блока? Какой бар изменится больше и насколько?

738. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть килограммовую железную заготовку на 45 °С?

739. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 0,25 кг воды с 30°С до 50°С?

740. Как изменится внутренняя энергия двух литров воды при нагревании на 5 °С?

741. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 5 г воды с 20 °С до 30 °С?

742. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть алюминиевый шарик массой 0,03 кг на 72 °С?

743. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагревания 15 кг меди на 80 °С.

744. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагревания 5 кг меди с 10 °С до 200 °С.

745. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 0,2 кг воды с 15 °С до 20 °С?

746. Вода массой 0,3 кг остыла на 20 °С. На сколько уменьшилась внутренняя энергия воды?

747. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 0,4 кг воды при температуре 20 °С до температуры 30 °С?

748. Сколько теплоты затрачивается на нагрев 2,5 кг воды на 20 °С?

749. Сколько теплоты выделится при охлаждении 250 г воды с 90 °С до 40 °С?

750. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 0,015 л воды на 1 °С?

751. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагрева пруда объемом 300 м3 на 10 °С?

752. Какое количество теплоты необходимо сообщить 1 кг воды, чтобы повысить ее температуру с 30°С до 40°С?

753. Вода объемом 10 литров остыла с температуры 100°С до температуры 40°С. Какое количество теплоты выделяется при этом?

754. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагревания 1 м3 песка на 60 °С.

755. Объем воздуха 60 м3, удельная теплоемкость 1000 Дж/кг °С, плотность воздуха 1,29 кг/м3. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть его до 22°С?

756. Нагрели воду на 10 °С, затратив 4,20·103 Дж теплоты. Определить количество воды.

757. Вода массой 0,5 кг сообщила о 20,95 кДж тепла. Какой была температура воды, если начальная температура воды была 20°С?

758. В медную кастрюлю весом 2,5 кг наливают 8 кг воды температурой 10 °С. Какое количество теплоты необходимо, чтобы довести воду в кастрюле до кипения?

759. В медный ковш массой 300 г наливают литр воды температурой 15 °С. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть воду в ковше на 85 °С?

760. Кусок нагретого гранита массой 3 кг помещают в воду. Гранит передает воде 12,6 кДж тепла, охлаждая ее на 10 °С. Какова удельная теплоемкость камня?

761. Горячую воду 50°С добавили к 5 кг воды 12°С, получив смесь с температурой 30°С. Сколько воды было добавлено?

762. Воду при 20°C добавляли к 3 литрам воды при 60°C для получения воды при 40°C. Сколько воды было добавлено?

763. Какова будет температура смеси, если 600 г воды при 80 °С смешать с 200 г воды при 20 °С?

764. Литр воды температурой 90°С вылили в воду температурой 10°С, и температура воды стала 60°С. Сколько было холодной воды?

765. Определить, сколько горячей воды, нагретой до 60°С, нужно налить в сосуд, если в сосуде уже находится 20 литров холодной воды температурой 15°С; температура смеси должна быть 40°С.

766. Определите, какое количество теплоты потребуется, чтобы нагреть 425 г воды на 20 °С.

767. На сколько градусов нагреется 5 кг воды, если в воду поступит 167,2 кДж?

768. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть m граммов воды при температуре t1 до температуры t2?

769. В калориметр наливают 2 кг воды при температуре 15 °С. До какой температуры нагреется вода в калориметре, если опустить в нее латунную гирю массой 500 г, нагретую до 100 °С? Удельная теплоемкость латуни 0,37 кДж/(кг°С).

770. Есть куски меди, олова и алюминия одинакового объема. Какой из этих кусков имеет наибольшую, а какой наименьшую теплоемкость?

771. В калориметр налили 450 г воды, температура которой 20 °С. Когда в эту воду погрузили 200 г железных опилок, нагретых до 100°С, температура воды стала 24°С. Определить удельную теплоемкость опилок.

772. Медный калориметр массой 100 г вмещает 738 г воды, температура которой 15 °С. В этот калориметр опускали 200 г меди при температуре 100 °С, после чего температура калориметра повышалась до 17 °С. Какова удельная теплоемкость меди?

773. Стальной шар массой 10 г вынимают из печи и опускают в воду с температурой 10 °С. Температура воды поднялась до 25°C. Какой была температура шарика в духовке, если масса воды 50 г? Удельная теплоемкость стали 0,5 кДж/(кг °С).

776. Воду массой 0,95 г при температуре 80 °С смешивали с водой массой 0,15 г при температуре 15 °С. Определить температуру смеси.

779. Стальное долото массой 2 кг нагрели до температуры 800 °С и затем опустили в сосуд, содержащий 15 литров воды при температуре 10 °С. До какой температуры нагреется вода в сосуде?

(Указание. Для решения этой задачи необходимо составить уравнение, в котором за неизвестную принимается искомая температура воды в сосуде после опускания резака.)

781. Для обогрева хорошо проветриваемого класса требуется количество тепла 4,19 МДж в час. Вода поступает в радиаторы отопления при 80°С, а выходит при 72°С. Сколько воды должно подаваться на радиаторы каждый час?

782. Свинец массой 0,1 кг при температуре 100 °С погружали в алюминиевый калориметр массой 0,04 кг, содержавший 0,24 кг воды при температуре 15 °С. После этого в калориметре устанавливали температуру 16 °С. Какова удельная теплоемкость свинца?

667. Является ли вращение искусственного спутника вокруг Земли тепловым движением?
668. Движение молекул газа можно назвать тепловым
движением?
669. Можно ли сказать, что явление диффузии обусловлено
тепловым движением?
670. Что происходит с тепловым движением при повышении температуры?
671. Изменится ли кинетическая и потенциальная
энергия молекул воды в плотно закрытой банке с холодной водой при погружении ее в горячую воду?
672. Свободно падающий мяч, ударившись об асфальт,
снова прыгает, но никогда не поднимается на начальную высоту, с которой упал. Почему?
673. Подбрасывается монета. Какие преобразования энергии
происходят при поднятии монеты? когда она падает? в момент удара об асфальт?
674. Почему монета нагревается при ударе об асфальт?
675. Горячую воду наливают в один стакан,
холодную той же массы. В каком стакане воды на
больше внутренней энергии?
676. Приведите примеры изменения внутренней энергии тел при их сжатии.
677. Как изменяется внутренняя энергия тел при трении? Приведите примеры.
678. Изменяется ли внутренняя энергия тел при ударе?
Приведите примеры.
78
679. Почему изменяется внутренняя энергия пружины при ее сжатии?
680. Происходит ли изменение внутренней энергии газа при его расширении?
681. Что происходит с внутренней энергией жидкости и
твердых тел при их нагревании?
682. Изменяется ли внутренняя энергия льда при его
таяние?
683. Сила трения совершает работу над телом. Какие
знаки указывают на изменение внутренней
энергии тела?
Способы изменения внутренней энергии тела.
Теплопроводность. Конвекция. Радиация
684. Опустили в сосуд с горячей водой одновременно
серебряных и деревянных палочек такой же массы.
Какая из палочек нагреется быстрее? Как изменится внутренняя энергия воды? палочки? Как происходит теплообмен между водой и палочками?
685. Если дотронуться до металлических и деревянных перил на морозе, какие из них кажутся холоднее? Почему?
686. Ручки кранов с горячей водой обычно изготавливаются из керамики или пластмассы. Почему?
687. В холодных местах водопроводные трубы оборачивают минеральной ватой
и обивают досками. Почему они это делают?
688. Снег под толстым слоем соломы или сена
тает медленно. Почему?
689. Термос – сосуд с двойными
стенками. Воздух из пространства между стенками откачивается. Почему температура жидкости, налитой в термос, изменяется очень медленно?
690. Почему двойные оконные рамы меньше пропускают холод, чем одинарные?
79
691. Если снег покроет зеленую траву до наступления сильных
морозов, то трава благополучно перезимует, оставаясь такой же зеленой. Почему?
692. Почему в шубе тепло даже в сильные морозы?
693. Почему приклад и цевье ружья деревянные?
694. Почему под толстым льдом вода не замерзает?
695. Почему ясная ночь холоднее пасмурной?
696. Воздух плохо проводит тепло. Почему горячие предметы охлаждаются на воздухе?
697. Почему в холодные ясные весенние ночи в садах зажигают костры, дающие много дыма?
698. Помещены в воду комнатной температуры
поверх металлического сосуда со льдом. Будет ли вода охлаждаться?
699. Почему глубокий рыхлый снег защищает посевы от вымерзания?
700. Почему солома, сено, сухие листья плохой проводник тепла?
701. Почему металлические предметы
кажутся холоднее дерева?
702. Что будет со льдом, если его накрыть в шубе номер
?
703. Какое ватное одеяло теплее — новое или старое,
слежавшееся? Почему?
704. Под какой крышей зимой теплее — под соломенной или железной?
705. Какое значение имеет накипь в котле при нагреве воды?
706. Иногда стены дома делаются из двойных фанерных стен
, пространство между которыми заполняется опилками. Почему стена, устроенная таким образом, лучше проводит тепло, чем та же стена, заполненная только воздухом?
707. Почему толстые чайные стаканы лопаются от
горячая вода, в тонких стаканах можно вскипятить
воду?
80
708. Почему зеркало немного нагревается, когда
падают солнечные лучи?
709. Почему внутренняя поверхность стеклянной части
термоса покрыта серебром?
710. Почему летом носят светлую одежду?
711. Какой чайник быстрее остынет — блестящий или
закопченный?
712. Почему корпус стратостата покрыт серебристой краской?
713. Что вызывает движение воды по трубам водяного отопления?
714. На рис. 84 показан один из способов защиты от удушливых газов за пожаром. Почему горящий огонь может в какой-то мере защитить от удушливых газов
?
715. Почему радиаторы водяного отопления
нужно размещать ближе к полу, а не к потолку?
716. Если открыть окно, воздух в комнате постепенно
остывает. Как это произошло?
717. Почему в тех случаях, когда необходимо получить
тепла в печах много, устраивают печи с высокими трубами? 9Количество тепла. Тепловые агрегаты.
Удельная теплоемкость. Расчет количества
тепла, необходимого для нагревания тела
I или выделяемого им при охлаждении
721. Почему для охлаждения некоторых механизмов
используется вода?
722. В каком случае необходимо затратить больше энергии:
для нагревания одного литра воды на 1 °С или для нагревания ста граммов воды на 1 °С?
723. Мельхиоровые и серебряные вилки той же массы
опускали в горячую воду. Получают ли они одинаковое количество теплоты от воды?
724. Равные для куска свинца и куска чугуна
массы трижды ударялись кувалдой. Какая штука сильнее
нагрелась?
725. В одной колбе вода, в другой керосин той же массы и температуры. В каждую колбу бросали одинаково нагретый железный кубик. Что нагреется до более высокой температуры — вода или керосин
?
726. Почему колебания температуры зимой и летом менее резки в городах на берегу моря, чем в городах, расположенных внутри страны?
727. Удельная теплоемкость алюминия
920 Дж/кг. °С. Что это значит?
728. Алюминиевые и медные стержни одинаковой массы 1 кг охлаждаются на 1 °С. На сколько изменится внутренняя энергия каждого блока? Какой бар изменится больше и насколько?
729. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть килограммовую железную заготовку на 45 °С?
730. Какое количество теплоты потребуется, чтобы нагреть 0,25 кг воды с 30°С до 50°С?
731. Как изменится внутренняя энергия двух литров
воды при нагревании до 5°С?
732. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 5 г воды с 20°С до 30°С?
82
733. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть алюминиевый шарик массой 0,03 кг до 72 °С?
734. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагрева
15 кг меди до 80 °С.
735. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для
нагревания 5 кг меди с 10 °С до 200 °С.
736. Какое количество теплоты потребуется для нагревания
0,2 кг воды с 15 °С до 20 °С?
737. Вода массой 0,3 кг остыла на 20 °С. На сколько
уменьшилась внутренняя энергия воды?
738. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 0,4 кг воды при температуре 20 °С до температуры 30 °С?
739. Сколько теплоты затрачивается на нагревание
2,5 кг воды при 20 °С?
740. Какое количество теплоты выделится при охлаждении 250 г воды с 90 °С до 40 °С?
741. Какое количество теплоты потребуется, чтобы
нагреть 0,015 л воды на 1 °С?
742. Рассчитайте необходимое количество тепла,
нагреть пруд объемом 300 м3 на 10 °С?
743. Какое количество теплоты следует сообщить 1 кг
воды, чтобы повысить ее температуру с 30°С до 40°С?
744. Вода объемом 10 литров остыла с температуры 100 °С
до температуры 40 °С. Какое количество теплоты выделяется при этом?
745. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагрева
1 м3 песка до 60 °С.
746. Объем воздуха 60 м3, удельная теплоемкость
1000 Дж/кг. °С, плотность воздуха 1,29кг/м 3. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть его на 22°С?
747. Воду нагрели на 10°С, потратив 4,20. 103 Дж тепла. Определить количество воды.
748. Вода массой 0,5 кг сообщила 20,95 кДж тепла.
Какой была температура воды, если начальная температура воды была 20°С?
749. В медную кастрюлю весом 2,5 кг наливают 8 кг воды температурой 10 °С. Какое количество теплоты необходимо
, чтобы довести воду в кастрюле до кипения?
83
750. В котел наливают литр воды температурой 15°С
ковш весом 300 г. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть воду в ковше на 85 °С?
751. Кусок нагретого гранита массой 3 кг помещают в
воды. Гранит передает воде 12,6 кДж тепла, охлаждая ее на 10 °С. Какова удельная теплоемкость камня?
752. К 5 кг воды добавили горячую воду при 12 °С при
50 °С, получив смесь с температурой 30 °С. Сколько воды заправлено
?
753. Воду при 20°C добавляли к 3 литрам воды при 60°C для получения воды при 40°C. Сколько воды было добавлено?
754. Какой будет температура смеси, если смешать
600 г воды при 80°С с 200 г воды при 20°С?
755. Литр воды температурой 90°С вылили в воду температурой 10°С, и температура воды стала 60°С. Сколько было холодной воды?
756. Определить, сколько налить в сосуд
горячей воды, нагретой до 60°С, если в сосуде
уже содержится 20 л холодной воды температурой 15°С; температура смеси
должна быть 40 °С.
757. Определить необходимое количество тепла
для нагревания 425 г воды до 20 °C.
758. На сколько градусов нагреется 5 кг воды, если
воды получат 167,2 кДж?
759. Какое количество теплоты потребуется, чтобы тонны граммов воды
при температуре tx нагреться до температуры f2?
760. В калориметр наливают 2 кг воды при температуре
15 °С. До какой температуры нагреется вода в калориметре
, если латунную гирю массой 500 г нагреть до
100 °С? Удельная теплоемкость латуни 0,37 кДж/кг. °С).
761. Есть куски меди, олова и алюминия
. Какой из этих кусков имеет наибольшую и наименьшую теплоемкость?
762. В калориметр налили 450 г воды, температура которой 20 °С. Когда 200 г
железных опилок нагрели до 100°С, температура
воды стала 24°С. Определить удельную теплоемкость
опилок.
84
763. Медный калориметр массой 100 г вмещает 738 г
воды при температуре 15°С. В этом калориметре
опустил 200 г меди при температуре 100°С, после чего
температура калориметра поднялась до 17°С. Что такое
удельная теплоемкость меди?
764. Стальной шар массой 10 г вынимают из печи и
погружают в воду с температурой 10°С. Температура воды
поднялась до 25°C. Какой была температура шара в печи
, если масса воды 50 г? Удельная теплоемкость стали
0,5 кДж/кг. °С).
765. В железный котел весом 1,5 кг наливают 5 кг воды. Сколько теплоты необходимо для нагрева воды в этом котле
от 15 °С до 100 °С?
766. Медь массой 0,5 кг погружают в 500 г воды, где она охлаждается с 80 °С до 17 °С. Подсчитайте, на сколько градусов нагреется
воды.
767. Воду массой 0,05 г при температуре 80 °С смешивали с водой массой 0,15 г при температуре 15 °С. Определить температуру смеси.
768. Воду массой 150 г при температуре 35°С заливали
50 г воды при 19°С. Какая температура смеси?
769. В чугунный котел массой 2 кг при температуре 10 °С налили воду массой 5 кг при температуре 90 °С. Во что превратилась
температура воды?
770*. Стальной резец массой 2 кг нагрели до температуры 800°С и затем опустили в сосуд, содержащий 15 литров
воды температурой 10°С. До какой температуры нагреется вода в сосуде?
(Указание. Для решения этой задачи необходимо
написать уравнение, в котором неизвестное берется
желаемая температура воды в сосуде после опускания
резца.)
771*. Какую температуру приобретет вода, если смешать 0,02 кг воды при 15 °С, 0,03 кг воды при 25 °С и 0,01 кг воды при 60 °С?
772*. Для обогрева хорошо вентилируемого помещения класса
количество необходимой теплоты составляет 4,19 МДж в час. Вода по 85
поступает в радиаторы отопления при 80°С, а выходит из них
при 72°С. Сколько воды должно подаваться каждый час
в радиаторы?
773*. Свинец массой 0,1 кг при температуре 100 °С погружали в алюминиевый калориметр массой 0,04 кг, содержавший 0,24 кг воды при температуре 15 °С. После этого в калориметре устанавливали температуру 16 °С. Что такое
удельная теплоемкость свинца?
топливная энергия. Удельная теплота сгорания
774. Удельная теплота сгорания угля
27 МДж/кг. Что это значит?
775. Сколько теплоты при сгорании отдает 10 кг древесного угля?
776. Сколько теплоты выделится при полном сгорании
10 кг сухих березовых дров?
777. Какое количество теплоты выделяет 20 кг торфа при полном сгорании?
778. Какое количество теплоты выделится при сгорании керосина массой 300 г?
779. Заряд пороха в пулеметном патроне имеет массу
3,2 г. Теплота сгорания пороха 3,8 МДж/кг. Какое количество тепла выделяется при каждом выстреле?
780. Сколько теплоты выделится при полном сгорании
4 литров керосина?
781. Сколько теплоты выделится при полном сгорании масла
массой 3,5 т?
782. Какую массу угля надо сжечь, чтобы выделить
40 800 кДж теплоты?
783. Полное сгорание выделяемого масла 132 кДж
тепло. Какая масса масла сгорела?
784. Какая масса древесного угля может заменить 60 тонн масла
?
785. Какая масса древесного угля при сгорании
дает столько же энергии, сколько выделяется при сгорании
четырех литров бензина?
86
786. Во сколько раз меньше тепла отдают сухие березовые дрова при полном сгорании, чем бензин той же массы?
787. Начальная температура двух литров воды равна 20 °С.
До какой температуры можно нагреть эту воду?
при сжигании 10 г спирта? (Примите, что теплота сгорания спирта целиком пошла на нагрев воды.)
788. Воду массой 0,3 кг нагрели на спиртовке от 20 °С
до 80 °С и сожгли 7 г спирта. Определить КПД
спиртовки.
789. При нагревании 4 л воды до 55°С в печи сгорает 50 г керосина. Какова эффективность Primus?
790. Сталь массой 2 кг нагревается до 1000°С в горне. Какова производительность горна, если на это уходит 0,6 кг кокса?
791. Сколько керосина надо сжечь в керосине, чтобы довести до кипения 3 кг воды от 15°С, если КПД керосина 30%?
792. КПД вагранки (шахтной печи) 60%. Сколько нужно древесного угля марки
, чтобы нагреть 10 000 кг чугуна с 20°C
до 1100°C?
793*. Для сжигания в печи одного килограмма древесного угля требуется 30 кг воздуха. В топку
воздух поступает при температуре 20°С, а в дымоход
выходит при температуре 400°С. Какая часть энергии топлива уносится воздухом в трубу? (Теплоёмкость воздуха принята
равна 1000 Дж/кг. °С при постоянном давлении.)
Закон сохранения и превращения энергии
в механических и тепловых процессах
794. Стальной шарик массой 50 г падает с высоты
1,5 м на каменную плиту и, отскакивая от нее, поднимается вверх на высоту 1,2 м. Почему мяч не поднялся на
на исходную высоту? Сколько механической энергии
превратилось во внутреннюю энергию шара и
пластин?
87
795. В стеклянный сосуд накачивали воздух до давления
при 1,5 атм. Когда кран был открыт, внутри сосуда появился
туман, что свидетельствует о том, что воздух остыл. Почему воздух холоднее?
796. Какой работе соответствует количество теплоты, полученное при сгорании 1 кг угля?
Удельная теплота сгорания угля 29,9. 106 Дж/кг.
797. Какое количество теплоты соответствует работе
лошади, перемещающей тележку на расстояние 40 м, приложив силу 500 Н?
798. Сколько теплоты выделяется при ударе
Неупругое тело массой 50 кг упало с высоты 4 м?
799. Сколько масла потребуется для плавания парохода продолжительностью 6 суток, если двигатель парохода развивает
среднюю полезную мощность 4000 л.с. и коэффициент
полезного действия 20%? Удельная теплота сгорания топлива 46 . 106 Дж/кг. (1 л.с. = 736 Вт)
800. Сколько теплоты выделится при ударе молотка
массой 4,9 кг о предмет, лежащий на наковальне, если скорость молота
в момент удара 6 м/с?
801. Сколько угля потребуется для тепловоза мощностью
в 1,1 МВт, идущего со скоростью 40 км/ч, для прохождения
200 км? КПД локомотива составляет 10%.
802. При сгорании 0,001 кг водорода выделяется
122,43 кДж, при этом образуется 0,009 кг водяного пара,
удельная теплоемкость которого 2000 Дж/кг. °С.
Если бы все выделившееся тепло было использовано для нагревания образовавшегося водяного пара, то на сколько градусов
увеличилась бы его температура?
803. Пустая плотно закрытая бутылка выдерживается
дно резервуара. Затем ее отпускают, и бутылка всплывает в воде с определенной скоростью, а значит, приобретает кинетическую энергию. Откуда берется эта кинетическая энергия?
804. Механическая игрушка с заводным механизмом приводится в движение пружиной
. Когда растение заканчивается, игрушка останавливается. Энергия, переданная пружиной, исчезла?
88
805. Каким из трех известных способов теплопередачи
часть солнечной энергии передается на Землю и другие планеты Солнечной системы? 9поверхности земли
получает около 8 Дж в минуту. Какое количество теплоты получает 1 м2 земной поверхности в минуту?
807. Два шара одинаковой массы падают с одинаковой высоты. Один ударяется об асфальт и подпрыгивает, другой
падает в песок и застревает в нем. Опишите преобразование
энергии, образующейся при ударе в каждом случае.
808. Какие превращения энергии происходят при движении парашютиста в воздухе?
809. Какой энергией обладает летящая пуля? Какой вид
превращения энергии происходят при ее движении?
810. За счет какой энергии движется:
а) пуля в стволе ружья;
б) космическая ракета;
в) автомобиль?
89
Совокупное изменение
состояния материи
Совокупное состояние материи. Плавление
и затвердевание кристаллических тел. График
Плавление и затвердевание кристаллических тел.
Удельная теплота плавления
811. Чем молекулы воды отличаются от молекул водяного пара?
812. Отличаются ли молекулы железа в заготовке от
молекул железа в расплавленном состоянии?
813. С помощью таблиц определите, какое вещество имеет
более высокую температуру плавления: серебро или стеарин?
814. Кусочки льда плавают в сосуде с водой при температуре 0°С.
Что будет: лед растает или вода замерзнет? От
от чего зависит?
815. Почему температура тел не изменяется при плавлении или затвердевании?
816. Существует ли температура плавления аморфных тел?
817. По табличным данным определите, какое вещество имеет более высокую температуру плавления: цезий или золото
.
818. Можно ли измерять температуру наружного
воздуха ртутными термометрами?
819. В комнату, температура в которой
тает лед. Он растает в этой комнате?
820. Расплавится ли серебро, если его бросить в
расплавленное железо?
821. Почему весной у реки с плывущими по ней
льдин холоднее, чем вдали от нее?
822. Вода массой 125 кг при 0°С превратилась в лед.
Сколько тепла при этом выделяется?
90
823. Ящик с двойными стенками
, пространство между которыми заполнено льдом. Почему температура внутри такого ледника даже летом не поднимается выше 0°С?
824
в нем есть вода, просто кипит, а в пустом состоянии раскаляется докрасна?
825. Будет ли свинец плавиться, если его довести до температуры плавления
, а затем перестать нагревать?
826. Удельная теплота плавления олова 59кДж/кг.
Что это значит?
827. Во сколько раз больше тепла уходит на плавление
2 кг чугуна, чем на нагревание 2 кг чугуна при 1 °С?
828. Лед массой 3 кг растаял при температуре 0 °С.
Сколько энергии было потрачено на это?
829. Кусок алюминия массой 10 кг, взятый при температуре плавления 660°С, полностью расплавился. Какой
Сколько тепла нужно для этого?
830. На рис. 85 приведен график изменения температуры твердого тела при нагревании.
Определите по этой таблице:
(а) При какой температуре плавится предмет?
б) как долго длился нагрев от 60° до температуры плавления;
в) как долго продолжалась плавка;
г) до какой температуры было нагрето вещество?
жидкое состояние.
Рис. 85
91
831. Зачем измерять наружную температуру
воздуха в холодных районах термометрами со спиртом
вместо ртутного?
832. Расплавится ли олово, если его бросить в расплавленный свинец?
833. Чем выше температура тела накаливания, тем ярче оно светится. Волосы электрических ламп сделаны из
металлы вольфрам, тантал и иридий. Как можно объяснить использование этих металлов для нитей накаливания лампочек?
834. В каком состоянии находится спирт при температуре -120 °С?
835. В каком состоянии находится железо при температуре 1500 °С?
836. Кусок меди весом 4 кг расплавился. Насколько
увеличил свою внутреннюю энергию?
837. Сколько энергии потребуется, чтобы расплавить
свинца массой 10 кг, взятой при температуре плавления?
838. Сколько энергии потребуется, чтобы расплавить свинец массой 10 кг, взятый при начальной температуре 27 °С?
839. Сколько теплоты затрачивается на плавление 1 т железа, взятого при температуре 10 °С?
840. Свинец, 10 см3, взятый при начальной
температуре 20°С, полностью расплавился. Сколько тепла было использовано при этом?
841. На плавление какого металла, взятого при температуре 20°С, требуется больше энергии: на 1 г
меди или 1 г серебра? На сколько больше?
842. В каком случае больше потребуется
энергии и сколько: чтобы расплавить 1000 кг железа или
1000 кг алюминия, если взять и железо и алюминий
при начальной температуре 10°С?
843. На рис. 86 приведены графики зависимости
температуры от времени для слитка свинца(I) и слитка
олова (II) одинаковой массы. Количество теплоты, полученное каждым телом в единицу времени, одинаково.
Определить по таблице:
92
1) Какой слиток имеет более высокую температуру плавления?
2) Какой металл имеет наибольшую удельную теплоемкость?
3) Какой металл имеет более высокую удельную теплоту плавления?
844. Нагреваются два сосуда: один содержит 0,2 кг
воды при температуре 0°С, в другом — 200 г снега. Будет ли температура в сосудах повышаться с той же скоростью при одинаковой мощности нагревателя? Постройте зависимость температуры каждого сосуда от полученного
количества теплоты.
845. Какое количество теплоты необходимо для превращения 10 кг льда в воду при температуре 0 °С?
846. Какое количество теплоты потребуется для превращения 150 кг льда с температурой -8 °С в воду при
температуре 0 °С?
847. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для
Превращение 20 кг льда при -4 °С в воду при 100 °С.
848. В банке 2 кг воды с температурой
18 °С. Какое количество теплоты отдаст вода охлаждающей смеси, в которую погружена банка, если вся вода в
банке превратится в лед с температурой 0°С?
849. Медный калориметр массой 200 г наполнен 100 г воды при температуре 16 °С. Кусок льда, брошенный в воду при 0°С массой
9,3 г, полностью растаял. Конечная температура воды после этого была установлена на уровне 9°С. Определить
по этим данным, удельную теплоту плавления
льда.
850. Какое количество теплоты потребуется для плавления 1 кг железа, взятого при температуре 20 °С?
93
851. В 5 л воды при температуре 40°С было опущено 3 кг
льда. Сколько льда растает?
852. В калориметр налили 0,2 кг воды при температуре 25 °С. Какова будет температура этой воды, если
растопит 5 г льда?
853. Ледяной калориметр представляет
массивный куб льда, внутри которого выдолблено углубление и закрыто
толстым ледяным покровом (рис. 87). В такой калориметр
была помещена латунная гиря массой 1000 г, нагретая до 100 °С. Сколько граммов льда расплавится в этом калориметре к тому времени, когда гиря
остынет до 0 °С?
854. КПД спиртовки 10%. Сколько нужно спирта, чтобы растопить 1 кг льда при 0°С?
855. Сколько угля потребуется для сжигания в печи,
для плавки 100 тонн чугуна, взятого при температуре
20 °С, если КПД печи 40%?
856. В водопаде высотой 32 м каждую секунду выпадает
3,5 м3 воды. Сколько энергии можно получить за
часа из этого водопада? Сколько угля
нужно сжигать каждый час, чтобы получить такое же количество энергии
?
В
Испарение. Поглощение энергии испарения
жидкостью и ее выделение при конденсации пара.
Кипячение. Удельная теплота парообразования
и конденсации _____________________________
857. Температура воды в открытом сосуде в помещении всегда несколько ниже температуры воздуха.
в комнате. Почему?
858. Почему при испарении температура жидкости уменьшается?
859. Колебание температуры кипения воды в Москве
составляет 2,5 °С (от 98,5 °С до 101 °С). Как можно объяснить такую разницу?
94
860. Выполняется ли закон сохранения энергии при
испарении? при закипании?
861. Если смочите руку эфиром, вам станет холодно.
Почему?
862. Почему суп остывает быстрее, если на него подуть?
863. Отличается ли температура воды в кипящей кастрюле от температуры пара кипятка?
864. Почему кипящая вода перестает кипеть, как
, стоит только снять ее с огня?
865. Удельная теплота конденсации спирта
900 кДж/кг. Что это значит?
866. Сравните внутреннюю энергию 1 кг водяного пара
при 100 °С и 1 кг воды при 100 °С. Что более?
сколько? Почему?
867. Какое количество теплоты необходимо для испарения 1 кг воды при температуре кипения? 1 кг эфира?
868. Какое количество теплоты потребуется для превращения 0,15 кг воды в пар при температуре 100 °С?
869. Что требует больше тепла и по
сколько: нагревание 1 кг воды от 0°С до 100°С или испарение 1 кг воды при температуре 100°С?
870. Какое количество теплоты потребуется для превращения 0,2 кг воды в пар при температуре 100 °С?
871. Какое количество энергии выделится при охлаждении воды массой 4 кг со 100 °С до 0 °С?
872. Сколько энергии потребуется, чтобы
5 литров воды довести до кипения при температуре 0°С, а затем все это выпарить?
873. Какое количество энергии выделит 1 кг пара при
100 °С, если его превратить в воду, а затем полученную воду охладить до 0 °С?
874. Какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы воду массой 7 кг, взятую при температуре 0°С, довести до кипения и затем полностью ее испарить?
875. Сколько энергии надо затратить, чтобы
Превратить 1 кг воды при 20°С в пар при 100°С?
95
876. Определите количество теплоты, необходимое для
превращения 1 кг воды, взятой при 0 °С, в пар при
100 °С.
877. Сколько теплоты выделится при конденсации
100 г водяного пара при температуре 100°С и
при охлаждении образовавшейся воды до 20°С?
878. Удельная теплота испарения воды больше, чем у эфира. Почему эфир, если смочить им руку,
охлаждает сильнее, чем вода в таких случаях?
879. В сосуд, содержащий 30 кг воды при 0 °С, вводят 1,85 кг водяного пара при температуре 100 °С,
, так что температура воды становится
37 °С. Найдите удельную теплоту парообразования воды.
880. Какое количество теплоты необходимо, чтобы
превратить 1 кг льда при 0°С в пар при 100°С?
881. Какое количество теплоты необходимо, чтобы
превратил 5 кг льда при -10°С в пар при 100°С и
затем нагрел пар до 150°С при нормальном давлении?
Удельная теплоемкость водяного пара при постоянном
давлении 2,05 кДж/(кг.°С).
882. Сколько килограммов угля нужно сжечь
, чтобы превратить в пар 100 кг льда, взятого
при 0 °С? КПД печи составляет 70%.
Удельная теплота сгорания угля 29,3 МДж/кг.
883. Для определения удельной теплоты парообразования воды английский ученый Блэк взял некоторое количество воды при 0 °С и нагрел ее до кипения. Дальше
он продолжал нагревать воду, пока она полностью не испарилась.
В то же время Блэк заметил, что для того, чтобы вскипятить всю воду
, потребовалось в 5,33 раза больше времени, чем для нагрева
той же массы воды от 0 °С до 100 °С. Чему равно
опытов Блэка удельная теплота парообразования?
884. Какое количество пара при температуре 100 °С
необходимо превратить в воду, чтобы нагреть железный радиатор массой 10 кг с 10 °С до 90 °С?
885. Какое количество теплоты потребуется для того, чтобы лед
массой 2 кг, взятый при температуре -1 0°С, превратился в
пар при 100 °C?
96
886. Пробирку с эфиром погружают в стакан с водой,
охлажденной до 0°С. Продувая эфир воздухом, эфир испаряется, в результате чего на пробирке образуется ледяная корка. Определить, сколько льда получилось при испарении 125 г эфира (удельная теплота парообразования
эфира 356 кДж/кг).
887. Серпантин полностью вмерз в лед. По змеевику
проходит, охлаждаясь и конденсируясь, 2 кг пара, а вода выходит из змеевика при температуре 0°С. Сколько льда можно растопить таким образом?
888. В калориметр наливают 57,4 г воды при 12 °С. Пар вводят в воду при температуре 100°С. Через некоторое время количество воды в калориметре увеличилось на 1,3 г, а температура воды повысилась до 24,8 °С. Чтобы нагреть пустые
калориметра на 1 °С, требуется 18,27 Дж теплоты. Найдите удельную теплоту парообразования воды.
889. Вода массой 20 кг при температуре 15°С превращается в пар при температуре 100°С. Сколько бензина
необходимо для сгорания в нагревателе, если КПД нагревателя 30%?
890. Из воды, взятой при 10 °С, должно быть получено 15 кг
паров воды при 100 °С. Сколько потребуется для сжигания угля
, если КПД нагревателя 20%?
891. На примусе в медном котле массой 0,2 кг кипятили воду массой 1 кг, взятую при температуре 20°С.
В процессе кипячения выкипело 50 г воды. Сколько в Примусе
сжигается бензина, если КПД Примуса 30%?
Влажность воздуха
892. Почему иногда за самолетом, летящим на большой высоте, образуется белый след (инверсионный след 9трек 0043)?
893. Определить абсолютную влажность воздуха в кладовой объемом 10 м3, если в ней содержится водяной пар
массой 0,12 кг.
4 № 6470 97
894. Через фильтр с сорбентом, поглощающим водяной пар
, было пропущено 5 литров воздуха, после чего масса фильтра увеличилась на 120 мг. Какова абсолютная влажность воздуха?
895. Абсолютная влажность воздуха 10 г/м 3 .
Найти относительную влажность при температуре: 12 °С,
18 °С и 24 °С.
896. Относительная влажность в помещении f = 60%,
температура 16 °С. До какой температуры следует охладить
блестящий металлический предмет, чтобы на его поверхности появилась роса?
897. Сухой термометр показывает 20°С, смоченный
15,5°С. Найдите относительную влажность воздуха.
898. При температуре 10°С относительная влажность воздуха
составляет 80%. Как изменится относительная влажность воздуха при повышении температуры до 20°С?
899. В сосуде находится воздух при t = 15 °С; относительная влажность воздуха f = 63%. При осушке воздуха хлористым кальцием вес сосуда уменьшился на
3,243 г. Определить объем сосуда.
900. Чему равна относительная влажность воздуха в классе
, если температура в помещении 20°С и абсолютная влажность 10 г/м 3 ?
901. Чему равна абсолютная влажность воздуха при температуре 15°С, если относительная влажность воздуха 80%.
902. Найти относительную влажность воздуха
при температуре 10 °С, если давление водяного пара в воздухе
равно 0,9 кПа.
903. Давление водяного пара в воздухе 0,9ш Работа газа и пара при расширении.
Двигатель внутреннего сгорания.
I Паровая турбина. КПД тепловой машины
907. Газ, расширяясь, охлаждается. Почему?
908. Когда внутренняя энергия газа в цилиндре двигателя внутреннего сгорания больше: после выброса
искры или ближе к концу такта?
909. Какое количество теплоты выделилось при торможении до полной остановки грузового автомобиля массой 6,27 т,
первоначально двигавшегося со скоростью 57,6 км/ч?
910. Какую работу совершают внешние силы при обработке
железной заготовки массой 300 г, если ее нагреть на 200°С?
911. Деталь точат на токарном станке со скоростью 1,5 м/с. Сила сопротивления равна 8370 Н. Какое
количество теплоты выделится в этом процессе за пять
минут?
912. Учитывая, что вся энергия идет на полезную работу,
найти, сколько энергии в час необходимо тепловой машине мощностью 735 Вт?
913. Считая, что вся тепловая энергия угля превращается в полезную работу, вычислить, сколько
угля в час достаточно для машины мощностью
733 Вт?
914. Нагреватель отдает теплоту за некоторое время
двигатель получает количество теплоты равное 150 кДж, а холодильник получает от тепловой машины за это же время
количество теплоты равное 100 кДж. Определить полезную работу двигателя за это время.
915. Нагреватель в течение некоторого времени отдает тепло
двигателю количество теплоты равное 120 кДж. Тепловая машина совершает полезную работу
30 кДж. Определить КПД тепловой машины.
916. Тепловая машина получает от нагревателя количество теплоты, равное 600 кДж. Какую полезную работу
совершит тепловая машина, если ее КПД равен 30%?
99
917. Нагреватель отдает тепловой двигатель
за 30 мин, количество теплоты равное 460 МДж, а тепловой двигатель
отдает количество теплоты равное 280 МДж.
Определить полезную мощность двигателя.
918. Паровой молот мощностью 367 кВт получает от
нагревателя в час количество теплоты равное 6720 МДж.
Сколько тепла в час получает холодильник?
919. Нагреватель отдает тепловой машине количество теплоты, равное 20 кДж. За это же время тепловой двигатель
отдает холодильнику количество теплоты, равное 15 кДж. Найти работу, совершаемую тепловым двигателем
, и его КПД.
920. Сколько теплоты получила тепловая машина за 1 час, если ее полезная мощность 2 кВт,
и КПД 12%?
921. Полезная мощность механизма 800 Вт, КПД
12%. Какое количество теплоты получает механизм в час?
922. Мопед, едущий со скоростью 20 км/ч, на 100 км
пути расходует 1 кг бензина. КПД его двигателя составляет
22%. Какова полезная мощность двигателя?
923. Определить КПД двигателя внутреннего сгорания
мощностью 36,6 кВт, который сжигает за один
час 10 кг масла.
924. Каков КПД двигателя мощностью 3660 Вт, который
потребляет 1,5 кг бензина в час?
925. Мощность паровой машины 366,5 кВт, КПД
20%. Сколько угля сгорает в паровой топке
вагона в час?
926. Сколько бензина потребляет в час двигатель мощностью 18 300 Вт с КПД 30%?
927. Сколько бензина необходимо в час для двигателя мощностью 29,4 кВт, если КПД
двигателя 33%?
928. Паровая машина мощностью 220 кВт имеет КПД
15%. Сколько угля сгорает в ее топке за 8 часов?
929. Нагреватель за час отдает тепловой машине
количество теплоты, равное 25,2 МДж. Каков КПД двигателя, если его мощность 1,47 кВт?
100
930. Современные паровые машины потребляют
12,57 МДж в час при мощности 735 Вт. Рассчитайте эффективность таких механизмов.
931. Нагреватель отдает паровому молоту на каждые 735 Вт его механической мощности количество теплоты, равное 21,4 МДж в час. Рассчитайте КПД молота и сравните его с КПД механизмов из предыдущих
задания.
932. Тепловая машина мощностью 1500 кВт имеет
КПД 30%. Определить количество теплоты, полученное двигателем
за час.
933. Сколько теплоты получает в течение часа дизельный двигатель мощностью 147 кВт с КПД 34 %?
934. Тепловая машина мощностью 1 кВт имеет КПД
25%. Сколько теплоты в час он получает?
935. Сколько угля в час потребляет тепловая машина с КПД 30% и мощностью
750 Вт?
936. Мощность двигателей океанских лайнеров
29,4 МВт, а их КПД составляет 25%. Сколько масла
израсходует гильза за 5 дней?
937. Бензиновый двигатель мощностью 3660 Вт имеет
КПД, равный 30%. За какое время на этом двигателе работает
стакана (200 г) бензина?
938. Мощность дизельного двигателя 367 кВт, КПД
тридцать%. На сколько дней непрерывной работы такому двигателю хватит запаса масла в 60 тонн?

энергия — удельная теплоемкость

Космонавт в Космос должен поглотить 2400 кДж солнечной энергии в контейнере с точным известный объем воды. Температура воды должна повышаться от от 20°C до 34,5°С. Какое количество воды находится в сосуде?

Поглощенная энергия по воде определяется выражением ниже
Энергия = теплоемкость X температура подъем X массы воды
2 400 000 = 4,18 Дж/г/°C X 14,5°C X масса воды
39,6 кг = масса воды

Нажмите скрыть решение

1 а) 80 мл воды при 17°C до 50°С;

Повышение температуры = 50°С — 17°С = 33°С
масса = 80 грамм
Удельная теплоемкость = 4,18 Дж/г/°C
Требуемая энергия = 4,18 Дж/г/°C X 80 г X 33°C = 11,035 кДж

б) 2,3 литра воды от 34°С до 100°С;

Повышение температуры = 100°С — 34°С = 66°С
масса = 2300 грамм
Удельная теплоемкость = 4,18 Дж/г/°C
Требуемая энергия = 4,18 Дж/г/°C X 2300 г X 66°C = 634,524 кДж

в) 200 г растительного масла от 23°C до 100°C

Повышение температуры = 100°C — 23°С = 77°С
масса = 200 грамм
Удельная теплоемкость = 2,2 Дж/г/°C
Требуемая энергия = 2,2 Дж/г/°C X 200 г X 77°C = 33,88 кДж

Нажмите скрыть решение

3 450 560 Дж энергии поглощает 300 кг воды. Если начальная температура вода 20°C что это конечная температура?

Поглощенная энергия по воде определяется выражением ниже
Энергия = теплоемкость X температура подъем X массы воды
3,450,560 = 4,18 Дж/г/°С X °C X 300 000
3 450,560/4,18/300,00 = изменение температура =2,75

Конечная температура 20°C + 2,75°C = 22,75°C

Нажмите скрыть решение

Арахис массы 2,34 г сжигается в калориметре, содержащем 100 мл воды. Если температура калориметра поднимается с 23,5°C до 27,7°С рассчитать энергосодержание арахиса в джоулях на грамм.

Поглощенная энергия по воде определяется выражением ниже
Энергия = теплоемкость X температура подъем X массы воды
Энергия = 4,18 Дж/г/°C X 4,2 °C X 100 г
Энергия = 1,76 кДж

Энергия/грамм = 1,76/2,34 =750,2 Дж/грамм

Нажмите скрыть решение

При сгорании 0,15 г гептана в бомбовом калориметре, содержащем 1,5 кг воды, температура поднялась от от 22. 000°С до 23.155°С. Определить теплоту, отдаваемую гептаном при сгорания на моль. Это известно как теплота сгорания.

Энергия = теплоемкость X повышение температуры X масса воды
7,242 кДж = 4,18 Дж/г/°С X 1,155°C X 1500
Моль гептана = 0,15 / 102 = 0,0015

Энергия/моль = 4827,9 кДж/моль

Нажмите скрыть решение

Удельная теплоемкость

Вы заметили как некоторые вещества могут поглощать гораздо больше энергии, чем другие раньше повышение их температуры? На жарком летнем солнце ведро с песком станет горячее, чем ведро воды, даже если они оба впитали такое же количество солнечной энергии. Кастрюля с маслом быстрее нагреется над плитой, чем такое же количество воды, помещенной в ту же кастрюлю.

Почему?

Вещества поглощают тепловой энергии в их связях. Когда определенные материалы поглощают энергию, их повышение температуры зависит от их способности запасать тепловую энергию в своих облигациях. Количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1 градус Цельсия известен как удельный вес . теплоемкость этого вещества.

У воды есть один из самых высоких теплоемкостей со значением 4,18 Дж/г/°C. приготовление еды нефть имеет теплоемкость 2,2 Дж/г/°С, а песок имеет теплоемкость 0,48 Дж/г/°С. Водородная связь между молекулами воды придает жидкости высокую удельную теплоемкость.

Как мы используем удельная теплоемкость в наших расчетах?
Давайте попробуем несколько примеров.

1) Рассчитайте требуемую энергию вскипятить 100 мл воды на чашку чая, если начальная температура воды составляет 27,0°С. (Плотность воды 1 г/мл)

Так как плотность воды составляет 0,997 г/мл, при 25 ^o С мы можем округлить его до 1,00 г/мл. Итак, 100 мл воды имеют массу 100 грамм. Изменение температуры (100°С — 27°С) = 73°С. Так как удельная теплоемкость воды составляет 4,18 Дж/г/°C, мы можем рассчитать количество энергии, необходимое для выражение ниже.

Требуемая энергия = 4,18 Дж/г/°С х 100 г х 73°С = 30,514 кДж.

Попробуйте выполнить несколько упражнений.
1) Рассчитайте энергию, необходимую для нагрева
. а) 80 мл воды от 17°C до 50°C;
б) 2,3 литра воды от 34°С до 100°С;
c) 200 г растительного масла от 23°C до 100°C
Растворы

Ан космонавту в космосе нужно поглотить 2400 кДж солнечной энергии в контейнере с точно известным объемом воды. Температура воды необходимо увеличить от 20°C до 34,5°С. Какая сумма воды в емкости?
Решение

3 450 560 Дж энергии поглощает 300 кг воды. Если начальная температура воды 20°C какая конечная температура?
Решение

А арахис массой 2,34 г сжигают в калориметре, содержащем 100 мл воды. Если температура калориметра повысится с 23,5°C до 27,7°С рассчитать энергоемкость арахиса в джоулях на грамм.
Решение

Когда 0,15 г гептана C ₇ H ₁₆ сгорел в бомбовом калориметре, содержащем 1,5 кг воды, температура поднялась от 22.000°С до 23.155°С. Вычислите теплоту, отдаваемую гептаном. при сгорании на моль. Это известно как теплота сгорания.
Решение

Продолжить с еще некоторыми упражнениями на удельную теплоемкость.

Дом

4.

Время и температура: основные переменные кулинарии

Глава 4. Время и температура: основные переменные кулинарии

С ПЕРВОЙ НАСТРОЙКИ ПЕЩЕРНЫХ ЛЮДЕЙ РАЗЖИГАЛИ КОСТРЫ И НАЧАЛИ ЖАРИТЬ ДОБЫЧУ, ЧЕЛОВЕЧЕСТВО НАСЛАЖДАЛОСЬ СОВЕРШЕННО НОВЫМ НАБОР ВКУСОВ В ПИЩЕ . Приготовление пищи – это воздействие тепла на ингредиенты для преобразования их с помощью химических и физических реакций, которые улучшают вкус, снижают вероятность болезней пищевого происхождения и увеличивают Питательная ценность.

С кулинарной точки зрения, чем интереснее и приятнее изменения происходят, когда соединения в пище подвергаются следующим химические реакции:

Белок денатурация

Нативная форма белка представляет собой трехмерная форма (конформация), которую принимает белок, требуется для нормального функционирования. Если эта структура нарушена (обычно под действием тепла или кислоты), говорят, что белок денатурированный. Изменения формы белков также изменить их вкус и текстуру.

Различные белки денатурируют при различных температурах; самый белки в пищевых продуктах денатурируют в диапазоне 120–160°F / 49–71°C. Яйцо белые, например, начинают денатурировать при 141°F / 61°C и превращаются в белый, потому что форма денатурированного белка больше не прозрачным для видимого света. В мясе белок миозин начинает денатурировать при температуре около 122°F / 50°C; другой белок, актин , начинает денатурировать около 150°F / 65,5°C. Большинство людей предпочитают мясо, приготовленное таким образом, миозин денатурируется, сохраняя нативный актин.

Реакция Майяра

Реакция Майяра — это реакция подрумянивания, при которой продукты ароматный и аппетитный аромат. Обычно вызывается жарой, это происходит, когда аминокислота и некоторые виды сахаров расщепляются и затем рекомбинировать в сотни различных типов соединений. Точный побочные продукты и возникающие в результате запахи зависят от присутствующих аминокислот в готовящейся пище, а в качестве примера представьте насыщенный запах хрустящей корочки на жареной курице.

Для кулинарных целей реакция обычно становится заметно около 310°F / 154°C, хотя скорость реакции зависит на pH, химические реагенты в пище и количество времени в любой заданная температура. Многие виды мяса жарятся при температуре 325°F или выше. 160°С — при более низких температурах реакция Майяра почти не протекает. имеет место.

Карамелизация

Карамелизация является результатом распада сахаров, которая, как и реакция Майяра, генерирует сотни соединений что вкусно пахнет. Чистая сахароза (вид сахара в гранулированных сахар) карамелизуется при температуре от 160 до 204 °C / 320–400 °F, причем только средний диапазон 356–370°F / 180–188°C, генерирующий богатые вкусы.

В выпечке те продукты, которые выпекаются при 375°F / 190°C обычно имеют заметно подрумяненный внешний вид, в то время как те, которые выпекаются при или ниже 350°F / 175°C остаются более светлыми.

«Отлично, — подумаете вы, — но как знать все это? на самом деле помочь мне готовить?

Вы можете сказать, что что-то готово, по пониманию того, что реакции, которые вы хотите вызвать, а затем определить, когда эти реакции произошел. Готовить стейк? Проверьте внутреннюю температуру с помощью термометр; как только она достигнет 140°F / 60°C, белки миозина будут начали денатурировать. Выпечка хрустящего шоколадного печенья при 375°F / 190°С? Откройте глаза и держите нос онлайн; печенье будет примерно делается, когда они начинают становиться коричневыми, и вы можете почувствовать запах происходит карамелизация. Действительно, это так просто. Еда «готова», когда они достигают определенного состояния, как только они претерпели желаемое химические реакции. Как только реакция наступила, хлопайте едой. вне; приготовление закончено.

Примечание

Небольшая, но важная деталь: как мы обсудим в другом месте, белки не денатурируют одновременно при заданной температуре. Денатурация – это функция продолжительности выдержки при данной температуре. И здесь много разных типов белков в разных продуктах, каждый со своим скорость отклика температура/время.

Запах, осязание, зрение, звук, вкус: научитесь использовать все свои чувства в кулинарии. Мясо, приготовленное до состояния средней прожарки, т.е. который миозин денатурировал, а актин еще не денатурировал, будет чувствовать себя тверже а также заметно уменьшаться. Булькающий звук соуса, который варится и уменьшенный будут звучать по-другому, когда вода в основном испарится, так как пузырьки, проталкивающиеся через более густую жидкость, будут иметь другой звук. Хлебная корка, достигшая температуры, при которой Происходят реакции Майяра и карамелизация, пахнет чудесно, а вы увидите, как цвет сместится к золотисто-коричневому. Кроме того, это также означает, что корочка хлеба должна достичь температуры 310°F / 155 ° C, прежде чем он начнет становиться коричневым, что вы можете проверить с помощью ИК-спектрометра. термометр. (Хлебная мука содержит как белки, так и сахара, поэтому оба во время выпечки происходят карамелизация и реакции Майяра.)

В этой главе показано, когда и как происходят эти изменения, чтобы вы можно спокойно сказать: «Готово!» Мы начнем с рассмотрения различия между распространенными источниками тепла при приготовлении пищи и тем, как различия в типе тепла и температурах влияют на приготовление пищи. С одного одной из основных причин приготовления пищи является снижение вероятности пищевого отравления болезни, мы также обсудим ключевые вопросы безопасности пищевых продуктов, в том числе посмотрите, как бороться с бактериальным загрязнением и паразитами, а также несколько примеров рецептов для демонстрации принципов безопасности пищевых продуктов. в оставшейся части главы будет рассмотрен ряд ключевых температурных точек, начиная с самых холодных и заканчивая самыми горячими, обсуждая важность каждой температурной точки и примеры рецептов для проиллюстрируйте реакции, протекающие при каждой из этих температур.

Как и большинство рецептов в этой книге, рецепты здесь компоненты , не обязательно целые блюда или блюда к себе. Создавайте свои собственные комбинации, как вам нравится! Обычно это проще взять каждый из компонентов в блюдо и приготовить их отдельно: овощи в одной кастрюле, мясо или белки в другой и крахмалы в третьей. Это позволяет изолировать переменные для каждого компонента, а затем комбинировать их в конце. Баклажаны с пармезаном могут быть вашим любимым блюдом, но если вы новичок в кулинарии, вероятно, это не лучшее место для начала обучения о происходящих реакциях.

Наконец, кулинария и выпечка разделяют аксиому с кодированием и продуктом. разработка: это делается тогда, когда это делается, а не тогда, когда срабатывает таймер. Один из лучший совет, который я могу предложить для улучшения ваших навыков на кухне, это «откалибровать» себя: предположить, если что-то сделано, а затем проверить, обращая внимание на то, что ваши чувства, особенно обоняние и зрение, замечают в процесс.

Примечание

Таймеры — отличные помощники, напоминающие о необходимости проверить блюдо и хорошая подстраховка на случай, если вы, как я, рассеянно заблудитесь время от времени. Но таймеры — это всего лишь прокси для мониторинга лежащих в их основе реакции. Учитывая филе рыбы, которое делается, когда его внутренняя температура достигает 140°F / 60°C — что может занять около 10 минут — первичный переменная это температура, а не время. Если рыба медленно нагревается, независимо от того, сработает ли таймер на 10-минутной отметке, это не будет сделано еще. Не сбивать таймеры полностью: это отличный инструмент, особенно в выпечке, где переменные гораздо лучше контролируются и, следовательно, время, необходимое для приготовления, может быть указано более точно. Но не будь раб таймера.

Приготовление = Время

_* Температура

Поскольку основные химические реакции при приготовлении пищи вызвано теплом, давайте посмотрим на график температур в только что описанные реакции начинают протекать вместе с температуры, которые мы обычно используем для нагрева пищи:

Есть несколько общих моментов, на которые следует обратить внимание в отношении этих распространенных температуры при приготовлении пищи. Во-первых, обратите внимание, что реакции потемнения (реакции Майяра и карамелизация) происходят значительно выше точки кипения. точка воды. Если вы готовите что-то, кипятя это в кастрюле с воды или тушения в жидкости, нельзя при высокотемпературных реакциях произойти, потому что температура не может подняться намного выше 216 ° F / 102 ° C, температура кипения умеренно подсоленной воды. Если вы готовите тушеное мясо, такое как в рецепте простого рагу из говядины в главе 2 (Простое тушеное мясо говядины), обжарьте мясо и карамелизируйте лук. отдельно перед добавлением их в рагу. Таким образом, вы получите богатые, сложные ароматы, генерируемые этими реакциями подрумянивания в блюдо. Если бы вы тушили только сырые продукты, вы бы никогда не получили эти продукты. высокотемпературные реакции.

На графике температуры следует обратить внимание на тот факт, что что белки денатурируют в относительно узких диапазонах температур. Когда мы готовить, мы специально нагреваем пищу, чтобы вызвать эти химические и физические реакции. Дело не столько в температуре духовке, гриле или любой другой среде, в которой вы готовите, но температура самого пищевого продукта.

Итак, мы подошли к нашему первому крупному ага! момент: самая важная переменная в кулинарии это температура самой пищи, а не температура среда, в которой он готовится. При приготовлении стейка на гриле Температура гриля определяет, сколько времени потребуется стейку для приготовления. подойдите к температуре, но в конце концов, что вы действительно хотите контролировать конечную температуру стейка, чтобы вызвать химические реакции. Чтобы этот стейк был прожарен как минимум до средней прожарки, нужно разогреть мясо так, чтобы само мясо было при температуре около 135°F / 57°C.

Теплопередача и прожарка

Идея в том, что стейк можно просто приготовить любым старинным способом пока он не достигнет 135 ° F / 57 ° C, звучит слишком просто, поэтому, безусловно, должно быть улов. Есть несколько.

Во-первых, важно то, как вы нагреваете кусок пищи. А много. Очевидно, что центр стейка нагреется до 135°F / 57°C быстрее, если помещают на гриль при 650°F / 343°C, чем в печь при 375°F / 190°C. Чем горячее среда, тем быстрее будет нагреваться масса, тем самым Эмпирическое правило: «приготовление = время * температура». Учитывайте внутреннюю температуры стейка, приготовленного двумя способами, на гриле и жареный в духовке:

Приготовление стейка на гриле занимает меньше времени, чем в духовке, потому что энергия передается быстрее в более горячей среде гриль. Обратите внимание, что допустимая погрешность при снятии мяса с гриль меньше, чем вытаскивание мяса из духовки, потому что наклон кривой круче. То есть, если т ¹ идеальное время на котором вытащить стейк, оставив его для t ¹ +2 минуты будет позволяют температуре стейка на гриле превысить намного больше, чем один приготовленный в духовке.

Конечно, это упрощение: на графике показаны только температура в центре массы, не считая «небольшой» детализация температуры остального мяса. (так же нет учитывать такие вещи, как скорость теплопередачи внутри пищи, воды в кипячение мяса или точки, где белки в мясе подвергаются фазовые переходы и поглощают энергию без изменения температуры.)

Еще одна вещь, которую следует понимать в отношении теплопередачи, это то, что она не линейный. Приготовление при более высокой температуре , а не нравится нажимать на педаль, чтобы быстрее добраться до офиса, куда в два раза быстрее доставят вас туда в два раза быстрее. Конечно, погорячее среда для приготовления пищи, такая как гриль, будет нагревать внешние части стейк быстрее, чем в относительно более прохладной среде, такой как духовка. Но более горячая среда будет продолжать нагревать внешние части тела. стейк до того, как центр будет готов, в результате чего внешний слой будет пережарен. порция по сравнению со стейком того же размера, приготовленным в духовке до того же уровень внутренней прожарки.

В чем привлекательность приготовления пищи на горячем гриле? За правильный кусок мяса, вы можете оставить большую часть в центре ниже точки, при которой белки становятся жесткими и сухими (около 170°F/ 77°C), в то время как внешняя часть нагревается выше 310°F / 154°C, что позволяет для протекания большого количества реакций Майяра. то есть гриль помогает придать внешней стороне стейка приятный коричневый цвет и все чудесные запахи, которые являются отличительной чертой приготовления на гриле, ароматы, которые являются результате реакции Майяра. Внешняя часть жареного мяса будет также имеют больше побочных продуктов реакции Майяра, что приводит к более богатый вкус.

Жонглирование временем и температурой — это баланс между достижение некоторых реакций в одних порциях мяса и других реакции в других частях мяса. Если ты похож на меня, твой идеал кусок красного мяса готовится так, что температура внешней корочки превышает 310°F / 155°C, а температура остального мяса чуть выше 135°F / 57°C. как можно меньше мяса между коркой и центром выше 135°F / 57°C. Современную технику приготовления пищи sous vide можно используется для достижения этого эффекта; мы рассмотрим это в главе 7.

Температурные градиенты

Это уравновешивание — приготовление середины без переваривание снаружи — связано со скоростью, с которой тепловая энергия переносится на сердцевину пищи. Поскольку при приготовлении пищи нагревается продукты снаружи внутрь, внешние порции нагреваются быстрее, и потому что мы хотим убедиться, что вся пища, по крайней мере, выше минимальная температура, снаружи технически будет переварено время прибытия центра. Эта разница температур от от центра к внешним краям пищи называется градиент температуры .

Примечание

Выберите способ приготовления в соответствии со свойствами еда, которую вы готовите. Небольшие продукты — бифштекс, рыбное филе, гамбургеры — хорошо работают при высоких температурах. Крупные продукты — жаркое целиком птицы, мясной рулет — лучше при умеренных температурах.

Все части стейка в нашем примере не собираются достигают температуры одновременно. Потому что гриль-среда жарче, чем в духовках, дельта температур между окружающей средой и пища больше, поэтому продукты, приготовленные на гриле, нагреваются больше быстро и имеют более крутой температурный градиент.

Перенос

Перенос при приготовлении пищи относится к явление продолжающегося приготовления после того, как пища удалена из источник тепла. Хотя это, кажется, нарушает целую кучу законов термодинамики, это на самом деле просто: внешняя часть только что приготовленная пища горячее, чем ее центральная часть, поэтому внешняя часть передаст часть своего тепла в центр. Вы можете думайте об этом, как о наливании горячего соуса помадки поверх мороженого: даже хотя в систему не добавляется внешнее тепло, лед сливки тают, потому что горячая помадка повышает свою температуру.

Величина переходящего остатка зависит от массы продукта и тепловой градиент, но, как правило, я нахожу перенос для небольших блюда на гриле часто составляет около 5 ° F / 3 ° C. При приготовлении стейка или другое «цельномышечное» мясо, потяните его, когда оно зафиксирует несколько градусов ниже в его ядре, чем ваша целевая температура, и дайте ему отдохнуть в течение несколько минут, чтобы тепло выровнялось.

Примечание

Чтобы увидеть, как это работает, попробуйте использовать кухонный термометр. регистрировать температуру стейка после извлечения его из гриль, как только он достигнет 140 ° F / 60 ° C, записывая данные через 30 секунд. интервалы. Вы должны увидеть пик внутренней температуры около 145°F / 63°C через три минуты периода отдыха в течение небольшого стейк.

Методы передачи тепла

Существует три метода передачи тепла в пищу: теплопроводность, конвекция и излучение. При этом метод нагрева не изменяет температуру, при которой происходят химические реакции, т. скорость теплопередачи у них разная, а это означает, что длина времени, необходимого для приготовления одинаковых стейков каждым способом, будет другой. В таблице ниже показаны распространенные методы приготовления пищи, нарушенные из их основных средств теплопередачи.

Теплопроводность

Теплопроводность — самый простой для понимания тип теплопередачи. потому что это самое распространенное: это то, что вы испытываете всякий раз, когда вы прикоснуться к холодной столешнице или взять теплую чашку кофе. В кулинарии, те методы, которые передают тепло путем прямого контакта между пищевыми продуктами и горячий материал, такой как раскаленный металл сковороды, является проводником методы. Бросить стейк на горячую чугунную сковороду, например, приводит к передаче тепловой энергии от сковороды к более холодный стейк, так как соседние молекулы распределяют кинетическую энергию чтобы выровнять разницу температур. Подробнее о теплопроводность, см. раздел «Металлы, кастрюли и горячие точки» в главе 2.

Конвекция

Конвекционные методы передачи тепла — запекание, жарение, кипячение, пропаривание — все они работают, циркулируя горячий материал против холодный, в результате чего два материала подвергаются проводимости к передавать тепло. При выпечке и жарке горячий воздух духовки передает тепло; при кипячении и испарении вода делает это.

Те методы нагревания, в которых используется вода, называются влажным нагреванием. методы; все остальные относятся к категории сухого тепла. Один крупный Разница между этими двумя категориями в том, что мокрые методы не достичь температур, необходимых для реакций Майяра или карамелизация (за исключением варки под давлением, которая не нагреться до температуры, оставаясь влажным). Ароматный соединения, полученные в результате реакции Майяра при приготовлении на гриле или в духовке. продуктов не будет в тушеных и тушеных продуктах: морковь на пару, например, не подвергается карамелизации, оставляя пищу с более тонкий вкус. Брюссельскую капусту обычно варят и широко ненавидел. В следующий раз, когда будете их готовить, разрежьте на четыре части и смажьте оливковым маслом. и посыпать солью, и готовить их под жаровней, установленной на средний.

Примечание

Вода является важным материалом для приготовления пищи, и не только для его теплообменные свойства. Рисоварки работают, замечая, когда температура поднимается выше 212°F / 100°C. В этот момент есть воды не осталось, поэтому они отключились.

Еще одно ключевое различие между большинством сухих и влажных методов является более высокая скорость теплопередачи, характерная для мокрых методов. Вода проводит тепло примерно в 23 раза быстрее, чем воздух. коэффициент теплопроводности 0,026, у оливкового масла 0,17, а воды — 0,61), поэтому яйца, сваренные вкрутую, заканчиваются быстрее. влажной среде даже при более низкой температуре.

Примечание

Попробуйте! Готовьте одно яйцо в течение 30 минут в духовке при температуре 325°F / 165°C. и еще один в течение 10 минут на водяной бане с температурой 212°F / 100°C. Тебе нужно оставить яйцо в духовке на 20 минут дольше, чтобы получить то же самое полученные результаты.

Единственным исключением из правила «влажный – быстрее, чем сухой» является фритюр. жарить. Масло технически сухое (влажности нет), но для кулинарных целей действует как вода: имеет высокий показатель теплопередачи с дополнительным преимуществом в том, что он достаточно горячий, чтобы запускают большое количество реакций карамелизации и Майяра. (Ммм, пончики!)

Мокрые методы имеют свои недостатки (в т.ч. в зависимости от желаемый результат, отсутствие вышеупомянутых химических реакций). В то время как более тонкие ароматы, достигаемые без реакций потемнения, могут быть желательно, как в нежно приготовленном куске рыбы, тоже много проще переварить продукты влажными способами. При приготовлении мяса необходимо горячая жидкость, взаимодействующая с ним, может быстро поднять его температуру выше 160°F / 71°C, точка, в которой значительный процент актиновых белков в мясо денатурируется, придавая мясу жесткую сухую текстуру. За куски мяса с большим количеством жира и коллагена (например, ребра, рульки или птичьи ножки), это не такая большая проблема, потому что жиры и коллаген (превращающийся в желатин) маскируют прочность, обусловленная денатурированным актином. Но для более худых сокращений мяса, особенно рыбы и птицы, следите за тем, чтобы мясо сильно не греется! Хитрость для этих видов мяса с низким содержанием коллагена заключается в том, чтобы ваши жидкости медленно кипели, около 160 ° F / 71 ° C, и свести к минимуму время, которое мясо проводит в жидкости.

Примечание

Даже вода в своей газообразной форме — пар — может создать настоящую термальную ударить кулаком. Хотя он никуда не проводит тепло так быстро, как вода в жидком виде, пар выделяет большое количество тепла из-за фазового перехода из газа в жидкость, что-то вроде воздуха при той же температуре не работает. Когда пар входит при контакте с более холодной пищей он конденсируется, выделяя 540 калорий (не путать с «пищевыми калориями», которые технически килокалорий) энергии на грамм воды, в результате чего пища нагреваются намного быстрее (1 калория повышает температуру 1 г воды на 1°С).

Овощи, приготовленные на пару, например, готовят быстро не только потому что они находятся в среде с температурой 212°F / 100°C, но также и потому, что водяной пар, конденсирующийся на поверхности пищи, оказывает сильное энергия. Читос, как и большинство «экструдированных ломких пенопластов», которые мы едим, приобретают их затяжка, выбрасываемая под давлением и теплом, что вызывает их на «паровую затяжку». (Думайте об этом как о промышленной версии приготовление попкорна.) В паре много энергии. Для этого причина, когда выливая кипяток через дуршлаг над раковиной, надо обязательно от себя отлить, чтобы пар облако (и любая разбрызганная жидкость) не конденсируется на вашем лицо!

Излучение

Лучистые методы теплопередачи передают энергию в виде электромагнитная энергия, обычно микроволны или инфракрасное излучение. Тепло, которое вы чувствуете, когда солнечный свет попадает на вашу кожу, сияет нагревать.

При приготовлении пищи только методы лучистого тепла энергия, прилагаемая к еде, может либо отражаться, либо усваивается пищей. Вы можете использовать это отражающее свойство, чтобы перенаправлять энергию от частей того, что вы готовите. Один техника выпечки формочек для пирога, например, включает в себя класть фольгу по краю, чтобы предотвратить пережаривание внешнего кольца корочки. Точно так же, если вы жарите что-то, например курицу, и частично мясо начинает подгорать, можно положить небольшой кусочек алюминиевой фольги прямо поверх этой части мяса. Это может быть взлом, но в крайнем случае это достойный способ избежать горящая часть тарелки, и никто, кроме тебя, меня и всех остальных кто читает эту книгу, тот когда-нибудь узнает.

Комбинации тепла

Различные методы нагрева пищи различаются по иные пути, чем просто механизмы теплопередачи. В обжарке при выпечке мы подаем тепло со всех сторон, а при обжаривании и обжаривание подается только с одной стороны. Вот почему мы переворачиваем блины (плита, тепло снизу), но не лепешки (духовка, тепло снизу) все направления). Одна и та же еда может оказаться совершенно разной в различные тепловые условия. Тесто для блинов (проведение через плита) аналогична таковой для кексов (конвекция через выпечку) и вафли (проводимость), но конечный результат сильно отличается.

Чтобы еще больше усложнить ситуацию, большинство способов приготовления пищи фактически комбинации различных видов теплопередачи. жарить, например, в первую очередь нагревает пищу за счет теплового излучения, но окружающий воздух в духовке также нагревается при соприкосновении с со стенками духовки, затем вступает в контакт с продуктами и обеспечивает дополнительное тепло посредством конвекции. Так же и выпечка в основном конвекция (через горячий воздух), но также и некоторое количество излучения (от горячих стен печи). «Конвекционные печи» — это не что иное, как нормальные печи с вентилятором внутри, чтобы помочь воздуху перемещаться больше быстро. Все печи по определению являются конвекционными печами. ощущение, что тепло передается движением горячего воздуха. Добавление вентилятор просто перемещает воздух быстрее, что приводит к более высокой температуре разница на поверхности (холодной) пищи, которую вы готовите.

Для новичка на кухне работа с комбинациями тепла может будет неприятно, но по мере получения опыта с разной жарой источников и понять, чем они отличаются, вы сможете переключайте методы в середине приготовления, чтобы изменить способ приготовления продукта нагрев. Например, если вам нравится лазанья так же, как и мне — подрумяненная теплая в середине и с восхитительно подрумяненной верхушкой — середина нуждается чтобы нагреться настолько, чтобы расплавить сыр и позволить вкусам соединиться, в то время как верх должен быть достаточно горячим, чтобы подрумяниться. Сама выпечка не поможет генерировать большую часть поджаренного верха, а жарка не даст теплого центр. Тем не менее, выпекание до тех пор, пока оно почти не будет готово, а затем переключение на бройлер достигает обоих результатов.

Примечание

Приготовление полуфабрикатов с комбинацией нагревать тоже, готовя некоторые продукты в горячей духовке, одновременно поражая их микроволнами и инфракрасным излучением, чтобы приготовить их быстро.

При приготовлении пищи, если что-то не получается ожидайте — в одном месте слишком жарко, в другом слишком холодно — проверьте, не переход на другую технику приготовления может дать вам результаты ты хочешь.

Если вы опытный повар, попробуйте сменить источник тепла в качестве способ создать для себя вызов: адаптируйте рецепт к использованию другой источник тепла. В некоторых случаях адаптация уже распространено — тесто для блинов, обжаренное во фритюре, очень похоже на воронку торты. Но попробуйте продвинуться дальше. Яйца, приготовленные поверх риса в рисоварка? Шоколадное печенье, приготовленное в вафельнице? Рыбы варить в посудомойке? (См. Приготовление пищи в… посудомоечной машине?.) Почему нет?

Это может быть необычно, но тепло есть тепло. Конечно разные источники энергии теплопередачи с разной скоростью, а некоторые лучше подходит для перехода начального температурного градиента (край в центр) продуктов до целевого температурного градиента. Но есть неизменно достаточно похожие источники тепла, которые стоит попробовать. И ты можешь продвиньтесь довольно далеко: поджарьте яйцо на своем процессоре или приготовьте бобы и колбаса на блоке двигателя, как это делают некоторые дальнобойщики! В качестве способ вырваться из колеи — или просто поиграть — весело пытаться.

Болезни пищевого происхождения и обеспечение безопасности

^[3]

Американское снабжение продовольствием является одним из наиболее и взаимозависимых в мире. Пока я это пишу, я ем свой утренняя тарелка хлопьев, йогурт, бананы и миндаль. Хлопья мюсли из Швейцарии, йогурт из Новой Англии, бананы из Коста-Рика и миндаль из Калифорнии. Единственное направление от какая еда не прибыла на 3000 миль на север, и это, вероятно, только потому что на северном полюсе мало что растет!

Поскольку наша продовольственная система стала более взаимосвязанной, количество людей, на которых может повлиять ошибка в обращении с едой, также вырос. Сегодня одна неудачная порция воды попала на поле шпинат может вызвать отвращение у сотен американских потребителей, потому что этот урожай может транспортироваться за тысячи миль и пробиться во множество блюд до того, как загрязнение будет замечено.

Аккуратное обращение с пищевыми продуктами — обратите внимание на то, что было вымыто в в случае продуктов и приготовленных в случае мяса, и быть осторожным, чтобы избегать перекрестного заражения — это один из самых простых способов сохранить себя здоровый.

Бактерии, вызывающие распространенные заболевания пищевого происхождения, начинают размножаться выше 40°F / 4,4°C. Стандартное правило безопасности пищевых продуктов, установленное FDA для смягчения болезней пищевого происхождения от бактерий утверждает, что пищу нельзя хранить при температуре ниже 40°F / 4,4°C и 140°F / 60°C в течение более двух часов . Ниже 40°F / 4,4°C, бактерии остаются жизнеспособными, но не имеют возможности размножаться до достаточное количество, чтобы беспокоить нас. Выше 140°F / 60°C бактерии долго не выдержит. (Бактериальные споры, однако, могут.)

Это называется «правилом опасной зоны». представьте себе, огромное упрощение того, что на самом деле происходит в бактериальный мир. Тем не менее, как простое правило безопасности, на самом деле нет причин нарушать его, потому что мало блюд, которые я могу придумать на самом деле нужно нарушить его, чтобы сделать.

Примечание

Для тех рецептов, в которых указано мариновать мясо при комнатной температуре: не! Пусть маринуется в холодильнике.

Имейте в виду, что здесь важно общее время. Скажи, что ты купить курицу в магазине, и чтобы она все время была охлажденной до того, как вы его подняли. Между тем, как вы положили его в корзину и когда вы положите его в холодильник, он будет в более теплой среде, и любое время, когда он находится выше температуры, при которой бактерии начинают размножение увеличит количество бактерий в мясе.

При приготовлении пищи уничтожается большинство бактерий, незначительная (но безопасное) число может выжить даже после приготовления пищи. Учитывая право диапазоне температур, они могут размножаться в небезопасных количествах. При приготовлении пищи сразу же засовывайте остатки в холодильник, а не позволить им сидеть без дела до уборки после еды. Бактериальный уровень все дело в воздействии — количестве времени и скорости умножения на заданная температура.

Примечание

Вот почему следует размораживать большие куски мяса в холодильник на ночь. Оттаивание даже под холодной проточной водой может потребуется слишком много времени, чтобы быть в безопасности, если только ваша холодная вода не опустится ниже 40°F / 4,4°C!

Одна деталь, которую упускает из виду это правило, заключается в том, что некоторые бактерии могут размножаются при более низких температурах. К счастью, большинство бактерий, связанных с болезни пищевого происхождения не размножаются очень быстро при почти низких температурах температуры, но другие типы бактерий. Бактерии, вызывающие порчу, например, счастливы размножаться до отрицательных температур. Это те, из-за которых молоко портится даже при температуре ниже 40 ° F / 4,4 ° C и ломается в таких вещах, как сырая курица, из-за чего сырое мясо портится плохо через несколько дней. Правило опасной зоны касается только общих патологические бактерии, которые не очень быстро размножаются в температура вашего холодильника.

Еще одна область, на которую не обращает внимания правило опасной зоны, — это разная скорость размножения при разных температурах. сальмонелла, например, лучше всего размножается при температуре около 100°F / 37,8°C. Это не похоже бактерии переходят от нулевого размножения при 40°F / 4,4°C к полному размножению режим вечеринки при 41°F / 5°C; это постепенный переход к идеальному разведению температура. Двухчасовое окно дается для наихудшего сценария: что пища хранится при идеальной температуре разведения для самые агрессивные из распространенных бактерий, Бациллы Цереус .

Поскольку в настоящее время кодексы безопасности пищевых продуктов принимаются в штатах уровне, в некоторых штатах до сих пор используется правило опасной зоны «от 40 до 140 для четырех человек». часов», на основании того, что B. cereus приходится на лишь незначительное количество болезней пищевого происхождения и что четырехчасовое воздействие вряд ли будет представлять большой риск. Если у вас сложилось впечатление, что безопасность пищевых продуктов — это вероятностная игра, вы правы. Правила уменьшают коэффициенты до приемлемого уровня. Тем не менее, тот обед, который вы взяли на работу и забыл бросить в холодильник, вероятно, безопасно, учитывая, что общая количество размножения бактерий, вероятно, будет значительно ниже уровня необходимо, чтобы вызвать любой вид болезни пищевого происхождения.

« Но подождите», — можете сказать вы. «А как насчет всей этой еды в кладовой? Почему это не становится «плохим»?» Там являются другими факторами, которые необходимы бактериям для размножения. Аббревиатура FAT TOM обычно используется для описания шести факторов, необходимых для размножение:

F = Пища: Бактерии для размножения нуждаются в белках и углеводах. Нет еда, нет размножения.
A = Кислотность: Бактерии могут выжить только в определенных диапазонах pH. Слишком кислый или основной, а белки в бактериях денатурируют.
T = Температура: Слишком холодно, и бактерии эффективно спят. Слишком жарко и они умирают.
T = Время: У бактерий должно быть достаточно времени, чтобы размножиться до достаточное количество, чтобы сокрушить наши тела.
O = Кислород: Как и в случае с уровнем pH, бактерии будут размножаться, только если присутствует достаточное количество кислорода или, для анаэробных бактерий (например, Clostridium botulinum ), если нет кислорода подарок. Имейте в виду, что вакуумные пакеты не обязательно лишенный кислорода.
M = Влага: Бактерии нуждаются в воде для размножения. Ученые-диетологи используют шкала под названием активность воды , которая является мера свободно доступной воды в материале (от 0 до 1). Бактерии нуждаются в активности воды 0,85 или выше, чтобы умножить.

Причина, по которой многие товары из кладовой являются «стабильными при хранении», либо содержание влаги (крекеры, сухие продукты, такие как бобы и крупы, масла, даже джемы и желе, в которых сахар гигроскопичен и «держится» на вода) или кислотность (маринады, уксусы). Учитывая эти шесть переменных, Вы можете понять, почему некоторые продукты не нуждаются в охлаждении. В случае сомнений, тем не менее, поместите его в холодильник, который вы должны держать на прохладной стороне (34–36°F / 1–2°C).

Примечание

Помните об основах физики. Ставим большую кастрюлю горячего супа в холодильник будет нагревать все содержимое холодильника до тех пор, пока испаритель имеет возможность отводить тепло обратно. Холодильники созданы, чтобы сохранять прохладу, а не охлаждать вещи, поэтому, когда вы хранения большого количества горячей пищи, сначала поместите ее в ледяную баню, чтобы охладите его, а затем перенесите в холодильник, как только он остынет вниз.

Отдельного упоминания заслуживает одна переменная. из-за потенциально фатальных последствий, и это кислород уровень, необходимый для роста бактерий. В частности, анаэробные среды — без кислорода — необходимы для некоторые виды бактерий размножаются. Масло создает анаэробный среде, но сам по себе не обеспечивает влаги для бактерий. расти. Но с добавлением чего-то вроде сырого зубчика чеснока, создается анаэробная среда, а чеснок обеспечивает питание и влага, необходимая для развития анаэробных бактерий при употреблении достаточное время при правильной температуре.

Примечание

Масло, хотя и жидкое, технически сухое, т.к. отсутствие воды.

Зубчик чеснока, хранящийся в масле, может стать идеальным средством для размножения почва для ботулизма, болезни, вызываемой Clostridium ботулинический . А с C. botulinum не производит никакого заметного запаха, мало что может вас насторожить пища кишит бактериями и их токсинами. Токсины, образующиеся C. botulinum гораздо более термостабильны, чем сами бактерии и могут оставаться активными в процессе приготовления пищи. А теперь, чтобы напугать вас бессмысленно, ботулотоксин наиболее остро известное токсическое вещество: доза всего около 250 нанограммов — 1/120 000 вес рисового зернышка — вас убьет.

Примечание

Ботокс производится из ботулинического токсин.

Если вы собираетесь приготовить что-то вроде утиного конфи или домашнего варенья традиционный способ — приготовить его, а затем запечатать для хранения в комнате температура — убедитесь, что вы нагрели пищу достаточно, чтобы стерилизовать ее и что вы избегаете повторного загрязнения его после приготовления и до того, как он запечатанный. На всякий случай поместите его в холодильник и относитесь к нему как к скоропортящемуся. Обратите внимание, что стерилизация означает полное уничтожение любых бактерий, т.к. в отличие от пастеризации, которая уменьшает количество бактерий до «безопасного» уровня для краткосрочное потребление. Стерилизованное молоко можно оставить при комнатной температуре. бессрочно; пастеризованное молоко нельзя.

Есть еще один аспект, который я должен упомянуть в этом кратком руководстве по безопасность пищевых продуктов, и это уравнение риска/последствий. Следуя правила безопасности пищевых продуктов снижают риск заболевания, но не полностью устранить риск. Для большинства из нас последствием заключения большинства болезни пищевого происхождения желудочно-кишечные дистресс — диарея, рвота, мышечные спазмы и тому подобное. Однако для тех, кто находится в зоне риска группа — любой, у кого заболевание пищевого происхождения может привести к дальнейшие осложнения — последствия приступа пищевого отравления может быть намного, намного больше, поэтому приемлемые риски, соответственно, намного ниже. Если вы готовите для кого-то пожилого, очень молодого, беременным или с ослабленным иммунитетом, будьте особенно бдительны в отношении еды вопросы безопасности и пропускать блюда с повышенным риском (например, сырые яйца в Салат «Цезарь», непастеризованные сыры, сомнительное мясо, которое может быть в прошлом срок их действия).

Для получения дополнительной информации о безопасности пищевых продуктов и бактериях, ознакомьтесь с «Книгой вредных насекомых» FDA, доступной онлайн по адресу http://www. fda.gov/Food/FoodSafety/FoodborneIllness/. Кроме того, факультет садоводческих наук Техасского университета A&M ведет хорошую обзорную страницу по адресу http://aggie-horticulture.tamu.edu/extension/poison.html.

Хотя бактерии являются наиболее распространенной и легко поддающейся лечению причиной болезни пищевого происхождения, они не одиноки: вирусы, плесень, токсины и загрязняющие вещества также вызывают беспокойство. Токсины и загрязняющие вещества в первую очередь проблемы для производителей продуктов питания, поэтому как потребитель вы (в основном) не крючок для тех. (Если вы выращиваете овощи сами, проверьте почву на наличие загрязнения.) Помимо правильного приготовления пищи, лучший способ борьбы с бактериями, Плесень и вирусы хорошо моются и избегают перекрестное загрязнение:

Мойте руки! И не обмакивайте дважды одной и той же ложкой, когда дегустация блюда.
Взорвите свои губки (ополосните их и дайте им две минуты на высокая) или еженедельно мойте их в посудомоечной машине. А еще лучше используйте полотенца и дайте им полностью высохнуть между использованиями.
При работе с сырым мясом соблюдайте осторожность, чтобы не использовать полотенце для вытирания рук, которым вы потом вытираетесь после приготовления.
Мойте крышки банок перед их открытием. Консервный нож тоже помойте. Лезвие захватывает пищу, разрезая крышку.

Как предотвратить болезни пищевого происхождения, вызванные бактериями

Сальмонелла: это олицетворение болезней пищевого происхождения. И для хорошая причина. На сальмонеллу приходится целых 30% примерно 1800 смертей от болезней пищевого происхождения в год в США — больше, чем в любой другая причина в этой категории. Идеальная температура для размножения сальмонеллы? Около 100°F / 38°C — близко к температуре тела. Ясно, что мы ему нравимся. И согласно некоторым сообщениям, наиболее вероятная пища, в которой Бактерии в наших современных продуктах питания — это не курица или мясо, а производить. Мойте овощи!

Шансы умереть от болезней пищевого происхождения на самом деле на удивление низким, особенно если учесть внимание средств массовой информации к Это. Но внимание средств массовой информации не является незаслуженным: каждый восьмой из нас заразиться от пищевых продуктов в любой год, и около 1% из них случаев потребуется госпитализация, по данным Центров США по Контроль и профилактика заболеваний (CDC).

Заражение пищевым отравлением — это игра вероятностей: a одна бактерия сальмонеллы вряд ли вызовет проблему, но учитывая несколько десятков клеток, шансы меняются. Кишечная палочка аналогична: для возможности инфекционное заболевание. Некоторые штаммы определенно вредны, O157:H7 — самый опасный. говорил о.

Однако это не всегда «просто несколько» ячеек. Чтобы заразиться листериозом, нужно проглотить около 1000 организмы Listeria monocytogenes , которые имеют тенденцию присутствовать в продуктах животного происхождения и размножается при низких температурах как 34°F / 1°C. К счастью, листериоз не является проблемой для многих из нас, но это может вызвать осложнения для групп риска, особенно беременных женщин, где ребенок в опасности. Вот почему беременным женщинам говорят избегать таких продуктов, как мягкие сыры и сыры с поверхностной зрелостью, салаты из деликатесов, сырое молоко, хот-доги и креветки; чтобы курица была тщательно приготовленный; и быть осторожным с ранее приготовленными готовыми к употреблению еда.

Сальмонелла получает наибольшее внимание в средствах массовой информации для пары причин: он вынослив, то есть способен выжить в окружающей среде в течение более длительного периода времени и при температурах выше большинство других обычных пищевых бактерий могут переносить, и это удивительно распространено, поражая в среднем 1,4 миллиона американцев в год.

Калицивирусы — семейство вирусов, норовирус — лучший известные — в наши дни также привлекают все больше внимания, и вполне заслуженно; они обычно распространяются больным человеком, готовящим пищу для другие. Если вы провели ночь, «молясь фарфору боже» — диарея, рвота, озноб, головная боль — вы, вероятно, можете поблагодарить сальмонелла или норовирус для опыта.

Примечание

Если вы больны, не готовьте для других. Если ты рядом Кто-то болен, мойте руки. Часто.

Теперь обратите внимание, потому что это важно. Salmonella погибает при температуре 136°F / 58°C только при достаточном длительном хранении время. Видя, как ваш термометр регистрирует еще жарче температура, скажем, 140°F / 60°C, не гарантирует, что пища будет без сальмонеллы. Представьте, что вы находитесь в жаркой пустыне: вы можете какое-то время выдержит жару 136°F / 58°C, но если вы подвергаетесь слишком долго, в конце концов вы умрете. То же самое относится и к бактериям, подобным сальмонеллы: при определенной температуре в течение короткого промежутка времени бактерии могут выжить, но при более длительном воздействии они в конце концов умереть.

Сальмонелла на самом деле живет в диапазоне температур от 35 до 117°F / 2–47 ° C в соответствии с «Книгой вредных насекомых» FDA. 136°F / 58°C температура основана на том, что FDA Food Code определяет как более низкую температуру. направляется на пастеризацию.

Вернемся к аналогии с пустыней. Допустим, средний человек может выжить в течение четырех часов при температуре 136 ° F / 58 ° C. Учитывая 100 человек в пустыни, однако это не означает, что все 100 человек будут живы в 3 часов, 59 минут и все внезапно падают замертво через минуту. то же самое относится и к бактериям, которые могут путешествовать на этом курицу, которую вы собираетесь приготовить: белки в бактериях не все самопроизвольно денатурируют при определенной температуре. это вероятность вещь: по мере повышения температуры вероятность молекулярного структура каждого вида белка денатурирует увеличивается. Нет точную температуру, при которой это происходит, например, когда твердое растворяется в жидкости.

Примечание

Говоря о снижении количества бактерий в пищевых продуктах, ученые используют термин log ₁₀ сокращения . Одиночное бревно ₁₀ сокращение — это просто уменьшение количества присутствующих бактерий в 10 раз; сокращение 7 log ₁₀ Уменьшение в 10 000 000 раз. Безопасность пищевых продуктов и инспекция Министерства сельского хозяйства США Подразделение службы (FSIS) отвечает за предоставление руководящих указаний относительно количества сокращений журналов, необходимых для достижения приемлемое количество бактерий. Учитывая, что разные виды мяса имеют разные свойства — разное количество жиров, воды и т. д. — количество логарифмических сокращений, необходимых для уменьшения количества бактерий от потенциальной стартовой суммы до приемлемого числа отличается. На время выдержки для достаточной пастеризации также влияет такие переменные, как гладкость поверхности пищи и ее химический состав (например, уровень нитритов).

Одно важное предостережение по поводу пастеризации: иногда это не сами бактерии, которые являются проблемой, но токсины, которые они производить. Хотя правильное приготовление пищи может безопасно уменьшить бактериальное считать, сами токсины, такие как те, которые производятся B. cereus , может быть термостабильным. Охлаждение мяса есть Поэтому крайне важно предотвратить размножение бактерий в мясная ткань. Помните простое правило пищевой безопасности, упомянутое ранее: избегайте хранения продуктов при температуре от 40°F / 4°C до 140°F / 60°C в течение более двух часов. Сюда входит время, в течение которого требуется, чтобы довести температуру продуктов из холодильника до безопасного горячего температура! Хотя это правда, что правило от 40 до 140°F / от 4 до 60°C на два часа — это сильное упрощение реального умножения нормы бактерий, это простое правило, принятое в пищевой промышленности, и редко есть необходимость обходить его стороной.

Примечание

Кто сказал, что у ученых нет чувства юмора? Попробуйте сказать B. cereus вслух.

При 140°F / 60°C время выдержки 35 минут необходимо для курица жирностью 12 % для достижения 7-логарифмического ₁₀ снижение. У более стройных цыплят время сокращается; куриное мясо 1% жирности требуется 25,2 минуты при 140°F / 60°C. Более длительное время удержания допустимо; это время минимальное. Куриное мясо может быть заражено сальмонеллой по всей ткани. В то время как больных птиц предполагается выбраковывать, это все же возможно для их остаться незамеченными. (Данные с http://www.fsis.usda.gov/OPPDE/rdad/FSISNotices/RTE_Poultry_Tables.pdf .)

«Почему же тогда, — держу пари, вы думаете, — «они» говорят готовить курицу до температуры 165°F / 74°C?» «Они» оказываются замечательные ребята из Центра по контролю и профилактике заболеваний США, и вот что они конкретно говорят:

Вся птица должна быть приготовлена до внутренняя температура 165°F [74°C].
— http://www.cdc.gov/nczved/divisions/dfbmd/diseases/campylobacter/

Почему 165°F / 74°C? Одна из причин заключается в том, что это температура что сальмонелла умирает быстрой смертью. Из принципа «будь проще» перспектива, увидеть 165 ° F / 74 ° C на термометре легко ориентир. Даже если ваш термометр неправильно откалиброван или вы мясо, и его температура достигла только 155°F / 68°C, время пастеризации курицы при этой температуре составляет менее минуту, которую вы, вероятно, превысите. Рекомендуемая температура 165°F / 74°C эффективно удаляет переменную времени, облегчая следуйте правилу (сложнее облажаться).

Поскольку ни одна из бактерий, связанных с болезнями пищевого происхождения может выжить, не говоря уже о размножении, при умеренных температурах, удерживая еда при температуре выше 140°F / 60°C в течение неопределенного времени безопасна. Вот почему суп в ваш местный обеденный прилавок может оставаться горячим в течение всего дня в контейнер с регулируемой температурой и почему горячие буфеты используют паровые бани, чтобы сохранить еда теплая. Хотя вы можете быть озадачены идеей хранения продукты горячие, с точки зрения бактериального контроля, это на самом деле безопаснее чем хранить их в холодильнике: бактерии не могут выжить в жаркая среда, а хранение их в холодильнике, как правило, только замедляет их воспроизведение.

Примечание

Сервировочные ложки, кстати, должны оставаться в пищи, чтобы они тоже оставались при температуре выше 140°F / 60°C. В противном случае, что картофельное пюре, прилипшее к ложке при комнатной температуре, будет быть потенциальным пристанищем для бактерий.

В США FSIS и FDA проводят программы тестирования для следить за питанием. Оба агентства имеют возможность хранить продукты на перерабатывающих заводах, запрашивать добровольный отзыв и напрямую конфисковать товар через суд, если до этого дойдет. Тем не менее, есть много еды проходит через систему, и случаются упущения в протоколе (вероятно, больше, чем мы хотим знать). Большая работа проводится в выявление опасных точек в пищевой системе (HACCP — Hazard Analysis & Critical Control Points), но все равно случаются ошибки. Что за нервная еда выродка, чтобы сделать?

Наиболее распространенным переносчиком болезней пищевого происхождения является поверхностный загрязнение, либо от загрязненной воды, распыляемой на овощи во время выращивания или от фекального загрязнения мяса во время убоя и обработки. Как это влияет на вас при приготовлении пищи? Так как это поверхность большинства продуктов, которая загрязняется, это поверхность что нужно пастеризовать. Обжаривание стейка на сковороде нагревает внешнюю часть намного выше любой температуры, при которой бактерии могут выжить. Аналогичным образом, приготовление на пару овощей полностью нагревает их поверхность.

Примечание

При приготовлении овощей в микроволновой печи используйте посуду с крышка в основном закрыта и с небольшим количеством воды внутри: микроволновка вскипятит воду, а емкость сохранит пар в контакте с овощами.

А как насчет гамбургеров? Ну, они все снаружи, в смысле что поверхностное загрязнение будет измельчено по всему мясу. Промышленность называет такие вещи, как стейк , цельномышечный. неповрежденный мясо, в отличие от мясного фарша. Глядя на рекомендации потребителя по приготовлению пищи, указанные температуры ниже для целые мышцы не повреждены, чем мясной фарш, предположительно потому, что снаружи цельного мышечного отруба будет далеко за пределы пастеризации к тому времени, когда середина доходит до температуры.

Примечание

Для легкого чтения откройте Пищевой кодекс FDA 2009 г. (http://www.fda.gov/Food/FoodSafety/RetailFoodProtection/FoodCode/) и посмотрите раздел 3-401.11: Сырые продукты животного происхождения.

При приготовлении гамбургера Министерство сельского хозяйства США рекомендует нагревать мясо до 160 ° F / 71,1 ° C — достаточно высокая, чтобы убить любые распространенные бактерии, но также высокая достаточно, чтобы актиновые и миозиновые белки денатурировали, что привело к более сухой бургер. Поскольку жиры помогают маскировать сухость мяса, использование говяжьего фарша в котором больше жира, получится бургер с соковыжималкой. Альтернативно, если у вас есть способ приготовить гамбургер при более низкой температуре и затем удерживая его при температуре достаточно долго, чтобы пастеризовать его, вы можете избегайте денатурации актиновых белков при пастеризации мяса. Взгляните на раздел о приготовлении пищи су-вид в разделе «Приготовление пищи су-вид» в главе 7. подробнее об этом.

Обратите внимание, что изменение цвета не является точным показателем Готовность. Миоглобин, оксимиоглобин и метмиоглобин могут начать превращаться серые, начиная примерно с 140 ° F / 60 ° C, и они также могут оставаться розовыми при 160°F / 71°C, если pH равен или около 6,0. Используйте термометр, когда приготовление фарша и птицы!

Как предотвратить болезни пищевого происхождения, вызванные паразитами

местные продуктовые магазины (которые останутся безымянными для защиты виновен) сказать покупателю, что можно использовать лосося, который он продам для приготовления суши. Учитывая, что рыба не была помечена как «ранее замороженный» и что он находился в непосредственном контакте с другой рыбой в этом случае не было никакой реальной гарантии, что он был свободен от вредные паразиты или бактерии, две из самых больших проблем, которые потребители должны управлять безопасностью пищевых продуктов. Что делать покупателю ответ на исчезновение настоящего торговца рыбой?

Во-первых, начните с понимания того, где на самом деле кроются риски. Не вся рыба и мясо имеют одинаковый набор рисков пищевого отравления. патогены. Сальмонелла, например, имеет тенденцию обнаруживаться у наземных животных. и неправильно обработанные овощи, в то время как бактерии, такие как Vibrio vulnificus обнаруживаются у рыб, подвергаются воздействию солоноватых вод приливных лиманов, таких как лосось. Глубоководные рыбы, такие как тунец, вызывают меньше беспокойства. Из-за этих различия, вы должны учитывать источник ваших ингредиентов, когда думать о безопасности пищевых продуктов, сосредоточив внимание на проблемах, которые присутствуют в конкретная еда под рукой.

Что касается сырой и недоваренной рыбы, одной из проблем являются паразиты. Паразиты относятся к рыбе так же, как жуки к овощам: очень часто (если вы съели рыбу, вы съели червей). Но с другой стороны, большинство паразитов в морепродуктах не заражают людей. Однако есть и такие, Anisakis simplex и ленточные черви ( цестоды ), являющиеся двумя паразитами общего беспокойство. A. simplex даст вам абдоминальный боли, возможно, вызовет у вас рвоту и, как правило, плохое самочувствие, и, возможно, вашему доктору потребуется некоторое время, чтобы выяснить это. Это не аппендицит, болезнь Крона, язва желудка и только около 10 случаев диагностируется в год в Соединенных Штатах, шансы ваш док не сталкивался с этим раньше. С другой стороны, люди тупиковый хост для А. симплекс . Бактерии умрет примерно через 10 дней, после чего вы вернетесь к чувствам обычный. (Если у вас не сильная инфекция, в этом случае к операции по их удалению.) Таким образом, ленточные черви остаются основным паразитарное беспокойство у рыб.

Для приготовленных блюд — внутренняя температура 140°F / 60°C — есть небольшой риск от этих паразитов напрямую. Приготовление рыбы также готовит паразит, и хотя мысль о том, чтобы съесть червя, может неаппетитно, если оно мертвое, не о чем беспокоиться, кроме как ментальный фактор. (Просто думайте об этом как о дополнительном белке.)

Конечно, сырые и недоваренные морепродукты — другое дело полностью. Треска, палтус, лосось? Рыба, приготовленная с прожаркой или средней прожаркой? Севиче, сашими, рыба холодного копчения? Все потенциальные хозяева аскарид, ленточные черви и сосальщики. К счастью, как и у большинства животных, паразитов немного. может пережить заморозку.

Примечание

Некоторые паразиты выживают при замораживании. Трихомонады — паразитические микроорганизмы, заражают позвоночных — могут выдерживать такие низкие температуры, как жидкость азот. Ой!

Чтобы FDA признало сырую или недоваренную рыбу безопасной для употребления в пищу, должны быть заморожены в течение определенного периода времени, чтобы убить любых паразитов, которые могут присутствовать:

Пищевой кодекс FDA 2005, раздел 3-402.11: «[B]до обслуживание или продажа в готовом к употреблению виде, в сыром, сыромаринованном, частично приготовленная или маринованная-частично приготовленная рыба должна быть: (1) замороженной и хранить при температуре –20°C (–4°F) или ниже в течение как минимум 168 часов (7 дней) в морозильной камере; [или] (2) Замороженные при –35°C (–31°F) или ниже до твердого состояния и хранить при температуре –35°C (–31°F) или ниже в течение как минимум 15 часов…»

Второй проблемой недоваренной рыбы являются бактерии. Пока заморозка убивает паразитов, но не убивает бактерии; это просто ставит их «на льду.» Исследователи хранят образцы бактерий при температуре –94 °F / –70 °C до сохранить их для изучения в будущем, поэтому даже суперохлаждающая пища не уничтожить бактерии. К счастью, большинство бактерий в рыбе можно проследить до загрязнение поверхности из-за неправильного обращения, т. перекрестное загрязнение с поверхностей, ранее подвергавшихся заражению Предметы.

Примечание

Не кладите приготовленную рыбу или мясо на одну тарелку с сырыми еда! Помимо того, что это потенциально опасно, это просто валовой.

Если в вашем продуктовом магазине продается как сырая рыба, так и рыба сорта «сашими», разница между ними будет в обращении и уходе связаны с вероятностью поверхностного загрязнения, и в большинстве случаев рыба для сашими должна быть предварительно заморожена. FDA не на самом деле определить, что означает «сорт сашими» или «сорт суши», но это прямо заявляет, что рыба не предназначена для полного приготовления перед подачей должны быть заморожены перед подачей на стол.

Если у вас нет доступа к хорошему рыбному рынку или вы не можете найти замороженная рыба, доступная в вашем местном продуктовом магазине, непривлекательна, и вы планируйте подавать недоваренную рыбу, вы можете убить всех присутствующих паразитов в рыбу путем замораживания: убедитесь, что ваш морозильник не менее как –4°F / –20°C, и следуйте правилу FDA о хранении рыбы в замороженном виде. на неделю. Если у вас есть запас жидкого азота вокруг — вы знаете, просто случайно — вы также можете мгновенно заморозить рыбу, что должно привести к лучшей текстуре и сократить время выдержки до меньше суток.

К счастью для любителей устриц, FDA исключает моллюсков, а также некоторых видов тунца и некоторых рыба, выращенная на ферме (те, которых кормят только пищевыми гранулами, которые не содержат живых паразитов) из-за необходимости замораживания.

Ключевые температуры в кулинарии

Большинство обсуждений кулинарии строится вокруг различные методы теплопередачи, перечисленные в начале этой главы. Вместо того чтобы рассматривать источники тепла, оставшаяся часть этой главы посвящена применить другой подход и поговорить о том, какие реакции происходят, когда достигается каждая из критических температур в следующей таблице, кратко касаясь методов приготовления пищи, которые относятся к каждой температуре по мере их появления.

104°F / 40°C и 122°F / 50°C: Белки в рыбе и мясе Начало до денатурации

Скорее всего, вы не особо задумывались о химическом реакции, которые происходят с куском мяса, когда животное его снабжает убит. Основное изменение заключается, грубо говоря, в том, что животное мертво, а это означает, что кровеносная система больше не снабжает кровью мышечная ткань с гликогеном из печени или кислородсодержащим кровь. Без кислорода клетки мышц погибают, а существовавшие ранее гликоген в мышечной ткани рассеивается, вызывая толстую и тонкую миофиламенты в мышцах активируются и связываются друг с другом (что приводит к государство назвало трупное окоченение ).

Где-то через 8-24 часа гликоген запас истощается, и ферменты, естественно присутствующие в мясе, начинают разрушить связи, созданные во время трупного окоченения ( postmortem протеолиз ). Разделка до того, как этот процесс завершится. Конечно, это повлияет на текстуру мяса. Сенсорные панели нашли что куриные грудки срезают с туши до того, как пройдет трупное окоченение имеют более жесткую текстуру, чем мясо, которое дольше остается на кости. И с тех пор время-деньги, массовое мясо забивается, а затем зарезали сразу. (я знал, что был почему жареная целая птица вкуснее!)

Белки в мясе можно разделить на три основные категории: миофибриллярные белки (находятся в мышечной ткани, они позволяют мышцам контракт), стромальные белки (соединительная ткань, в том числе сухожилия, которые обеспечивают структуру) и саркоплазматические белки (например, кровь). Здесь мы поговорим о миофибриллярных белках и сохраним стромальные белки для раздела о коллагене далее в этой главе. (Мы будет полностью игнорировать саркоплазматические белки, потому что понимание их не помогает в приготовлении многих блюд, загустевшие кровью супы в сторону.)

Мышечная ткань в основном состоит лишь из нескольких типов белки, причем миозин и актин являются двумя наиболее важными типами в приготовление еды. Около двух третей белков млекопитающих являются миофибриллярными. белки. Количество актина и миозина различается в зависимости от типа животных и область, край. Рыба, например, состоит примерно в два раза из эти белки, как у млекопитающих.

Постное мясо состоит в основном из воды (65–80%), белка (16–22%) и жира (1,5–13%), с сахарами, такими как гликоген (0,5–1,3%) и минералы (1%) внося лишь незначительное количество массы. Когда дело доходит до приготовления кусок рыбы или мяса, ключ к успеху в том, чтобы понять, как управлять белками и жирами. Хотя жиры могут быть значительным часть массы, ими относительно легко управлять, поскольку они не давать жесткости. Таким образом, белки остаются ключевой переменной в приготовление мяса.

Из белков, присутствующих в мясе, миозин и актин являются наиболее важно с точки зрения кулинарной текстуры. Если взять только один вещь вне этого раздела, пусть это будет: денатурированный миозин = вкуснятина; денатурированный актин = противно. Сухое, переваренное мясо не является жестким из-за недостатка воды внутри мяса; они жесткие, потому что на на микроскопическом уровне белки актина денатурировали и выдавили жидкости в мышечных волокнах. Миозин у рыб начинает заметно денатурация при температуре до 104°F / 40°C; актин денатурирует в около 140°F / 60°C. У наземных животных, которым приходится выживать в тепле средах и тепловых волнах, миозин денатурирует в диапазоне 122–140°F / 50–60°C (в зависимости от времени воздействия, pH и т. д.), в то время как актин денатурирует при температуре около 150–163°F / 66–73°C.

Ученые-пищевики определили эмпирическим путем исследования («общая жевательная работа» и «общее предпочтение текстуры» — мои любимые термины), что оптимальная текстура приготовленного мяса получается, когда их готовят при температуре 140–153°F / 60–67°C, диапазоне, в котором миозин и коллаген денатурирует, а актин остается в нативной форме. В этом диапазоне температур красное мясо имеет розоватый цвет, а соки бег темно-красный.

Текстуру некоторых кусков мяса можно улучшить путем размягчения. Маринады и рассолы химически смягчают мясо, либо ферментативно (примеры включают бромелайн, фермент, обнаруженный в ананаса и зингибаина, содержащегося в свежем имбире) или в качестве растворителя (некоторые белки растворимы в растворах солей). Стейки сухой выдержки давая ферментам, естественным образом присутствующим в мясе, время расщепить строение коллагена и мышечных волокон. Сухое старение повлияет на текстуру по крайней мере, первые семь дней. Сухая выдержка также меняет вкус мяса: менее выдержанная говядина имеет более металлический вкус, более выдержанный вкус азартнее. Что «лучше» — вопрос личных вкусовых предпочтений. (Возможно, некоторые из нас физиологически более чувствительны к металлическим вкуса.) Розничные нарезки обычно имеют возраст от 5 до 7 дней, но некоторые рестораны используют мясо в возрасте от 14 до 21 дня.

Существуют механические методы «смягчающие», которые на самом деле не столько смягчают, сколько маскировка жесткости: например, разрезание мышечных волокон против зерна тонко, как это делается с карпаччо из говядины и лондонским жарким, или буквально перемалывая мясо, как это делается для мяса для гамбургеров. (Немного промышленные переработчики мяса «размягчают» мясо, нарезая его под микроскопом. это делается с помощью очень тонких игл, этот метод называется жаккардовым шитьем.) тепло к мясу «смягчает» их, физически изменяя белки на микроскопическом масштабе: по мере денатурации белков они разрыхляются и развернуться В дополнение к денатурации, при раскручивании вновь экспонированные участки одного белка могут соприкасаться с участками другого белка и образуют связь, позволяющую им связываться друг с другом. Этот процесс называется коагуляция , и при этом обычно происходит при приготовлении пищи, которая включает денатурацию белка, это отдельное явление.

144°F / 62°C: яйца начинают завязываться

Знания о яйцах, пожалуй, больше, чем другие продукты питания, и более одного повара официально оценивали другие в зависимости от их способности — или неспособности — приготовить яйцо. Яйца чудесная еда на кухне — у них есть светлая часть, темная часть, и свяжите кулинарный мир воедино. Используется как в соленых, так и в сладких продукты, они действуют как связующие вещества, скрепляющие мясной рулет и начинку; в качестве разрыхлители в суфле, некоторых пирожных и печенье, например безе; и в качестве эмульгаторов в соусах, таких как майонез и голландский соус. яйца придают структуру заварным кремам и консистенцию мороженого. И все это до сих пор даже не касается их вкуса или простых радостей идеально приготовленное фермерское яйцо. Проще говоря, я не могу думать о другом ингредиент, отсутствие которого остановило бы мою готовку быстрее, чем простое яйцо.

Яичный белок состоит из десятков различных типов белков, и каждый тип белка начинает денатурировать в разное время. температура. В их естественном «родном» состоянии вы можете думать о белки в виде свернутых шариков. Они принимают такую форму, потому что части молекулярной структуры гидрофобный — молекулярная структура атомов, составляющих белок, таковы, что участки белка электромагнитно отталкивается полярным зарядом воды.

Из-за этого отвращения к воде структура белка сворачивается на себя. По мере добавления в систему кинетической энергии – в виде тепловая или механическая энергия (например, взбивание яичных белков) — структура начинает разворачиваться по мере того, как кинетическая энергия превосходит потенциальную. развернутые белки затем запутываются вместе, «зацепляясь» за другие денатурированные белки и коагулируют с образованием связанной структуры. Это почему белок сырого яйца жидкий, но после варки становится твердым. (Что ж, технически сырой яичный белок представляет собой гель, который коагулирует в твердое вещество. вещества при нагревании. Мы перейдем к гелям в главе 6.)

Наиболее термочувствительным белком является овотрансферрин, который начинается денатурировать при температуре около 144°F / 62°C. Другой белок, овальбумин, денатурирует при температуре около 176°F / 80°C. Эти два белка также являются наиболее часто встречается в яичных белках: овотрансферрин составляет 12% белков в яичном белке и овальбумине 54%. Это объясняет разницу между яйцами всмятку и вкрутую («сваренными вкрутую»). Получите это яйцо примерно до 176°F / 80°C в течение достаточного времени, и вуаля, белый жестко приготовленный; однако ниже этой температуры белки овальбумина остаются свернутыми, оставляя большую часть яичного белка в «жидкое состояние.

Примечание

Большинство белков в яичных желтках затвердевают при температуре от 149°F / 65°C и 158°F / 70°C, хотя некоторые затвердевают при более низких температурах.

Белки в пищевых продуктах, таких как яйца, не денатурируют мгновенно, как только они достигают температуры денатурации. Это важная точка. У некоторых новичков в кулинарии есть мысленная модель, которая приготовление яйца или куска мяса похоже на плавление льда куб: весь лед ниже определенной температуры, лед и вода при точка замерзания/плавления и вся вода с температурой выше этой. Из практическая перспектива на кухне, это не совсем неправильно картину, потому что тепло вливается в продукты так быстро, что едва уловимое разница в несколько градусов не очевидна. Но так как тепло переносится в пищу медленнее, тонкости этих химические реакции становятся более заметными. И в отличие от таяния льда куб, где увеличение теплоотдачи в два раза приводит к лед тает в два раза быстрее, приготовление пищи не реагирует на дополнительную энергию линейным образом.

Возможно, вам будет проще думать о разных белков в пищевых продуктах, поскольку они имеют определенные температуры, при которых они денатурировать и попытаться добиться целевой температуры чуть выше температуры белки, которые вы хотите денатурировать. Просто помните: это еще не все кусок мяса или яйца, чем один вид белка или соединительной ткани, и разные белки имеют разные температурные точки, при которых они, вероятно, денатурируют.

Вот несколько примеров приготовления яиц, которые показывают, как принимать преимущества тепловых свойств различных частей яйцо.

Сваренные вкрутую яйца, метод шока и трепета

Идет тихая война пропорций ПК против Mac над идеальным способом приготовления яиц вкрутую. Если вы начнете в холодной воды и доведите воду до кипения с яйцами в них, или вы должны бросить яйца в уже кипящую воду? метод холодного запуска дает яйца, которые вкуснее, в то время как метод кипячения воды дает яйца, которые легче очистить. Но может у вас есть оба?

Думая о тепловом градиенте от оболочки к центру яйцо, было бы логично начинать приготовление яйца в холодной воде приведет к более равномерной прожарке. Дельта между р. центральная и внешняя температуры будут меньше, а это означает, что внешняя часть не будет такой пережаренной, как только центр будет установлен по сравнению с к методу кипячения воды.

Гипотеза легкости снятия кожуры в кипящей воде подход заключается в том, что горячая вода «шокирует» внешнюю часть яйцо. В кулинарии промышленного уровня? Отпаривайте их при давлении более 7,5 фунтов на квадратный дюйм. Атмосферное давление и быстро сбросьте давление в конце приготовление пищи, чтобы расколоть скорлупу. (Хм, интересно, можно ли было бы сделать это в скороварка…) А как же остальные? Что, если мы шокируем снаружи, а потом варить в холодной воде?

Попробуйте. Поместите яйца в быстро кипящую воду. После 30 секунды, перенесите яйца во вторую кастрюлю с холодным краном. воды, довести до кипения, а затем варить. Второй этап приготовления время займет примерно на две минуты меньше, чем при обычном холодном старте подход. Готовить от 8 до 12 минут, в зависимости от степени прожарки. тебе нравятся твои яйца.

Яичница-болтунья за 30 минут

Этот метод включает сверхнизкую температуру, непрерывное перемешивание и зоркий глаз. Я бы не советовала это как повседневный рецепт, потому что это требует времени, чтобы сделать, но после многих лет есть яйца, приятно приготовить их по-новому. Приготовление яйца на очень медленном огне при постоянном помешивании разбивают творога и позволяет готовить яйца до такой степени, что они просто приготовленные, придавая им вкус, который можно описать как сыр или кремообразный. Это действительно удивительно, и хотя мысль о «сыре или яйца, похожие на крем, возможно, не заставят вас мчаться на кухню, это действительно стоит попробовать!

В миску разбить два-три яйца и взбить тщательно соединить белки и желтки. Не добавляйте соль или другие приправы; сделать это только с яйцами. Переложить в сковороду с антипригарным покрытием на горелке, установленной на максимально слабый нагрев.

Непрерывно перемешивайте силиконовой лопаткой, делая «случайные Walk», чтобы ваша лопатка попала во все части кастрюли. И низкая температура означает действительно слабый нагрев: нет необходимости в том, чтобы сковорода нагревалась выше 160°F / 71°C, потому что белков достаточно и в желтках, и в белках денатурация ниже этой температуры, и белки будут плакать часть их вода по мере того, как они становятся горячее. Если ваш источник тепла слишком горячий, потяните кастрюлю с плиты на минуту, чтобы она не перегрелась. Если вы видите образование творога (комков яичницы-болтуньи), ваша сковорода становится слишком жарко.

Продолжайте помешивать, пока яйца не станут похожими на заварной крем последовательность. Когда я засекал время, это заняло около 20 минут, но вы можете достичь этой точки всего за 15 минут или больше половины час.

Яйца-пашот

Вот простой способ приготовить яйца для позднего завтрака или закуски. В чаша индивидуального размера для использования в духовке (в идеале такая, которую вы можете подавать), добавьте:

Создайте углубление в центре ингредиентов, нажав продукты в кольцо вокруг краев чаши. Разбить два яйца в углубление добавьте щепотку соли и немного свежемолотого перца, накройте алюминиевой фольгой и запекайте в предварительно разогретой до 350°F духовке. / 180°C, пока яйцо не схватится, около 25 минут. (Можно использовать зонд термометр настроен на звуковой сигнал при температуре 140 ° F / 60 ° C. ) Попробуйте добавить немного измельченного хлопья красного перца к завтраку или соус шрирача к обеденный вариант.

Пастеризованные яйца

В то время как сальмонелла довольно редко встречается в сырых яйцах, с по оценкам, примерно 1 из 10 000–20 000 яиц, несущих бактерии, это действительно встречается в популяциях кур-несушек Северной Америка. Если вы разбиваете несколько десятков яиц в миску за бранч с омлетом в местном хакерском доме каждую неделю, скажем так есть вероятность, что вы в конечном итоге разобьёте тухлое яйцо. К счастью, это не проблема, если эти яйца правильно приготовлены и перекрестно загрязнены избегают.

Реальный риск сальмонеллеза в яйцах связан с блюдами, которые использовать недоваренные яйца, которые затем подают группам риска (например, младенцы, беременные женщины, пожилые люди или лица с ослабленным иммунитетом люди). Если вы готовите блюдо, содержащее сырые или недоваренные яйца — салат «Цезарь», домашний гоголь-моголь, майонез, сырое тесто для печенья — и хотите подать это блюдо где-нибудь, где может быть риск отдельных лиц, вы можете пастеризовать яйца (при условии, что ваш местный магазин не бывает пастеризованных яиц, но большинство из них этого не делает). Вкус пастеризованных яиц немного отличается, а белки дольше взбиваться в пену, поэтому не ждите, что они будут идентичны их необработанные аналоги.

Так как сальмонелла начинает умирать с заметной скоростью около 136°F / 58°C, а белки яиц не начинают денатурировать до тех пор, пока выше 141°F / 61°C, вы можете пастеризовать яйца, чтобы уменьшить количество сальмонеллы, если она присутствует, до приемлемого уровня путем удерживание яйца при температуре между этими двумя точками. FDA требует 10000-кратного уменьшения (5 log ₁₀ дюймов жаргон пищевой безопасности), чего можно достичь, удерживая яйцо на 141°F / 61°C в течение 3,5 минут (по данным Маргарет МакВильямс). Foods: Экспериментальные перспективы, Пятая издание от Pearson Publishing). У большинства потребителей не будет необходимое оборудование, чтобы сделать это дома, но если у вас есть су см. настройку, как описано в главе 7, ты золотой.

Яйцо, приготовленное на медленном огне за 60 минут

Возвращаясь к нашему предыдущему обсуждению времени и температуры, когда пища остается в окружающей среде достаточно долго, ее температура придет в соответствие с его окружением. Поэтому, если мы погрузим яйца в воде при температуре 145°F / 62,7°C, следует, что белки в белке и желтке, которые денатурируют при этой температуре или ниже будут денатурировать и коагулировать, а те, которые денатурируют выше этого температура не изменится.

Дополнительным преимуществом этого метода является то, что яйцо не может пережарить . «Кулинария» — это, по сути, протекание химических реакций в пище при различных температурные точки, и хранение яйца при температуре 145°F / 62,7°C не запускать любые реакции, которые не происходят до тех пор, пока не будет достигнута более высокая температура. достиг. Это основная концепция приготовления пищи методом sous vide. Что ж подробности о методе sous vide см. в главе 7, так что вы можете заглянуть в эту главу сейчас или сделайте мысленную пометку, чтобы вернуться к этому разделу когда вы доберетесь туда. Чтобы приготовить яйцо, приготовленное по методу су-вид, погрузите яйцо в воде, поддерживаемой при температуре 145°F / 62,7°C в течение одного часа. В качестве вы увидите, приготовление пищи су-вид обладает некоторыми невероятными свойствами, которые значительно упростить правило времени и температуры.

Примечание

Ваш средний, заурядный (или заурядный?) сто лет назад курица откладывала всего 84 яйца в год. На рубеже тысячелетия усовершенствования в разведении и кормлении подтолкнули к этому численность до 292 яиц в год — почти в 3,5 раза больше. И нет, наука еще не выяснила, что появилось раньше.

154°F / 68°C: Коллаген (тип I) Денатураты

Соединительные ткани животных обеспечивают структуру и поддержка мышц и органов в его теле. Вы можете думать о большинстве соединительные ткани — рыхлые фасции и связки между мышцами, а также как и другие структуры, такие как сухожилия и кости, немного похожие на сталь подкрепление: они не сокращаются активно, как мышечная ткань, но они обеспечивают структуру, против которой мышцы могут тянуться и договор.

Примечание

Забавный факт: в зависимости от веса коллаген прочнее, чем стали.

Наиболее распространенным типом белка в соединительной ткани является коллагена, и хотя у животных существует несколько типов коллагена, с кулинарной точки зрения, основное химическое различие между различных типов коллагена является температура, при которой они денатурируют. В кулинарии коллаген проявляется двумя разными способами: либо в виде дискретные фрагменты (например, сухожилия, серебристая кожа) вне мышцы или как сеть, проходящая через мышцу. Независимо от его местоположения, коллаген жесткий (в конце концов, он обеспечивает структуру) и становится приемлемым только при достаточном количестве времени на достаточно высоком уровне температуры.

Легко бороться с коллагеном, который проявляется как дискретный кусочки: избавиться от него, отрезав. Для кусков мяса, имеющих тонкий слой соединительной ткани на них (называется silverskin , предположительно из-за его несколько радужный вид), максимально обрежьте и выбросьте. Отрубы говяжьей вырезки обычно имеют сторону с этим слоем; обрезать как как можно больше перед приготовлением.

Куриные грудки также имеют маленькое, но заметное сухожилие связано с куриной вырезкой. Сырой, это перламутровый белая лента. После варки он превращается в тот маленький белый похожая на резинку штука, которую можно жевать бесконечно, но так и не получить любое удовлетворение от. Как правило, этот тип коллагена легко место, и если вы пропустите его, это легко заметить во время еды и может быть осталось на тарелке.

Однако для другого вида коллагена, обнаруженного в некоторых срезах мясо — коллаген, который образует трехмерную сеть через мышечную ткань — единственный способ удалить его — превратить в желатин с помощью долгого, медленного способы приготовления. В отличие от мышечных белков, которые в кулинарии либо нативные (т. е. такие, какие они есть у животных), денатурированные или гидролизованные состояние — коллаген после гидролиза может переходить в коагулированное (гелеобразное) состояние. Это свойство открывает совершенно новый мир возможностей, ведь желатин дает мясо сочное, нежное и дает причмокивание губами добро.

Коллаген в нативной форме похож на веревку: это линейная молекула, состоящая из трех различных скрученных нитей вместе. Три нити удерживаются вместе слабыми вторичными связями. (а их очень много!) и стабилизируются малым количеством сшивки , которые являются более сильными ковалентными облигации.

Примечание

Ковалентные связи – это связи, в которых электроны атома в одном месте делятся с другим атом.

Нити не только сшиты, но и образуют спиральная структура из-за вторичных связей между различными областями одних и тех же молекул. Вы можете думать об этом как о плетеном веревка, где каждая нить обвивается вокруг двух других прядей. Оно имеет «скручиваться» к нему, потому что внутренняя структура находит свое оптимальное положение место в этой форме.

При определенных условиях — обычно при воздействии тепла или нужные виды кислот — нативная форма коллагена денатурирует, теряя свою линейная структура и раскручивание в беспорядочную кашу. С добавлением достаточного количества тепла, молекулы в структуре будут достаточно вибрировать для преодоления электромагнитной энергии, из-за которой конструкция скручиваться в первую очередь, что приводит к потере его спиральной структуры и денатурация.

Кислоты также могут денатурировать белок коллагена: их химическое свойства обеспечивают необходимое электромагнитное притяжение, чтобы разрушить вторичные связи спиральной структуры. Это только скручивание уходит при денатурации в коллаген; перекрестные связи остаются в место и пряди остаются целыми. В этой форме коллаген подобен резина — это на самом деле резина с точки зрения материаловедения вид — и по этой причине вы найдете его текстуру, ну, резиновый.

Однако при еще большем нагреве или кислоте структура коллагена претерпевает другое преобразование: нити сами рубятся и теряют хребет, и в этот момент у коллагена не осталось настоящей крупномасштабной структуры. Эта реакция называется гидролиз : термический гидролиз в случае тепла, кислотного гидролиза в случае, как вы уже догадались, кислоты. (Считать севиче. См. раздел «Кислоты и основания» в Глава 6 для получения дополнительной информации.)

Коллаген можно разрушить и химически: лизосомальные ферменты будут атаковать структуру и «сломать ковалентную связь». связи» на химическом языке, но это не так полезно знать в кухня.

Примечание

Ради интереса попробуйте замариновать кусок мяса в папайе. содержит фермент папаин, который действует как размягчитель мяса. гидролизующий коллаген.

Одна часть информации, которая имеет решающее значение для понимания в кухня, однако, заключается в том, что гидролиз требует времени. Структура должна буквально раскручиваются и распадаются, а за счет количества необходимой энергии чтобы разорвать связи и связанные с этим стохастические процессы, это реакция занимает больше времени, чем просто денатурация белка.

Гидролизуемый коллаген не только разрушает эластичную текстуру кожи. денатурирует структуру, но также превращает часть ее в желатин. Когда коллаген гидролизуется, он распадается на кусочки разного размера. меньшие из которых способны растворяться в окружающей жидкости, создание желатина. Именно этот желатин придает таким блюдам, как тушеные бычий хвост, короткие ребрышки, приготовленные на медленном огне, и утиное конфи ощущение во рту.

Поскольку в этих блюдах используется желатин, текстуры, они должны быть сделаны из мяса с высоким содержанием коллагена. Пытающийся приготовление тушеной говядины с нежирными кусками приведет к жесткому сухому мясу. актиновые белки денатурируют (напомним, что это происходит при температуре 150–163°F / 66–73°C), но желатин не будет присутствовать в мышечной ткани, чтобы скрыть сухость и жесткость, вызванные денатурированный актин. Не пытайтесь «обновить» тушеную говядину более дорогой кусок мяса; это не сработает!

«Отлично, — можете подумать вы, — но как все это говорит о мне нужно медленно приготовить кусок мяса?» Подумайте о куске мяса (или рыбы, или птицы), с которым вы работаете, и учитывайте из какой части животного она исходит. Для наземного животного эти области животного, которые имеют вес, обычно имеют более высокий уровень коллаген. Это должно иметь смысл: потому что несущие части имеют более высокую нагрузку, им нужно больше структуры, поэтому у них будет больше соединительной ткани. Этот это не идеальное практическое правило, и куски мяса обычно имеют в них больше одной группы мышц.

Для животных, таких как рыбы, которым не нужно поддерживать свой вес на суше уровень коллагена намного ниже. Кальмар и осьминог есть заметные исключения из этого правила весовой нагрузки, потому что их коллаген обеспечивает эквивалентную поддержку, которую костные структуры делают для рыбы.

Примечание

Пожилые животные имеют более высокий уровень коллагена. По мере старения животных структура коллагена имеет больше времени для образования дополнительных поперечных связей между нитями коллагеновой спирали, что приводит к увеличению прочность. Вот почему, например, пожилые цыплята традиционно готовят в длинном, медленном обжаривании. (Французы доходят до использовать разные слова для старых и молодых цыплят: пуле вместо пуле .) Однако большая часть товарного мяса на момент убоя молода, поэтому возраст животного уже не является важным фактором.

Другое простое практическое правило для определения уровня коллагена – смотреть на относительная цена мяса: потому что отрубы с высоким содержанием коллагена требуют больше работы, чтобы приготовить и получить в целом более сухую текстуру, люди склонны отдавать предпочтение другим отрубам, поэтому отрубы с высоким содержанием коллагена более дешевый.

158°F / 70°C: расщепление растительных крахмалов

В то время как мясо состоит преимущественно из белков и жиров, растения состоят в основном из углеводов, таких как целлюлоза, крахмал и пектин. В отличие от белков в мясе, которые чрезвычайно чувствительны к теплу и может быстро превратиться в обувную кожу, если приготовить ее слишком горячей, углеводы в растениях обычно более щадящие при воздействии более высокие температуры. (Возможно, поэтому у нас есть мясные термометры но не овощные термометры.)

Приготовление крахмалистых овощей, таких как картофель, вызывает желатинизироваться (т. е. набухать и становиться гуще). В сыром виде, крахмалы существуют в виде полукристаллических структур, которые ваше тело может только частично переварить. Варка заставляет их таять, впитывать воду, набухать, и преобразовать в форму, которая может быть более легко разбита вашим пищеварительная система.

Как и в большинстве других реакций при приготовлении пищи, точка, в которой желатинизация гранул крахмала зависит не только от одного переменная температуры. Тип крахмала, продолжительность температура, количество влаги в окружающей среде и обработка все условия влияют на точку, в которой любая конкретная гранула крахмала набухает и желатинизируется. Дополнительную информацию о крахмалах и желатинизация.

Листовые зеленые овощи также претерпевают изменения при приготовлении. Самый заметно, что они теряют свой зеленый цвет по мере того, как мембраны вокруг хлоропласты в клетках разрываются. Это же разрыв и повреждение клеточная структура улучшает текстуру более жесткой зелени, такой как как мангольд и капуста.

Что касается крахмалистых растений (например, картофеля), приготовьте их так, чтобы они достигают температуры, при которой они желатинируются, обычно в диапазоне 180–190°F / 92–99°C. Для зеленых листовых растений обжарьте листья сверху. 140°F / 60°C, чтобы разрушить структуру растительных клеток.

Примечание

Целлюлоза — также известная как клетчатка — совершенно неперевариваемая в сыром виде форма и желатинизация при такой высокой температуре, 608–626 ° F / 320–330°C, что мы можем не учитывать его при обсуждении химических реакций в кулинарии.

310°F / 154°C: реакции Майяра становятся заметными

Реакция Майяра окрашивает продукты в коричневый цвет и приводит к преимущественно приятные летучие ароматические соединения. Вы можете поблагодарить Майяра реакции на приятный золотисто-коричневый цвет и богатый аромат Индейка на День Благодарения, гамбургер Четвертого июля и воскресный бранч бекон. Если вы все еще не можете представить себе вкусы, по реакциям Майяра, взять два ломтика белого хлеба и тост их — один до тех пор, пока он не начнет становиться коричневым, второй до тех пор, пока у него золотисто-коричневый цвет — и на вкус разница.

Ореховый, поджаренный, сложный вкус, созданный Майяром реакции создаются сотнями соединений, образующихся, когда амино кислоты и некоторые виды сахаров объединяются, а затем распадаются. Названный в честь французского химика Луи Камилла Майяра, впервые описавшего В 1910-х годах реакция Майяра была именно реакцией между аминокислотами (из белков) и редуцирующими сахарами, которые сахара, которые образуют альдегиды или органические соединения на основе кетонов в щелочной раствор (который позволяет им реагировать с аминами). Глюкоза, основной сахар в мышечной ткани, является восстанавливающим сахаром; сахароза (обычный столовый сахар) не является.

Реакции Майяра зависят не только от температуры. Помимо температуры, есть ряд других переменных, влияющих на скорость реакции. Более щелочные продукты чаще подвергаются реакции Майяра без труда. Яичные белки, например, могут подвергаться реакции Майяра. более низкие температуры и более высокое давление в скороварке. количество воды, а также типы и доступность реагентов в пища также определяет скорость, с которой будут происходить реакции Майяра. Возможна даже реакция Майяра в помещении. температура, при наличии достаточного времени и реагентов: автозагар работают через ту же химическую реакцию!

Принимая во внимание все аспекты кулинарного применения — приготовление пищи при умеренно высоких температурах в течение коротких промежутков времени — 310°F/ Приведенная здесь температура 154 °C служит хорошим маркером того, когда Майяр реакции начинают происходить с заметной скоростью, независимо от того, смотрите ли вы через дверцу духовки или жарить на плите.

356°F / 180°C: сахар начинает заметно карамелизоваться

В отличие от реакции Майяра, для которой требуется присутствие как аминокислот, так и сахаров и имеет ряд взаимозависимые переменные, влияющие на конкретную температуру реакция, карамелизация (разложение через дегидратация молекул сахара, таких как сахароза) относительно проста, хотя бы в сравнении. Чистая сахароза плавится при 367°F / 186°C; разложение начинается при более низких температурах (где-то в диапазоне 320–340°F / 160–170°C) и продолжается примерно до 390°F / 199°C. (Плавление — это не то же самое, что разложение — сахароза имеет точки плавления, которую можно использовать как умный способ калибровки печь. Подробнее см. в разделе «Две вещи, которые вы должны сделать со своей духовкой ПРЯМО СЕЙЧАС» в главе 2.)

Подобно реакции Майяра, карамелизация приводит к сотням соединений, образующихся при разложении сахара, и эти новые соединения приводят как к подрумяниванию, так и к получению приятного ароматы в таких продуктах, как выпечка, кофе и жареные орехи. За некоторые продукты, эти ароматы, какими бы чудесными они ни были, могут перебить или мешать вкусу ингредиентов, например, в легкое имбирное печенье или брауни. По этой причине некоторые запекают продукты готовятся при 350°F / 177°C или даже 325°F / 163°C, чтобы они не наблюдается сильной карамелизации, в то время как другие продукты готовятся при температуре 375 ° F / 191°C или выше, чтобы облегчить его.

Когда готовите, спросите себя, является ли то, что вы готовите, чем-то что вы хотите карамелизовать, и если да, установите духовку как минимум на 375°F / 191°C. Если вы обнаружите, что ваша еда не выходит подрумянились, возможно, у вас слишком холодная духовка. Если элементы которые не должны стать коричневыми, получаются пережаренными, ваша духовка наверное слишком жарко.

Фруктоза, более простая форма сахара, содержащаяся во фруктах и меде, карамелизуется при более низкой температуре, чем сахароза, начиная примерно с 230 ° F. / 110°С. Если у вас есть другие ограничения на температуру выпечки (скажем, содержание воды в тесте не позволяет ему достичь более высокой температура), в рецепт можно добавить мед. Это приведет к более коричневатый продукт, потому что самый большой химический компонент в меде фруктоза (~ 40% по массе; глюкоза занимает второе место с ~ 30%).

^[3] Что ж, безопаснее — 100% не бывает Безопасно.

Патент США на теплообменник, подходящий для котла, и котел, включающий такой теплообменник. Патент (Патент № 7,415,944, выдан 26 августа 2008 г.) , и более конкретно, но не исключительно, к теплообменнику, используемому в сочетании с конденсационными котлами и неконденсирующими котлами.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Бойлеры, такие как комбинированные котлы, используются во многих домах как для обогрева, так и в качестве источника горячей воды. Обычно бак с горячей водой не используется, так что, когда требуется горячая вода, холодная вода забирается непосредственно из холодной магистрали и проходит через теплообменник внутри котла, причем теплообменник напрямую нагревается за счет сжигания газа. Котел имеет только конечную максимальную выходную мощность, и, следовательно, только эта максимальная мощность может быть передана в воду, за вычетом любой тепловой неэффективности внутри котла. Таким образом, произведение расхода воды через котел на повышение температуры, происходящее внутри котла, ограничивается максимальным значением. На практике это означает, что открытие горячего крана для быстрого потока может привести к подаче теплой, но не горячей воды, и, следовательно, для получения более горячей воды расход через котел должен быть уменьшен, чтобы можно было получить большее повышение температуры. Местный климат оказывает существенное влияние на температуру воды холодного водопровода. Сезонные колебания, например, в Великобритании, могут вызывать колебания температуры холодной воды в диапазоне обычно от 5°С до 20°С. Бытовые котлы обычно рассчитаны на повышение температуры холодной воды на 35°С при их номинальном значении. максимальная скорость потока. Максимальный расход часто определяется ограничителем (часто в виде пластмассовой шайбы) на пути подачи холодной воды в котел.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложен теплообменник, содержащий: паровой котел;

путь потока жидкости средство для определения пути потока жидкости через теплообменник; и

средство теплопередачи для передачи тепла от газа в средстве пути потока жидкости к жидкости в средстве пути потока жидкости, при этом средство теплопередачи образует первый накопитель тепла и содержит емкость, содержащую воду и конденсат из дымовых газов. может войти в сосуд, чтобы пополнить воду, содержащуюся в сосуде.

Таким образом, можно использовать комбинированный теплообменник и аккумулятор тепла. Это особенно полезно в контексте конденсационного котла, поскольку, когда котел работает в режиме «центрального отопления», отработанное тепло от дымовых газов может быть использовано для нагрева первого теплоаккумулятора до температуры дымовых газов. Обычно это будет около 50°С или около того. В этих условиях котел работает относительно экономично. Однако, когда желательно обеспечить горячую воду, критерием конструкции котла является выработка как можно большего количества тепла. Как правило, это требует, чтобы котел работал на максимальной скорости. В то время как при этом образуются горячие дымовые газы, газ должен быть быстро удален из котла, чтобы в зону горения могло попасть больше смеси несгоревшего газа и воздуха. Поэтому очень горячий газ проводит мало времени в контакте с первичным теплообменником внутри котла и выходит при высокой температуре. Дополнительный теплообмен, обеспечиваемый настоящим изобретением, позволяет использовать часть тепла, извлеченного из дымовых газов во время «фазы центрального отопления», для предварительного нагрева холодной воды, поступающей в котел, так что котел должен работать с меньшими усилиями для получения тепла. конечную температуру на выходе, и это может позволить либо достичь большего расхода, либо уменьшить расход котлового газа.

Котел предпочтительно имеет первый канал для нагрева воды для подачи горячей воды для бытовых нужд в краны и второй канал для воды, который принимает воду, возвращаемую из радиаторной системы, и который нагревает воду для возврата в радиаторную систему. Эти пути хранятся отдельно. Для простоты эти пути можно рассматривать как пути «горячей воды» и «отопления» соответственно. Предпочтительно, чтобы средство прохождения потока жидкости располагалось последовательно с впускным отверстием для холодной воды для пути «горячей воды».

Теплообменник предпочтительно размещают в тракте дымовых газов конденсационного котла.

В качестве дополнительного преимущества теплообменник по настоящему изобретению обеспечивает дополнительную фазу рекуперации тепла от горячих дымовых газов, выходящих из котла, когда он находится в режиме «горячая вода», и часть этого тепла может быть рекуперирована и передана к холодной воде, поступающей в котел, тем самым обеспечивая более высокий расход и/или повышение температуры горячей воды, в то же время потенциально уменьшая требуемый газ с переменной скоростью от 5% до 85% в зависимости от переменных требуемого расхода, температуры воды на выходе. и требуемое повышение температуры входящей магистрали холодной воды. Когда при заданной температуре достигается более высокий расход, из этого следует, что для данной задачи, такой как работа в ванне, котел будет работать меньше времени и, следовательно, будет использоваться меньше газа. Таким образом, повышается эффективный КПД котла. Там, где потребность в горячей воде меньше, например, при использовании душа, котел может уменьшить скорость сжигания топлива.

Предпочтительно средство теплопередачи содержит сосуд, имеющий по меньшей мере одну поверхность, которая либо образует часть средства пути потока газа, либо находится в непосредственном контакте с ним. Предпочтительно сосуд содержит внутри себя материал, который действует как первый накопитель тепла.

Использование воды в термоаккумуляторе особенно выгодно, поскольку вода легкодоступна, недорога и в целом считается безопасной. Эта вода образует саморегулирующийся накопитель конденсата, извлеченного из дымовых газов и удерживаемого в корпусе первичного теплообменника. Дымовые газы содержат около 19% водяного пара в результате процесса горения и находятся в непосредственном контакте с верхней частью теплоаккумулятора и, при наличии, с дополнительными теплообменниками. Следовательно, дымовые газы охлаждаются до температуры ниже точки росы, и вода в них конденсируется, образуя материал, который действует в качестве основного компонента теплоаккумулятора.

Теплообменник, представляющий собой вариант осуществления настоящего изобретения, может использоваться с неконденсирующими котлами. В таких котлах, как правило, дымовые газы имеют более высокую температуру, чем в конденсационных котлах. Однако затем необходимо предпринять шаги, чтобы предотвратить перегрев первого термоаккумулятора. В частности, если в теплоаккумуляторе содержится вода, то нельзя допускать, чтобы термоаккумулятор достигал температуры, при которой он выкипел бы всухую. Этого можно достичь, обеспечив проход холодного воздуха в теплообменник и предусмотрев механизм регулирования скорости поступления холодного воздуха в пространство, окружающее теплоаккумулятор. В большинстве случаев для контроля скорости поступления холодного воздуха используется вентилятор с регулируемой температурой. Тем не менее, в некоторых случаях, когда существует хорошая «затяжка» воздуха или используется вентилятор с постоянной скоростью, для регулирования скорости поступления можно использовать клапанное устройство, такое как дроссельный клапан или жалюзийные пластины. Воздух от вентилятора может смешиваться с дымовыми газами, или, альтернативно, можно предусмотреть отдельный канал потока воздуха, чтобы работа вентилятора не влияла на котел. В такой конструкции предусмотрен предохранительный выключатель, чтобы остановить котел в случае выхода из строя вентилятора.

Теплообменник по настоящему изобретению можно использовать с котлами, работающими на газе, нефти или менее традиционных видах топлива, таких как биомасса.

Теплоемкость теплоаккумулятора предпочтительно выбирать в зависимости от максимальной выходной мощности котла.

Теплоемкость первого теплоаккумулятора предпочтительно находится выше первого порогового значения, которое пропорционально выходной мощности котла. Это выгодно, поскольку расход воды через котел в режиме «горячая вода» имеет тенденцию быть пропорциональным мощности котла, и, следовательно, слишком маленький запас тепла приведет к тому, что его температура будет очень быстро снижаться до температуры холодной магистрали и следовательно, вклад теплоаккумулятора в повышение температуры холодной воды, подаваемой в котел, будет незначительным и/или быстро истощится.

В целом желательно, чтобы температура в хранилище тепла регулярно превышала 45°C, чтобы ингибировать рост легионелл. Однако в установках, где котел почти всегда включен (т. е. в домах престарелых и коммерческих помещениях, где постоянно включено отопление), желательно изменить размеры и относительные размеры теплоаккумулятора и трубопровода холодной воды в теплоаккумуляторе таким образом, чтобы чтобы температура в теплоаккумуляторе не поднималась выше 25°С. При таком расположении теплообменник все же получает полезное тепло. Этот более низкий температурный режим снова предотвращает накопление легионеллы.

Теплоемкость первого теплоаккумулятора предпочтительно находится ниже второго порогового значения, которое пропорционально выходной мощности котла. Это выгодно, поскольку при запуске котла из холодного состояния желательно, чтобы теплоаккумулятор достиг заданной температуры, приблизительно равной 50°С, в течение заданного времени, обычно от 0,5 до 1 часа. Слишком большой запас тепла будет означать, что повышение температуры в тепловом накопителе будет очень-очень медленным.

Потребление горячей воды для бытовых нужд в доме, как правило, непродолжительное. Даже наполнение ванны занимает всего несколько минут, и даже тогда часто бывает смесь горячей и холодной воды. При скорости 12 литров в минуту пользователь наполнит ванну объемом 55 литров менее чем за 5 минут. В то время как душевые могут иметь более длительный период работы, скорость потока обычно составляет всего 6 литров в минуту. Поэтому предпочтительно, чтобы теплоаккумулятор имел такой размер, чтобы он продолжал непрерывно обеспечивать теплом воду, поступающую в котел, в течение периода требуемой горячей воды со значительным преимуществом в течение первых 5 минут и устойчивым улучшением либо повышения температуры, выход горячей воды из бойлера или значительно сниженное энергопотребление в зависимости от расхода и температурных настроек.

Преимущественно сосуд, образующий средство теплопередачи, имеет форму полого сосуда, а средство пути потока газа обеспечивает протекание горячего дымового газа как по внутренней, так и по внешней поверхности сосуда. Преимущественно, самая верхняя часть резервуара может быть вогнутой, чтобы образовать область резервуара, в которой может собираться конденсат дымовых газов. Предпочтительно резервуар перфорирован, так что конденсат, захваченный в нем, может стекать внутрь резервуара, тем самым обеспечивая доливку воды, содержащейся в резервуаре, во время использования котла.

Предпочтительно сосуд, образующий средство теплопередачи, может иметь одно или несколько отверстий, выполненных в нем. Отверстия могут быть выполнены во внутренней и внешней стенках сосуда, чтобы газ мог проходить через сосуд. Расположение отверстий определяет максимальный объем воды, который может содержаться в термоаккумуляторе. Это позволяет использовать сосуд одного размера с разными типами котлов, а размер теплоаккумулятора можно адаптировать к каждому котлу просто путем размещения отверстий. В качестве альтернативы вертикальная труба может образовывать слив, который используется для определения объема воды в сосуде.

Преимущественно второй накопитель тепла расположен в теплообменнике или рядом с ним, и в предпочтительном варианте осуществления он образован дополнительным контейнером, обычно коаксиально расположенным во внутреннем канале средства передачи. Преимущественно этот второй накопитель тепла образован контейнером с открытым верхом, в котором может собираться конденсат из дымовых газов. Это обеспечивает недорогой способ определения второго накопителя тепла, который находится в теплообмене с первым накопителем тепла через границу раздела газов, образованную дымовыми газами.

В качестве альтернативы второй аккумулятор тепла может быть заменен дополнительным теплообменником, который в одном варианте осуществления изобретения образован участком трубы холодной воды, расположенной в тракте дымовых газов.

Теплообменник целесообразно располагать рядом с котлом или рядом с ним или внутри кожуха котла. В бытовой установке этого можно добиться, установив устройство непосредственно над котлом, поскольку дымовые газы обычно выводятся из верхней части котла. Однако возможна установка теплообменника и более удаленно, например, на наружной стене жилого помещения, при условии принятия мер по ее утеплению во избежание замерзания водопроводных труб.

Также можно добавить дополнительный «змеевик» (водяной тракт) внутри теплообменника для потока воды в «нагревательном» тракте для извлечения некоторого количества тепла из дымовых газов. №

Особым преимуществом использования теплообменника этого типа является уменьшение «выброса» отработанных газов котла. Как правило, в холодные дни и особенно при слабом ветре или его отсутствии влага в выхлопных газах конденсируется в очень мелкие частицы воды вблизи выхода дымовых газов. Это создает локальный туман/смог, что визуально нежелательно и может также содержать загрязняющие вещества, образующиеся в процессе горения. Использование настоящего изобретения значительно снижает образование струй, поскольку дымовой газ охлаждается внутри теплообменника в достаточной степени, чтобы вызвать конденсацию внутри теплообменника. Конденсат может стекать обратно в котел и течь по каналу слива конденсата, предусмотренному внутри котла.

Компоненты теплообменника, находящиеся в контакте с дымовыми газами, предпочтительно изготавливаются из алюминия или нержавеющей стали, которые обладают стойкостью к коррозионному воздействию дымовых газов.

Нагретую воду, возвращающуюся из теплообменника, желательно смешивать с холодной водой из магистрали холодного водоснабжения перед подачей в котел. Смесительный клапан может регулироваться термостатом. Это может обеспечить снижение температуры воды, поступающей в котел, до температуры ниже 30° C. Это выгодно, поскольку испытания показывают, что многие котлы не загорятся, если температура воды на входе выше 30° C.

Опционально теплообменник может поставляться в виде распределенного устройства. При таком расположении могут быть предусмотрены два сосуда для хранения теплового накопителя. Первый сосуд может быть расположен таким образом, что он находится в контакте с горячими дымовыми газами, так что часть воды/конденсата дымовых газов внутри первого резервуара нагревается дымовыми газами. Затем конденсат можно перекачивать во второй сосуд, где второй объем нагретого конденсата может отдавать свое тепло жидкости на пути потока жидкости.

Предпочтительно насос, например, насос с регулируемой температурой, предназначен для управления циркуляцией конденсата из второго сосуда в первый сосуд и обратно.

Преимущественно конденсат, подаваемый в первый сосуд, проходит через теплообменное устройство, такое как змеевик или извилистая труба, или стекает по поверхности пластины, которая имеет теплообменную поверхность, контактирующую с дымовым газом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

Варианты осуществления настоящего изобретения далее будут описаны в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

РИС. 1 схематично показан теплообменник, представляющий собой первый вариант осуществления настоящего изобретения;

РИС. 2 схематично показан теплообменник, составляющий второй вариант осуществления настоящего изобретения;

РИС. 3 и и РИС. 3 b схематично показаны альтернативные комбинации конденсационных котлов, оснащенных теплообменниками, составляющие варианты осуществления настоящего изобретения;

РИС. 4 представляет собой схематическое поперечное сечение теплообменника, представляющего дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения;

РИС. 5 показан верхний теплообменник по фиг. 4 более подробно;

РИС. 6 показаны некоторые результаты испытаний для настоящего изобретения;

РИС. 7 схематично показан путь потока воды для бойлера с теплообменником в соответствии с настоящим изобретением;

РИС. 8 схематично показан распределенный теплообменник, представляющий вариант осуществления настоящего изобретения; и

РИС. 9 показан теплообменник, включающий солнечный коллектор.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

Как правило, отопительные установки в Великобритании полагаются на горячую воду, подаваемую к «радиаторам», которые фактически облегчают формирование конвекционных потоков в помещении для передачи тепла в помещение. Чтобы конденсационный котел работал в конденсационном режиме, температура воды в обратном трубопроводе должна быть достаточно низкой для образования конденсата из дымовых газов. Изготовители котлов обычно предпочитают указывать КПД своих котлов при температуре на выходе 50°С и температуре возврата 30°С, главным образом потому, что это эффективный температурный диапазон, в котором работает котел.

Однако котлы менее эффективны, если они не работают в конденсационном режиме, как в случае подачи горячей воды. Однако эффективность котла можно увеличить, установив вторичный теплообменник.

РИС. 1 схематично показан теплообменник, представляющий собой первый вариант осуществления настоящего изобретения и обозначенный в целом 1 . Теплообменник состоит из трубы холодной воды 2 , которая изогнута в виде спирального змеевика 4 , чтобы обеспечить большую площадь поверхности трубы в компактном объеме. Спиральная часть 4 трубы расположена внутри сосуда с двойными стенками 6 . Внутренняя стенка 8 двустенного резервуара 6 образует канал 10 , который открыт с обоих концов и через который могут проходить горячие дымовые газы. Объем 12 , образованный между внутренней стенкой 8 и внешней стенкой 14 сосуда с двойными стенками 6 заполняется водой 16 , образуя запас тепла.

Таким образом, сравнивая этот теплообменник с теплообменником обычной конструкции, а не спиральной частью 14 , расположенной непосредственно в тракте потока газа 10 , спиральная часть 4 вместо этого помещается в резервуар для жидкости, где жидкость нагревается газом, проходящим через газовый тракт 10 . Это означает, что по сравнению с обычным теплообменником теплоемкость этого теплообменника намного больше.

Верхняя часть теплообменника открыта, так что вода, полученная из конденсата дымовых газов, может попасть в теплообменник. Преимущество сохранения теплообменника открытым для атмосферы заключается в том, что его внутреннее давление всегда равно атмосферному, что устраняет любой риск разрыва, связанный с давлением в закрытых сосудах.

РИС. 2 схематично показан еще один теплообменник, который включает в себя теплообменник типа, показанного на фиг. 1. Для удобства одинаковые части будут обозначаться одинаковыми ссылками. Однако в этот теплообменник включены дополнительные компоненты и, в частности, резервуар 9.1138 20 с закрытым нижним концом, соосно расположен в тракте потока газа. Резервуар 20 содержит воду 22 и, следовательно, горячие дымовые газы, протекающие по каналу 10 , теперь отдают тепло как воде 16 , заключенной в сосуд с двойными стенками 6 , так и воде 22. в резервуаре 20 . Фланец 24 проходит радиально наружу от верхней части резервуара 20 , проходящая над верхней поверхностью сосуда 6 и соединяющаяся с дополнительной стенкой 26 , которая окружает наружную стенку 14 сосуда 6 . Фланец 24 и стенка 26 служат для определения дальнейшего пути потока газа, по которому теперь горячие дымовые газы из котла проходят через верхнюю часть резервуара 6 , а затем вниз по внешней стороне резервуара 6 тем самым давая дополнительные возможности теплообмена. Как только газы достигнут самого нижнего края 28 стены 26 затем они попадают в дополнительный канал дымовых газов 30 , который направляет газы к выходной трубе 32 теплообменника.

Опционально в стенках 8 и 14 сосуда 6 могут быть выполнены отверстия 33 . Они позволяют определить максимальный уровень воды в баке 6 , если для данного котла желательно уменьшить количество воды по сравнению с максимальным объемом бака 6 . Подобным образом в резервуаре 20 могут быть сформированы отверстия для ограничения максимального объема воды.

При прохождении дымовых газов по поверхности теплообменника газ охлаждается. Это может привести к образованию конденсата внутри теплообменника, и момент, когда он начнет образовываться, зависит от рабочих параметров котла, внешней температуры, температуры воды и т.д. Эту конденсацию можно использовать с пользой. Судно 6 имеет самую верхнюю стенку 40 , которая имеет вогнутую форму, образующую область сбора, а в выпуклой стенке 40 выполнены отверстия, позволяющие конденсату, собирающемуся на стенке 40 , стекать внутрь сосуда 6 , тем самым гарантируя, что сосуд 6 остается заполненным водой, а также позволяя сосуду оставаться вентилируемым, тем самым избегая любой потенциальной опасности, связанной с повышением давления в случае чрезмерного нагрева. Аналогичным образом происходит конденсация внутри выпускной трубы 9.1138 32 может упасть под действием силы тяжести внутрь резервуара 20 , тем самым пополняя воду 22 , гарантируя, что этот вторичный тепловой аккумулятор также будет постоянно заполнен.

Опционально на входе газового тракта из котла может быть предусмотрен диффузор для обеспечения равномерного распределения газа по внутренней стенке 8 сосуда 6 . Диффузор может быть образован наклонной стенкой 45 , которая может проходить от нижней поверхности резервуара 9 или, по крайней мере, соприкасаться с ней.1138 20 . Сосуд 6 может иметь измененный профиль для образования взаимодействующих поверхностей 48 , тем самым дополнительно улучшая передачу тепла в теплообменник за счет теплового потока через поверхность 48 . В альтернативном варианте сосуд 6 может опираться на профилированное кольцо, скошенное таким образом, чтобы определять поверхность 48 . Теплообменник заключен в корпус 50 , который сам может быть дополнительно заключен во второй корпус 9.1138 52 с зазором между корпусом 50 и 52 , определяющим путь поступления воздуха для газов в котел, тем самым обеспечивая предварительный нагрев воздуха, подаваемого в котел для сжигания, что дополнительно повышает эффективность котла, а также обеспечение того, чтобы внешняя поверхность теплообменника оставалась холодной, например, на ощупь, поскольку котел будет установлен в бытовых условиях.

Как отмечалось выше, комбинированные котлы могут работать в режиме горячего водоснабжения или в режиме отопления. В режиме отопления котел может работать в «режиме конденсации», поддерживая температуру дымовых газов из котла ниже 58°C. В этом режиме работы котел наиболее эффективен. Однако, когда котел работает в режиме горячего водоснабжения, он должен поддерживать целевую температуру и расход горячей воды для бытового потребления, и это заставляет котел работать в менее эффективном диапазоне, когда температура дымовых газов превышает 58°C, и, следовательно, котел больше не может работать в режиме конденсации. Обычно температура дымовых газов котла поднимается от 45°C до 75°C в режиме горячей воды для комбинированных котлов и до 85°C для системных котлов в зависимости от уровня сложности электронных средств управления оптимизацией энергопотребления.

Выходная мощность котла обычно указывается в кВтч. Котел обычно сжигает 1 м ³ газа на 10,5 кВтч, и на каждый 1 м ³ газа потребуется 10 м ³ воздуха. Таким образом, конденсационный котел, способный регулировать расход газа и работающий в диапазоне от 8 до 30 кВтч, будет производить примерно от 8 800 литров дымовых газов до 33 000 литров дымовых газов каждый час, причем дымовые газы обычно имеют температуру от 55°C. и 85°С, в зависимости от типа котла и требований к установке.

Количество тепла, теряемого с дымовыми газами, трудно определить количественно, но известно, что удельная теплоемкость сухого воздуха составляет примерно 1 кДж на кг. Кроме того, один моль газа (примерно 18 г в случае воздуха) занимает 22,4 литра (постоянная Авагадро при ст. ст.).

Таким образом, 31 000 литров газа соответствует приблизительно 1 400 молям газа, что составляет приблизительно 25 кг. Таким образом, 25 кДж в час потенциально могут быть рекуперированы из выхлопных газов на каждый 1 градус снижения температуры дымовых газов. На практике эти цифры занижают доступное тепло, поскольку дымовые газы по определению будут влажными, а вода имеет гораздо более высокую удельную теплоемкость. Котел мощностью 8-30 кВтч производит от 1,6 м ³ и 6 м ³ водяного пара за час работы.

Как правило, в бытовых условиях котлы либо выключаются на ночь и включаются по расписанию рано утром, либо могут работать непрерывно всю ночь. В любом случае разумно предположить, что котел проведет не менее ½ часа, если не 1 час, в режиме центрального отопления до того, как жильцы дома встанут и захотят набрать горячую воду. За это время выхлопной газ из дымохода может нагревать один или каждый, т.е. первый и второй, теплоаккумуляторы до температуры выхлопных газов, которая обычно составляет от 58°С до 85°С в зависимости от типа котла и температуры. монтаж. Как только жители дома встают, им обычно требуется относительно небольшое количество горячей воды для таких действий, как наполнение бассейна. При открытии горячего крана в котел сначала поступает вода, застрявшая в винтовом отрезке трубы 9.1138 2 , и эта вода уже нагрета до 60° или около того. Таким образом, при малых объемах воды котел может не включаться или, как будет описано ниже в отношении системы, имеющей смесительный клапан для смешивания воды из холодной магистрали с водой из теплообменника, будет работать только при минимальном рабочем режиме. скорость за счет смешивания теплой воды с поступающей из холодной магистрали. По мере забора большего количества воды холодная вода, текущая по трубе 2 , может получить значительное количество предварительного нагрева воды, содержащейся в сосуде 9.1138 6 . Таким образом, от котла может потребоваться только относительно небольшое повышение температуры, чтобы получить заданную выходную температуру горячей воды. Такая относительно умеренная температура может быть достигнута путем регулирования потока газа до относительно низкого значения, чтобы котел был более эффективным, потому что либо он все еще работает в режиме конденсации, либо, альтернативно, просто потому, что теплый газ не нужно отводить из котла. котел так быстро и, следовательно, может проводить больше времени в контакте с первичным теплообменником, расположенным внутри котла, отдавая свое тепло для нагрева воды до ее удаления через дымоход котла. Этот газ может проходить через вторичный теплообменник, составляющий вариант осуществления настоящего изобретения, и отдавать часть своего тепла внутри теплообменника для повторного нагрева тепловой массы.

Учитывая, что котел может быть запущен из холодного состояния, желательно, чтобы теплоаккумулятор мог достичь своей максимальной температуры в течение, скажем, от ½ часа до 1 часа после запуска котла. Поэтому тепловая мощность теплоаккумулятора не должна быть слишком большой по сравнению с мощностью котла. Эксперименты, проведенные заявителем, предполагают, что теплоаккумуляторы при использовании воды должны иметь общий объем от 0,25 до 0,5 литра на кВтч мощности котла. Это соответствует общему требованию, предъявляемому к бытовому бойлеру, который должен обеспечивать примерно 14 литров воды в минуту. При длительной работе котла в водогрейном режиме будет достигнут установившийся режим, при котором температура теплоаккумуляторов вторичного теплообменника станет стабильной, так как теплоотдача от горячих дымовых газов к теплоаккумуляторам равна скорость передачи тепла от теплоаккумуляторов к поступающей холодной воде. В этих условиях теплообменник обычно может обеспечить повышение температуры водопроводной холодной воды на 5-10°С в зависимости от расхода воды.

В варианте осуществления изобретения корпус 50 является прямоугольным и имеет высоту 300 мм, ширину 430 мм и глубину 270 мм.

Сосуд 6 имеет высоту 275 мм, ширину 410 мм и глубину 250 мм с внутренним дымоходом шириной 250 мм и глубиной около 100 мм. Наклонная область 48 имеет высоту около 25 мм.

Фланец 24 имеет ширину 420 мм и глубину 260 мм, а стенка 26 имеет высоту 280 мм.

Наружная причина 52 имеет высоту 310 мм, ширину 310 мм, ширину 440 мм и глубину 280 мм.

Следует понимать, что в зависимости от конкретной котельной установки к теплоаккумулятору могут применяться различные критерии проектирования. Однако в контексте бытового устройства использование примерно 0,25–0,5 л воды в теплоаккумуляторах на каждый кВтч котла означает, что каждый день после примерно ½–1 часа работы котла в «бытовом отоплении» В режиме ” температура воды в теплоаккумуляторе и в спиральной части трубы холодной воды повысится в достаточной степени, чтобы инактивировать любые бактерии легионеллы, которые могут стремиться размножаться в этой трубе. Точно так же запас тепла достаточно мал, поэтому процесс работы ванны приведет к его истощению, и, следовательно, температура в нем упадет примерно до холодной основной температуры, что снова приведет к тому, что бактерии легионеллы станут неактивными, на этот раз в силу понижение температуры ниже диапазона температур, в котором живут бактерии. Это выгодно, если есть риск того, что жильцы дома могут выбрать питье из крана с горячей водой или что использование смесительных клапанов, например, в душевых , потенциально может вызвать обратный поток в трубе 4 , хотя это маловероятно, поскольку в большинстве случаев он будет подключен к магистрали холодной воды, хотя обратный поток может быть возможен, если вода подавалась из коллектора холодной воды.

Таким образом, можно создать простой и относительно недорогой вторичный теплообменник, который может значительно снизить потребление газа конденсационным котлом. Вторичный теплообменник относительно компактен и, как показано на фиг. 3 a , теплообменник 80 можно было установить непосредственно над котлом 82 или, как показано на РИС. 3 b теплообменник можно установить сбоку от котла 82 , что позволит разместить оба этих компонента в вертикальном пространстве, которое обычно находится между кухонной столешницей и кухонным потолком. Действительно, размер активных компонентов внутри котла может быть уменьшен в достаточной степени, чтобы можно было разместить теплообменник в пространстве внутри кожуха котла.

Преимущество настоящего изобретения заключается также в снижении локализованного загрязнения. Котлы часто выделяют «шлейф» из дымохода. Это заметно по белому туману возле дымохода. Шлейф часто содержит небольшое количество сернистых газов в результате сжигания газа. Однако в системах отопления, оснащенных вторичным теплообменником, представляющих собой вариант осуществления настоящего изобретения, выбросы уменьшаются, поскольку конденсат улавливается внутри теплообменника, и, следовательно, выбросы менее вероятны, за исключением случаев, когда теплоаккумулятор и дымовые газы закрыты. при стационарных температурах.

Загрязненная вода в конечном итоге сбрасывается через слив котла, когда собирается больше конденсата.

Теплообменник также может использоваться с «системными котлами», в которых используется пластинчатый теплообменник типа «вода-вода» или, альтернативно, цилиндр косвенного нагрева для производства горячей воды через змеевик косвенного нагрева внутри цилиндра, а поступающая холодная вода подается непосредственно в цилиндр. Здесь вода, подаваемая в цилиндр, проходит через теплообменник, прежде чем попасть в цилиндр. Эти цилиндры оцениваются по их вместимости и времени восстановления, то есть времени, необходимому для нагрева воды внутри цилиндра с 5°C до 60°C. Настоящее изобретение уменьшает время восстановления цилиндра, и это позволяет меньшим цилиндрам использоваться.

Теплообменник, показанный на РИС. 2 может дополнительно иметь отверстия 35 , образованные во фланце 24 , для обеспечения выхода газа в случае, если газовый клапан котла позволяет продолжить поток газа, когда он находится в закрытом положении. Эти отверстия имеют небольшую площадь и могут быть образованы тремя отверстиями диаметром, скажем, 3 мм каждое.

Кроме того, внутри сосуда 6 может быть предусмотрен источник тепла, такой как электрический нагреватель, змеевик, на который периодически подается питание, чтобы обеспечить достаточное повышение температуры воды для уничтожения любых бактерий легионеллы в теплообменнике.

РИС. 4 схематично показана дополнительная конструкция теплообменника, представляющая собой вариант осуществления настоящего изобретения. Как и прежде, труба холодной воды 2 изогнута так, чтобы образовать спиральную спираль 4 , расположенную в воде 16 , удерживаемой внутри сосуда 6 , который имеет внутреннюю стенку 8 , определяющую канал 10 , через который из котла могут выходить горячие дымовые газы. Такое расположение образует «первичный» теплообмен 114 . Диффузор 45 предусмотрен на входном пути к каналу 10 , чтобы изменить путь потока газа. Диффузор 45 может быть прикреплен к стене 8 с помощью относительно тонких опор (для определения зазоров, через которые может проходить газ) или может опираться на опоры, предусмотренные на дренажной пластине 100 (как показано на рис. фиг. 4), либо он может быть установлен на кронштейне или другой опоре, выступающей из верхнего теплообменника 102 . Сосуд 6 могут нести или контактировать с теплообменными ребрами 104 , которые показаны расположенными на нижней поверхности сосуда, но также могут быть сформированы на внутренней стенке 8 или внешней стенке 106 сосуда. В таких обстоятельствах газовый тракт также может быть обеспечен вокруг внешней стенки сосуда 6 .

Дополнительные возможности теплообмена обеспечивают верхний теплообменник 102 и дополнительный теплообменник 110 . Верхний теплообменник 102 представляет собой пластинчатый теплообменник и расположен между впускным отверстием для холодной воды 112 и «первичным» теплообменником 114 , представленным змеевиком 4 , погруженным в воду, содержащуюся в сосуде 6 .

Пластинчатый теплообменник 102 может иметь форму закрытой коробки с внутренними перегородками, определяющими путь потока воды внутри коробки. Альтернативно, как показано на фиг. 5 пластинчатый теплообменник может иметь спиральную водонесущую трубу 120 в тесном тепловом контакте с пластиной 122 для отвода тепла от пластины 122 . Для улучшения теплопроводности от дымовых газов к пластинчатому теплообменнику 102 пластинчатый теплообменник может иметь проволочную сетку, из которой показана только небольшая часть 124 , которая входит в тракт дымовых газов.

Третья возможность теплообмена может быть обеспечена частью 110 водопроводной трубы, расположенной в канале 10 . Это можно рассматривать как третичный теплообменник.

При эксплуатации газ из котла поступает в теплообменник, наиболее горячий газ находится вблизи ребер теплообменника 104 и в центральной части канала 10 . Таким образом, самый горячий газ проходит через третичный теплообменник 110 , а после теплообмена самый холодный газ проходит через верхний теплообменник 102 . Отсюда следует, что путь холодной воды должен быть таким, чтобы холодная вода от сетевого ввода сначала проходила через верхний теплообменник 102 , затем через первичный теплообменник и, наконец, через третичный теплообменник, образованный трубой 110 .

Полезно рассмотреть сравнительные преимущества установки теплообменника типа, показанного на РИС. 4 к имеющемуся в продаже бытовому котлу.

Испытания проводились с теплообменником, в котором первичный теплообменник содержал 7,5 м трубы с внутренним диаметром 20 мм и внешним диаметром 28,8 мм.

Верхний теплообменник имел проходной канал длиной 600 мм, образованный перегородкой в полой коробке. Третичный теплообменник имел пути потока 15 мм в своих отдельных ответвлениях.

Теплообменник занимал объем, определяемый корпусом с внешними размерами шириной 400 мм, высотой 313 мм и глубиной 285 мм.

РИС. 6 показаны данные для теплообменника, установленного на котле «Glow Worm 30 cxi».

На РИС. 6, котел изначально работал в режиме центрального отопления, поэтому температура теплоаккумулятора поднялась примерно до 52°C. После забора горячей воды вода в теплоаккумуляторе уже была частично подогрета, на что указывает вода в баке. первую минуту подается при температуре от 30°С до 32°С, в отличие от подачи при температуре от 20°С до 22°С без теплообменника. Можно видеть, что при расходе 8,5 л/мин конечная достигнутая температура горячей воды составила 62°С, в отличие от 53°С без настоящего изобретения.

В реальных условиях, если бы вода из бойлера использовалась для работы ванны, энергия, используемая для типичной «теплой» ванны, уменьшилась бы на 30–85 %. Аналогичным образом, для небольших поставок теплой воды с температурой от 30°С до 40°С, например, проточной воды для умывальника или для использования в стиральной машине, котел вообще может не нуждаться в топке. В испытаниях при расходе воды 5 литров в минуту теплообменник экономит от 55 до 85% расхода газа за 10-минутный период в зависимости от скорости забора воды.

РИС. 7 схематично показан поток холодной воды в бойлер , 130, , оснащенный теплообменником , 132, , представляющим вариант осуществления настоящего изобретения. Вода из магистрали холодного водоснабжения 134 поступает в теплообменник 132 через входной патрубок 136 . Подогретая вода из теплообменника 132 выходит по выходному тракту 138 и смешивается с водой из магистрали холодного водоснабжения 134 смесительным клапаном 140 перед подачей на вход холодной воды 142 котла 130 . Смесительный клапан 140 может регулироваться по температуре. Преимущество этого заключается в том, что, независимо от расхода, температура воды, подаваемой на вход холодной воды котла 130 , может поддерживаться ниже 30° C. Это выгодно, поскольку некоторые котлы не будут работать, если к ним подается холодная вода. выше 30°C. Кроме того, минимальная скорость горения котла может быть такой, что при определенных обстоятельствах температура воды на выходе станет слишком высокой, если вода будет проходить через теплообменник 9.1138 132 не смешивался с холодной водой из водопровода холодного водоснабжения 134 . Это уменьшение скорости потока через теплообменник имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что требуется больше времени для исчерпания запаса тепла в теплообменнике.

РИС. 8 показан еще один вариант осуществления настоящего изобретения, в котором теплообменник разделен на две части: 150 и 151 . В этом устройстве первая часть содержит сосуд , 152, , который определяет путь потока газа из котла 9.1138 154 . Емкость 152 предназначена для сбора конденсата 156 из дымовых газов и удержания его во внутреннем резервуаре. Внутренний водослив 158 предусмотрен для контроля уровня конденсата внутри сосуда 152 . «Нижняя» сторона водослива 162 соединена со второй частью теплообменника, состоящего из второго резервуара-накопителя 163 , для подачи в него нагретого конденсата. Второй резервуар для хранения 163 имеет выход 164 , который соединен с входом насоса 166 , который можно использовать для перекачки конденсата из емкости 163 обратно в первую емкость 152 . Перекачиваемый конденсат проходит через дополнительный теплообменник 168 , где он нагревается перед выпуском в емкость 152 . Таким образом, сосуд 152 требуется только для хранения или хранения небольшой части общего объема конденсата. Остаток конденсата находится во втором резервуаре-накопителе 9.1138 163 , а обмен конденсата между первым сосудом 152 и вторым сосудом 163 управляется насосом 166 . Таким образом, после включения насоса уровень жидкости в сосуде 152 повышается до тех пор, пока конденсат не перельется через водослив 158 и затем этот конденсат не вернется в сосуд 163 . Для управления работой насоса 9 может быть предусмотрен датчик температуры 180 в сочетании с контроллером 182 .1138 166 таким образом, чтобы скорость потока насоса увеличивалась настолько, насколько это необходимо для предотвращения превышения температуры конденсата 156 заданного порога.

Второй сосуд 160 имеет теплообменную трубу 190 , предусмотренную для того, чтобы вода из холодного трубопровода могла проходить по трубе 190 и оттуда на вход котла 154 . Смесительный клапан 192 может быть предусмотрен для контроля температуры воды на входе в бойлер 9.1138 154 .

В зависимости от назначения и установки котла труба 190 может быть соединена последовательно с обратным трубопроводом отопления дома (т. е. как часть системы отопления помещений), а не как часть системы водяного отопления. Точно так же теплообменник 190 не обязательно должен вести к смесительному клапану 192 , но в качестве альтернативы может быть соединен непосредственно с бойлером 154 или может вести к дополнительному резервуару для хранения воды.

В альтернативных вариантах внутренний водослив 158 можно заменить выпускным отверстием, выполненным на подходящей высоте в стенке первого сосуда 152 .

Теплообменник 168 может быть пластинчатым теплообменником, например, типа, показанного на фиг. 5. В качестве альтернативы вода из насоса может стекать по самой верхней поверхности теплообменника, в то время как нижняя поверхность подвергается воздействию дымовых газов. Теплообменник 168 может быть расположен, как показано на рисунке, так что любой конденсат, образующийся на его нижней поверхности, может падать вниз по поверхности и падать в резервуар внутри первого сосуда 9.1138 152 .

Другие варианты осуществления, показанные на фиг. 1, 2 и 4 также могут использоваться в качестве первой части 150 этой распределенной системы при условии, что к ним будут присоединены пути выхода и возврата конденсата.

Преимущественно предусмотрен клапан сброса давления 200 с температурным управлением для выпуска второго сосуда 163 в атмосферу в случае, если температура в нем превысит заданное значение, например 90° или около того. Точно так же насос 166 может быть заблокирован, если температура в сосуде 163 превышает безопасное значение, чтобы избежать возможности превращения воды в теплообменнике 190 в пар. Однако видно, что клапан сброса давления 200 не обязательно должен быть обязательным, так как сосуд 163 также может выпускать воздух через свое соединение с выходной стороной 162 водослива 158 , поскольку он находится по существу при атмосферном давлении.

В дополнительной модификации, которая может применяться к любому из вариантов осуществления, описанных выше, солнечный коллектор 200 может быть соединен с емкостью 6 для хранения конденсата. Солнечный коллектор может быть установлен на наружной стене дома, чтобы улавливать тепловую энергию солнца и отдавать эту энергию в конденсат/воду 16 теплоаккумулятора. Солнечный коллектор 200 может иметь форму змеевидной трубы внутри солнечной панели или может быть просто сосудом или сумкой темного цвета, которая сама заполнена водой. Как схематично показано на фиг. 9, солнечный коллектор 200 имеет первое соединение 202 между нижней частью теплоаккумулятора 6 и нижней частью коллектора 200 и второе соединение 204 между верхней частью теплового магазин 6 и верхняя часть коллектора 200 . Как следствие, между коллектором 200 и термоаккумулятором 6 может быть установлена самотечная циркуляция воды. Это имеет то преимущество, что обмен жидкости между коллектором 200 и в накопителе 6 происходит только тогда, когда вода в самой верхней части коллектора 200 достаточно нагрета, чтобы начать самотечную циркуляцию. Точно так же циркуляция не происходит, когда вода в коллекторе холодная, например зимой.

Использование солнечного коллектора 200 повышает способность нагрева воды в теплоаккумуляторе 6 летом, когда маловероятно, что котел будет работать в режиме центрального отопления. Солнечный коллектор 200 не должен быть очень большим, но при этом позволяет подавать полезную энергию в хранилище конденсата таким образом, что, когда требуется горячая вода от котла, начальное повышение температуры может быть сообщено воде из холодной магистрали, которая подается в паровой котел.

Таким образом, можно извлекать значительную полезную энергию из дымовых газов с помощью простого и надежного теплообменника.

Теплообменники | Справочник по производству молочных продуктов

Цели термической обработки

К концу 19 века термическая обработка молока стала настолько обычным явлением, что большинство молочных заводов использовали этот процесс для тех или иных целей, например, для молока, предназначенного для производства сыра и масла.
До введения термической обработки молоко было источником инфекции, так как оно является идеальной средой для роста микроорганизмов. Такие болезни, как туберкулез и сыпной тиф, иногда передавались через молоко.
Термин «пастеризация» назван в честь Луи Пастера, который в середине XIX20-го века сделал свои фундаментальные исследования о летальном действии тепла на микроорганизмы и использовании термической обработки в качестве метода консервации. Пастеризация молока — это особый вид термической обработки, который можно определить как «любую тепловую обработку молока, обеспечивающую определенное уничтожение туберкулезной палочки (ТБ) без заметного изменения физико-химических свойств молока».
При рассмотрении истории пастеризации стоит отметить, что, хотя ученые повсюду довольно близко пришли к единому мнению о необходимой степени термической обработки, в коммерческой практике этот процесс долгое время очень слабо контролировался. Молоко часто было либо перегретым, либо недогретым, так что оно либо имело приготовленный вкус, либо обнаруживалось, что оно содержит жизнеспособные T.B.
В середине 1930-х годов (JDR:6/191) Кей и Грэм объявили об обнаружении фермента фосфатазы. Этот фермент всегда присутствует в сыром молоке и разрушается сочетанием температуры и времени, необходимым для эффективной пастеризации. Кроме того, его наличие или отсутствие легко подтверждается (тест на фосфатазу). Отсутствие фосфатазы указывает на то, что молоко было достаточно подогрето.

К счастью, все распространенные патогенные организмы, которые могут встречаться в молоке, погибают при относительно мягкой термической обработке, которая лишь незначительно влияет на физические и химические свойства молока. Наиболее устойчивым микроорганизмом является туберкулезная палочка (ТБ), которая считается погибшей при нагревании молока до 63°С в течение 10 минут. Полную безопасность можно обеспечить, нагревая молоко до 63 °C в течение 30 минут. Т.Б. поэтому считается эталонным микроорганизмом для пастеризации: любая тепловая обработка, уничтожающая T.B. можно рассчитывать на уничтожение всех других патогенов в молоке.
Помимо патогенных микроорганизмов, в молоке содержатся и другие вещества и микроорганизмы, которые могут испортить вкус и сократить срок годности различных молочных продуктов. Следовательно, вторичная цель тепловой обработки используется для уничтожения как можно большего количества этих других организмов и ферментных систем. Это требует более интенсивной термической обработки, чем необходимо для уничтожения патогенов.
Эта второстепенная цель термической обработки становится все более и более важной по мере того, как молочные заводы становятся все больше и меньше. Более длительные интервалы между поставками означают, что, несмотря на современные методы охлаждения, у микроорганизмов есть больше времени для размножения и развития ферментативных систем. Кроме того, происходит разложение компонентов молока, снижается рН и т. д. Чтобы решить эти проблемы, необходимо как можно быстрее применить термическую обработку после того, как молоко поступило на молокозавод.

К счастью, ни один из основных патогенов в молоке не образует спор.

Комбинация времени/температуры

Увеличение

Рис. 6.1.1

Смертельное действие на бактерии.

Сочетание температуры и времени выдержки очень важно, так как от него зависит интенсивность термической обработки. На рис. 6.1.1 показаны кривые летального эффекта для бактерий группы кишечной палочки, бактерий тифа и бацилл туберкулеза. Согласно этим кривым, колиформные бактерии погибают, если молоко нагревают до 70 °C и выдерживают при этой температуре около одной секунды. При температуре 65 °C для уничтожения бактерий группы кишечной палочки требуется время выдержки 10 секунд. Эти две комбинации, 70 °С/1 с и 65 °С/10 с, следовательно, имеют одинаковый летальный эффект.
Туберкулезные палочки более устойчивы к термической обработке, чем колиформные бактерии. Время выдержки 20 секунд при 70 °C или около 2 минут при 65 °C требуется для того, чтобы убедиться, что все они разрушены. В молоке могут быть и термостойкие микрококки, но, как правило, они совершенно безвредны.

Ограничивающие факторы для термической обработки

Интенсивная термическая обработка молока желательна с микробиологической точки зрения. Но такая обработка также сопряжена с риском неблагоприятного воздействия на внешний вид, вкус и пищевую ценность молока. Белки в молоке денатурируют при высоких температурах. Это означает, что сыродельные свойства молока резко ухудшаются при интенсивной термической обработке. Интенсивный нагрев вызывает изменение вкуса; сначала приготовленный аромат, а затем жженый аромат. Таким образом, выбор комбинации времени/температуры является вопросом оптимизации, при которой необходимо учитывать как микробиологические эффекты, так и аспекты качества.
Поскольку термическая обработка стала наиболее важной частью переработки молока, а знания о ее влиянии на молоко стали более понятными, были инициированы различные категории термической обработки, как показано в Таблице 6.1.1.

Table 6.1.1

The main categories of heat treatment in the dairy industry

Process	Temperature, °C	Time
Thermization
LTLT Пастеризация молока	63	30 мин
HTST Пастеризация молока	72 — 75	15 — 20 S
HTSTSTSTSTSTSTURISTIARITION из
HTSTSTSTSTSTISTIARISTIARISTIARISTIARITIONS
. – 5 s
Ultra pasteurization	125 – 138	2 – 4 s
UHT (flow sterilization) normally	135 – 140	a few seconds
Стерилизация в контейнере	115 – 120	20 – 30 мин

Термизация

На многих крупных молокозаводах невозможно сразу пастеризовать и переработать все молоко. Часть молока должна храниться в силосных резервуарах в течение нескольких часов или дней. В этих условиях даже глубокое охлаждение недостаточно для предотвращения серьезного ухудшения качества.
Поэтому многие молокозаводы предварительно нагревают молоко до температуры ниже температуры пастеризации, чтобы временно подавить рост бактерий. Этот процесс называется термизацией. Молоко нагревают до 63–65 °C в течение примерно 15 секунд, сочетание времени и температуры не инактивирует фермент фосфатазу. Двойная пастеризация запрещена законом во многих странах, поэтому термизация должна быть остановлена до достижения условий пастеризации.
Для предотвращения размножения аэробных спорообразующих бактерий после термизации молоко должно быть быстро охлаждено до 4 °C или ниже и его нельзя смешивать с необработанным молоком. Многие специалисты придерживаются мнения, что термизация благоприятно действует на некоторые спорообразующие бактерии. Тепловая обработка приводит к тому, что многие споры возвращаются в вегетативное состояние, а это означает, что они разрушаются при последующей пастеризации молока.
Термизацию следует применять только в исключительных случаях. Задача должна состоять в том, чтобы пастеризовать все поступающее молоко в течение 24 часов с момента его поступления на молокозавод.

LTLT пастеризация

Первоначальный тип термической обработки представлял собой периодический процесс, при котором молоко нагревали до 63 °C в открытых чанах и выдерживали при этой температуре в течение 30 минут. Этот метод называется методом держателя или методом низкой температуры в течение длительного времени (LTLT).
В настоящее время молоко почти всегда подвергается термической обработке в непрерывных процессах, таких как термизация, пастеризация HTST или ультрапастеризация.

HTST пастеризация

HTST является аббревиатурой от High Temperature Short Time. Фактическое сочетание времени и температуры варьируется в зависимости от качества сырого молока, типа обрабатываемого продукта и требуемых свойств хранения.

Молоко

Зум

Рис. 6.1.2

Кривые летального эффекта и кривые время/температура для разрушения некоторых ферментов и микроорганизмов.

Процесс ВТСТ молока включает его нагрев до 72–75 °C с выдержкой в течение 15–20 секунд перед охлаждением. Эта комбинация времени и температуры разрушает фермент фосфатазу. Поэтому тест на фосфатазу используется для проверки правильности пастеризации молока. Результат теста должен быть отрицательным; не должно быть заметной активности фосфатазы (рис. 6.1.2).

Сливки и кисломолочные продукты

Тесты на фосфатазу не следует использовать для продуктов с содержанием жира более 8%, так как некоторая реактивация фермента происходит вскоре после пастеризации. Термическая обработка также должна быть более сильной, так как жир является плохим проводником тепла.
Пероксидаза, другой фермент, поэтому используется для проверки результатов пастеризации сливок (тест на пероксидазу по Сторчу). Продукт нагревают до температуры выше 80°С, при этом время выдержки составляет около пяти секунд. Этой более интенсивной тепловой обработки достаточно для инактивации пероксидазы. Тест должен быть отрицательным – в продукте не должно быть определяемой пероксидазной активности (рис. 6.1.2).
Поскольку тест на фосфатазу также нельзя использовать для подкисленных продуктов, контроль нагревания основан на ферменте пероксидазе. Молоко, предназначенное для производства кисломолочной продукции, обычно подвергают интенсивному нагреванию для коагуляции сывороточных белков и повышения его водосвязывающих свойств, т. е. предотвращения образования сыворотки.

Ультрапастеризация

Ультрапастеризация может использоваться, когда требуется определенный срок хранения. Некоторым производителям достаточно двух дополнительных дней, в то время как другие стремятся добавить еще 30–40 дней сверх 2–16 дней, которые традиционно ассоциируются с пастеризованными продуктами. Основополагающий принцип заключается в уменьшении основных причин повторного заражения продукта во время обработки и упаковки, чтобы продлить срок годности продукта. Это требует чрезвычайно высокого уровня производственной гигиены и температуры распределения не выше 7 °C; чем ниже температура, тем дольше срок хранения.
Нагрев молока до 125–138 °C в течение 2–4 секунд и его охлаждение до < 7 °C является основой продления срока хранения. ESL, продленный срок хранения, – это общий термин для термообработанных продуктов, которым тем или иным способом были приданы улучшенные свойства хранения. Тем не менее, продукты ESL должны храниться в холодильнике во время распространения и в розничных магазинах.

Ультравысокотемпературная обработка

Ультравысокотемпературная обработка. УВТ-обработка — это метод сохранения жидких пищевых продуктов путем кратковременного интенсивного нагревания, обычно до температуры в диапазоне 135–140 °C. Это убивает микроорганизмы, которые в противном случае разрушили бы продукты.
УВТ-обработка — это непрерывный процесс, происходящий в закрытой системе, что предотвращает загрязнение продукта переносимыми по воздуху микроорганизмами. Продукт проходит этапы нагрева и охлаждения в быстрой последовательности. Неотъемлемой частью процесса является асептическое наполнение, чтобы избежать повторного заражения продукта.

Используются два альтернативных метода ультрапастеризации:

Непрямой нагрев и охлаждение в теплообменниках,
Прямой нагрев путем впрыскивания пара или вливания молока в пар и охлаждение путем расширения под вакуумом.

Стерилизация

Исходной формой стерилизации, которая все еще используется, является стерилизация в контейнере, обычно при 115–120 °C в течение 20–30 минут.
После стандартизации по жиру, гомогенизации и нагревания примерно до 80 °С молоко упаковывается в чистую тару; обычно стеклянные или пластиковые бутылки для молока и банки для сгущенного молока. Продукт, еще горячий, передается в автоклавы при серийном производстве или в гидростатическую колонну при непрерывном производстве.

Нагрев и охлаждение являются наиболее важными операциями на молочной ферме.

Предварительный подогрев

Обычно желаемая температура обработки достигается сразу после пастеризации, но иногда необходимо временно охладить и хранить молоко перед окончательной обработкой. Некоторые примеры приведены ниже.
Молоко для сыра предварительно нагревается до 30–35 °C перед подачей в чан, где производится окончательная регулировка температуры перед добавлением сычужного фермента. В качестве теплоносителя используется горячая вода. Теплая сыворотка из предыдущей партии также может быть использована для первого этапа предварительного нагрева, чтобы сократить затраты на нагрев.
Йогуртовое молоко предварительно нагревают до 40–45 °C перед подачей в бродильный чан, где происходит добавление закваски. В качестве теплоносителя используется горячая вода.
Молоко также может быть предварительно нагрето перед добавлением других ингредиентов (таких как шоколадный порошок, сахар или жиры) при производстве различных пищевых продуктов на основе молока.

Процессы теплопередачи на молочном заводе

Одним из наиболее важных требований современного молочного производства является возможность контроля температуры продуктов на каждом этапе процесса. Поэтому нагрев и охлаждение являются очень распространенными операциями на молочной ферме.

Нагрев

В качестве теплоносителя для нагревания молока используется горячая вода или иногда пар низкого давления. Некоторое количество теплоты передается от теплоносителя к молоку, так что температура последнего повышается, а температура теплоносителя соответственно падает.

Охлаждение

Сразу после поступления на молокозавод молоко часто охлаждают до низкой температуры (5 °C или ниже) для временного предотвращения роста микроорганизмов. После пастеризации молоко снова охлаждают примерно до 4 °C.
При наличии природной холодной воды ее можно использовать для предварительного охлаждения после пастеризации и регенеративного теплообмена. Во всех случаях тепло передается от молока к охлаждающей среде. Температура молока снижается до желаемого значения и соответственно повышается температура охлаждающей среды. Охлаждающей средой может быть холодная вода, ледяная вода, соляной раствор или раствор спирта, такого как гликоль.

Регенеративный нагрев и охлаждение

Во многих случаях продукт необходимо сначала нагреть для определенной обработки, а затем охладить. Например, пастеризация молока. Охлажденное молоко нагревают примерно от 4 °C до температуры пастеризации 72 °C, выдерживают при этой температуре в течение 15 секунд, а затем снова охлаждают до 4 °C.
Тепло пастеризованного молока используется для подогрева холодного молока. Входящее холодное молоко предварительно нагревается выходящим горячим молоком, которое одновременно предварительно охлаждается. Это позволяет экономить энергию на обогрев и охлаждение. Процесс происходит в теплообменнике и называется регенеративным теплообменом или, чаще, рекуперацией тепла. До 94-95% теплосодержания пастеризованного молока может быть использовано повторно.

Теплопередача

Два вещества должны иметь разные температуры для передачи тепла от одного к другому. Тепло всегда переходит от более теплого вещества к более холодному. Тепловой поток быстрый, когда разница температур велика. При теплопередаче разница температур постепенно уменьшается и скорость теплопередачи замедляется, полностью прекращаясь при выравнивании температур.

Тепло может передаваться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Под теплопроводностью понимается передача тепловой энергии через твердые тела и слои покоящейся жидкости (без физического течения или перемешивания в направлении передачи тепла). На рис. 6.1.3 показан пример передачи тепла чайной ложке в чашке горячего кофе. Тепло передается ручке теплопроводностью, которая затем становится теплее.
Конвекция — это форма теплопередачи, которая происходит, когда частицы с высоким теплосодержанием смешиваются с холодными частицами и передают свое тепло последним путем теплопроводности (рис. 6.1.4). Следовательно, конвекция включает перемешивание. Если чайную ложку ополоснуть проточной холодной водой, тепло от ложки передается воде, которая при этом нагревается. Нагретая вода заменяется холодной водой, которая, в свою очередь, поглощает тепло от ложки. Теплопередача конвекцией продолжается до тех пор, пока ложка и проточная вода не станут одинаковой температуры.
Излучение — это выделение тепла телом, накопившим тепловую энергию (рис. 6.1.5). Тепловая энергия преобразуется в лучистую энергию, испускаемую телом и поглощаемую другими телами, с которыми она сталкивается.

Зум

Рис. 6.1.3

Теплопередача путем теплопроводности. Пример: тепло передается от чаши ложки к ручке.

Зум

Рис. 6.1.4

Теплопередача конвекцией. Пример: ложку ополаскивают в проточной холодной воде. Тепло поглощается водой, и ложка становится холоднее, пока ложка и вода не станут одинаковой температуры.

Зум

Рис. 6.1.5

Теплопередача излучением. Пример: крыша аккумулирует солнечное тепло днем и излучает тепло ночью.

Почти все вещества излучают лучистую энергию.

Принципы теплопередачи

Весь теплообмен на молочных предприятиях происходит в форме конвекции и теплопроводности. Используются два принципа: прямой и непрямой нагрев.

Прямой нагрев

Прямой нагрев означает, что теплоноситель смешивается с продуктом.
Этот метод используется для:

Нагрева воды, когда пар впрыскивается непосредственно в воду и передает тепло воде как за счет конвекции, так и за счет теплопроводности.
Подогрев продуктов, например творога, при изготовлении некоторых видов сыра (путем смешивания горячей воды с творогом) и для стерилизации молока прямым методом (впрыскиванием пара или вливанием молока в пар). Прямой метод теплопередачи эффективен для быстрого нагрева. Он предлагает определенные преимущества, которые будут рассмотрены в главе 9.на молочную продуктивность долголетия. Однако он включает смешивание продукта с теплоносителем, что требует определенных этапов в последующем процессе. Также предъявляются строгие требования к качеству теплоносителя. Прямой нагрев запрещен законом в некоторых странах на том основании, что при этом в продукт попадают посторонние вещества.

Непрямой нагрев

Zoom

Рис. 6.1.6

Тепло передается от теплоносителя к холодному продукту по другую сторону перегородки.

Таким образом, непрямой теплообмен является наиболее часто используемым методом на молочных заводах. В этом методе между продуктом и нагревающей или охлаждающей средой помещается перегородка. Затем тепло передается от среды через перегородку в продукт (рис. 6.1.6).
Будем считать, что теплоносителем является горячая вода, протекающая по одной стороне перегородки, и холодное молоко по другую. Таким образом, перегородка нагревается со стороны теплоносителя и охлаждается со стороны продукта. В пластинчатом теплообменнике пластина является перегородкой.
На каждой стороне перегородки есть пограничный слой. Скорость жидкостей замедляется трением почти до нуля в пограничном слое, контактирующем с перегородкой. Слой непосредственно за пределами пограничного слоя тормозится только жидкостью в пограничном слое и, следовательно, имеет низкую скорость. Скорость постепенно увеличивается и достигает наибольшего значения в центре канала.
Точно так же температура горячей воды самая высокая в середине канала. Чем ближе вода к перегородке, тем больше она охлаждается холодным молоком с другой стороны. Тепло передается конвекцией и теплопроводностью к пограничному слою. Переход от пограничного слоя через стенку к пограничному слою на другой стороне почти полностью осуществляется за счет проводимости, тогда как дальнейший переход к молоку в центральной зоне канала осуществляется как за счет проводимости, так и за счет конвекции.

Теплообменник

Zoom

Рис. 6.1.7

Температурные профили для теплообмена в теплообменнике.

Теплообменник используется для передачи тепла косвенным способом.
Несколько различных типов будут описаны позже. Упростить теплообмен можно, условно представив теплообменник в виде двух каналов, разделенных трубчатой перегородкой.
По одному каналу течет горячая вода (красный), по другому – молоко (синий). Тепло передается через перегородку. Горячая вода поступает в канал при температуре t _и2 и охлаждается до температуры t ₀₂ на выходе. Молоко поступает в теплообменник при температуре ti1 и нагревается горячей водой до температуры на выходе t ₀₁ . Изменения температуры при прохождении через теплообменник показаны кривыми на рис. 6.1.7.

Размеры теплообменника

Необходимый размер и конфигурация теплообменника зависят от многих факторов. Расчет очень сложен и в настоящее время обычно выполняется с помощью компьютера.

. Факторами, которые необходимо учитывать:

Скорость потока продукта
Физические свойства жидкостей

ТЕМПАРТА.

общая формула для расчета необходимого размера (площади теплообмена) теплообменника:

Zoom

Формула 6.1.1

Скорость потока продукта

Скорость потока V определяется планируемой производительностью молочного завода. Чем выше скорость потока, тем больше требуется теплообменник.

Пример: Если скорость потока продукта в установке должна быть увеличена с 10 000 до 20 000 л/ч, теплообменник должен быть увеличен в два раза по сравнению с первоначальным размером, при условии, что скорость потока рабочих сред также удвоится, остальные факторы постоянны.

Физические свойства жидкостей

Показатель плотности ρ определяется продуктом.
Показатель удельной теплоемкости, cp, также определяется продуктом. Удельная теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо сообщить веществу, чтобы повысить его температуру на 1 °С. Еще одним важным физическим свойством является вязкость. Это будет обсуждаться в разделе об общем коэффициенте теплопередачи ниже.

Температурная программа

Целью передачи тепла является нагрев или охлаждение заданного количества продукта, например молока, от заданной температуры на входе до заданной температуры на выходе. Это достигается в теплообменнике с помощью рабочей среды, такой как вода. В случае подогрева молоко нагревается горячей водой, температура которой соответственно падает.
Необходимо учитывать несколько аспектов температурной программы: изменение температуры, перепад температур между жидкостями и направление потока жидкостей.

Изменение температуры

Температура продукта на входе и выходе определяется предшествующими и последующими стадиями процесса. Изменение температуры продукта обозначено Δt в приведенной выше общей формуле. Его можно выразить как:
Δt ₁ = t _o1 – t _i1 . См. также рисунок 6.1.7.
Входная температура рабочей среды определяется условиями обработки. Температуру выходящей рабочей среды можно рассчитать путем расчета энергетического баланса.
Для современного теплообменника потерями энергии в окружающий воздух можно пренебречь, так как они очень малы. Таким образом, тепловая энергия, отдаваемая горячей жидкостью, равна тепловой энергии, поглощаемой холодной жидкостью, т. е. энергетический баланс. Его можно выразить следующей формулой:

Масштаб

Формула 6.1.2

Пример: 20 000 л/ч молока для сыра (V ₁) необходимо нагреть с 4 °C до 34 °C с помощью 30 000 л/ч горячей воды (V ₂) до 50 °C. Плотность (ρ) и удельная теплоемкость (c _p ) для молока составляют около 1020 кг/м ³ и 3,95 кДж/кг, К, а для воды 990 (при 50 °С) и 4,18 кДж/кг.
Затем можно рассчитать изменение температуры горячей воды:
20 000 x 1 020 x 3,95 x (34 – 4) = 30 000 x 990 x 4,18 x Δt ₂
Δt ₂ = 19,5 °С. Температура горячей воды снизится на 19,5 с 50 до 30,5 °С.

Среднелогарифмическая разность температур (LMTD)

Как уже упоминалось, для осуществления теплопередачи между двумя средами должна существовать разница температур. Перепад температур является движущей силой. Чем больше разница температур, тем больше тепла передается и тем меньше требуется теплообменник. Однако для чувствительных продуктов существуют пределы того, насколько большая разница может быть использована.
Дифференциал температуры теплообменника может изменяться. Для расчета используется среднее значение LTMD. В приведенной выше общей формуле он называется Δtm. Его можно рассчитать по следующей формуле, используя номиналы на рис. 6.1.8.

Зум

Формула 6.1.3

В примере с нагревателем сырного молока среднелогарифмическая разность температур Δtm может быть рассчитана как 20,8 °C.
Важным фактором при определении среднего перепада температур является направление потока в теплообменнике. Есть два основных варианта: противоток или прямоток.

Противоточный поток

Разницу температур между двумя жидкостями лучше всего использовать, если они текут в противоположных направлениях через теплообменник (рис. 6.1.8). Затем холодный продукт встречается с холодным теплоносителем на входе и со все более нагретым теплоносителем по мере прохождения через теплообменник. Во время прохождения продукт постепенно нагревается, так что температура всегда лишь на несколько градусов ниже температуры теплоносителя в соответствующей точке. Такой тип расположения называется противотоком.

Масштаб

Рис. 6.1.8

Температурные профили для теплообмена в теплообменнике с противотоком.

Попутный поток

При противоположном расположении, попутном потоке (рис. 6.1.9), обе жидкости входят в теплообменник с одного конца и текут в одном направлении. В прямотоке невозможно нагреть продукт до температуры выше той, которая была бы получена, если бы продукт и теплоноситель смешивались. Это ограничение не распространяется на противоток; продукт может нагреваться с точностью до двух-трех градусов от входной температуры теплоносителя.

Масштаб

Рис. 6.1.9

Температурные профили для теплообмена в теплообменнике с параллельным потоком.

Общий коэффициент теплопередачи

Этот коэффициент k является мерой эффективности теплопередачи. Он показывает, сколько тепла проходит через 1 м2 перегородки на 1 °С перепада температур. Тот же коэффициент используется для расчета теплоизоляции зданий, хотя в этом случае цель состоит в том, чтобы сделать k как можно меньше, тогда как в теплообменнике он должен быть как можно выше.

Этот коэффициент зависит от:

Допустимых перепадов давления для жидкостей
Вязкости жидкостей
Форма и толщина перегородки
Материал перегородки

Наличие давления загрязняющих веществ
5 8 капли
Чтобы увеличить значение k и улучшить теплопередачу, можно уменьшить размер канала, по которому течет продукт. Это уменьшает расстояние, на котором тепло должно передаваться от перегородки к центру канала.
В то же время площадь поперечного сечения потока уменьшается. Это имеет два результата:
a Скорость потока в канале увеличивается, что, в свою очередь, означает
b Поток становится более турбулентным.
Чем больше перепад давления для продукта и рабочей среды, тем больше тепла передается и тем меньше требуется теплообменник.
Продукты, чувствительные к механическому перемешиванию (например, молочный жир), могут, однако, быть повреждены при агрессивном обращении. Падение давления на теплообменнике также увеличивается, поэтому давление продукта перед теплообменником необходимо увеличить, чтобы протолкнуть продукт через более узкие каналы. В этом случае может потребоваться установка подкачивающего насоса. В некоторых странах установка бустерного насоса указана в законодательных требованиях, в основном для обеспечения более высокого давления на стороне продукта и, таким образом, для предотвращения утечки непастеризованного продукта в пастеризованный.
Вязкость
Вязкость продукта и рабочей среды важны для определения размеров теплообменника. Жидкость с высокой вязкостью создает меньшую турбулентность при протекании через теплообменник по сравнению с продуктом с более низкой вязкостью. Это означает, что необходим теплообменник большего размера, при условии, что все остальное остается неизменным. Например, для сливок требуется теплообменник большего размера, чем для молока, если производительность и температурные программы идентичны.
Особое внимание следует уделять продуктам с неньютоновскими характеристиками течения. Для этих продуктов кажущаяся вязкость зависит не только от температуры, но и от скорости сдвига. Продукт, который кажется довольно густым в резервуаре, может течь гораздо легче, если его перекачивать по трубам или теплообменнику. Текучесть таких продуктов необходимо измерять с помощью специальных приборов, чтобы можно было сделать правильные расчеты. (См. также главу 3, Реология.)
Форма и толщина перегородки
Перегородка часто гофрирована для создания более турбулентного потока, что приводит к лучшей теплопередаче. На рис. 6.1.10 показаны три различных конструкции.
Пластины с различными гофрами согласно А ) и В ) на рисунке, имеют разные тепловые свойства и перепады давления. С помощью этих двух типов пластин можно сформировать три разных канала. Это дает возможность оптимизировать соотношение теплопередачи/падения давления для определенного режима работы.
На рис. С) показана пластина с совершенно другим гофром. Количество точек контакта уменьшено, чтобы можно было прокачивать жидкости с частицами или волокнами ограниченного размера.
Толщина также важна. Чем тоньше перегородка, тем лучше теплопередача. Но это должно быть уравновешено потребностью в том, чтобы перегородка была достаточно прочной, чтобы выдерживать давление жидкостей. Современные пластины имеют точки контакта металл-металл, что обеспечивает хорошую устойчивость к давлению даже для тонких пластин.
Теплообмен в трубчатых теплообменниках можно улучшить за счет гофрирования внутренних труб (рис. 6.1.11). Это, однако, также даст более высокий перепад давления. Гладкие или гофрированные трубы выбираются для оптимизации отношения теплопередачи к перепаду давления.
Зум
Рис. 6.1.10
Форма перегородки в пластинчатом теплообменнике может различаться в зависимости от обрабатываемого продукта и требований к тепловой эффективности.
Зум
Рис. 6.1.11
Турбулентность будет намного более интенсивной, если поверхность гофрированная, по сравнению с гладкой поверхностью.
Материал перегородки
Для пищевой промышленности обычным материалом является нержавеющая сталь, обладающая достаточно хорошими характеристиками теплопередачи.
Наличие загрязняющих веществ
Большинство молочных продуктов чувствительны к нагреванию, поэтому это необходимо делать очень осторожно, чтобы избежать изменений в продуктах. Белки сворачиваются и покрывают внутреннюю часть горячей кастрюли, если в ней нагревают молоко. То же самое происходит в теплообменниках, если поверхность теплопередачи слишком горячая.
Поэтому разница температур между теплоносителем и продуктом должна быть как можно меньше, обычно на 2–3 °C выше температуры пастеризации. Если поверхность слишком горячая по отношению к продукту, есть риск, что белки в молоке свернут и отложатся тонким слоем на перегородках. В этом случае тепло также должно передаваться через этот слой, что приведет к падению значения общего коэффициента теплопередачи k.
В этом случае разность температур между теплоносителем и продуктом будет недостаточна для передачи того же количества тепла, что и раньше, и температура на выходе продукта упадет. Это можно компенсировать повышением температуры теплоносителя, но при этом повышается и температура поверхности теплообмена, так что на поверхности коагулирует больше белка, увеличивается толщина корки и еще больше падает значение k.
На значение k также влияет увеличение или уменьшение скорости потока через теплообменник, так как это влияет на характеристики потока. Увеличение скорости потока делает поток более турбулентным и увеличивает значение k. Дросселирование потока делает его менее турбулентным и снижает значение k. Поэтому обычно желательно избегать колебаний скорости потока через теплообменник, но по экономическим причинам может быть необходимо допустить некоторые отклонения в определенных типах производства.
Пример: В ранее рассмотренном случае подогревателя сырного молока коэффициент теплопередачи можно принять равным примерно 5000 Вт/м2, К, если используется пластинчатый теплообменник из тонкой нержавеющей стали и пластины не сильно загрязнены .
Другими факторами в форме, показанном ранее в разделе «Данные размерных данных для теплообменника»:
Скорость потока, L/H = 200 000
Плотность, кг/м ³ = 1 020
Удельное тепло, кДж /кг, k = 3,95
Изменение температуры, ° C = 30
Разница температуры, ° C = 20,8
Коэффициент теплопередачи, w /m ², k = 5000
рассчитывается как:
Масштаб
Формула 6. 1.4
Это значение следует рассматривать как теоретическое. На практике необходимо также учитывать чувствительный характер продукта и требования процесса. Двумя такими факторами, не включенными в формулу, являются требования к очищаемости и времени работы.
Требование к очистке
Теплообменник на молочной ферме необходимо очищать в конце производственного цикла. Это делается путем циркуляции моющих средств таким же образом, как и молоко. Процесс очистки описан отдельно в Главе 21.
Для эффективной очистки теплообменник должен быть спроектирован не только с учетом требуемой температурной программы, но и с учетом очистки.
Если некоторые проходы в теплообменнике очень широкие, т. е. имеют несколько параллельных каналов, турбулентность при очистке может оказаться недостаточной для эффективного удаления отложений. С другой стороны, если некоторые проходы очень узкие, т. е. несколько параллельных каналов, турбулентность может быть настолько высокой, что падение давления будет очень большим. Такой большой перепад давления может снизить скорость потока чистящего раствора, тем самым снижая его эффективность. Таким образом, теплообменник должен быть спроектирован таким образом, чтобы обеспечивать эффективную очистку.
При прогоне жидкостей с частицами или волокнами во время очистки обычно требуется обратная промывка. Обратная промывка означает, что на некоторых этапах программы очистки поток меняется на противоположный.
Требуемое время работы
Некоторое загрязнение всегда происходит, когда молочные продукты нагреваются до температуры выше 65 °C. Это означает, что всегда будет ограниченное время работы, прежде чем пастеризатор должен быть остановлен для очистки.
Время работы трудно, если не сказать невозможно, предсказать, поскольку оно определяется количеством образовавшегося загрязнения.
Скорость накопления загрязнений зависит от многих факторов, таких как:
Разница температур между продуктом и теплоносителем
Качество молока
Содержание воздуха в продукте
Условия давления в секции нагрева
Особенно важно, чтобы содержание воздуха было как можно меньше. Избыток воздуха в продукте будет в значительной степени способствовать усилению загрязнения. При определенных условиях время работы также может быть ограничено ростом микроорганизмов в нижней по потоку части регенеративной части пластинчатого теплообменника. Однако это бывает редко; когда это происходит, это обычно связано с предварительной обработкой молока.
Все это вместе делает важным предусмотреть регулярную очистку при составлении производственных планов для пастеризаторов.
Регенерация
Метод использования тепла горячей жидкости, такой как пастеризованное молоко, для предварительного нагрева холодного входящего молока называется регенерацией. Холодное молоко также служит для охлаждения горячего, что позволяет экономить воду и электроэнергию. Эффективность регенерации до 95 % может быть достигнута на эффективных современных установках пастеризации.
В качестве примера можно взять простейший рабочий профиль – термическая обработка сырого молока. Используя формулу:
Масштаб
Формула 6. 1.5
Где значения в этом примере
R = регенеративная эффективность, %
T _R = температура молока после регенерации, ° C 68
T _I = температура входящего молока, ° C 4
t _p = температура пастеризации, °С 72
Холдинг
Рис. 6.1.12
Закрытая спиральная трубка для длительного удержания.
Правильная термическая обработка требует, чтобы молоко выдерживалось в течение определенного времени при температуре пастеризации. Это делается во внешней камере содержания.
Камера содержания обычно состоит из трубы, расположенной по спирали или зигзагу, и часто покрыта металлическим кожухом, чтобы люди не могли получить ожоги при прикосновении к ней. Кожух также уменьшит потери тепла в окружающий воздух. Длина трубы и скорость потока рассчитываются так, чтобы время пребывания в камере выдержки равнялось требуемому времени выдержки.
Точный контроль скорости потока имеет важное значение, поскольку размеры оборудования для выдержки рассчитаны на определенное время выдержки при заданной скорости потока. Время выдержки изменяется обратно пропорционально скорости потока в камере выдержки.
Выдерживающие секции, встроенные в пластинчатый теплообменник, использовались раньше, но в настоящее время почти исключительно используются внешние выдерживающие ячейки.
Расчет времени выдержки
Масштаб
Рис. 6.1.13
Зигзагообразная удерживающая трубка.
Подходящую длину трубы для требуемого времени выдержки можно рассчитать, если известны часовая производительность и внутренний диаметр выдерживающей трубы. Поскольку профиль скорости в удерживающей трубке неоднороден, некоторые молекулы молока будут двигаться быстрее, чем в среднем. Чтобы даже самая быстрая молекула была достаточно пастеризована, необходимо использовать коэффициент эффективности. Этот коэффициент зависит от конструкции удерживающей трубы, но часто находится в диапазоне 0,8–0,9, если поток турбулентный. Для более вязких жидкостей поток может быть ламинарным, и тогда КПД будет ниже.
Данные, необходимые для расчета:
Q = расход при пастеризации, л/ч
HT = время выдержки в секундах
L = длина выдерживающей трубки в дм, соответствующая Q и HT
D = внутренний диаметр выдерживающей трубки в дм
V = объем молока в л или дм3, соответствующий Q и HT
η = коэффициент эффективности
Пример: установка производительностью (Q) 10 000 л/ч. Внутренний диаметр (D) используемой трубы составляет 48,5 мм = 0,485 дм. Рассчитайте длину (L) удерживающей трубки с коэффициентом полезного действия 0,85.
Масштаб
Формула 6.1.6
Длина удерживающей трубы должна быть около 26,5 м.
Различные типы теплообменников
Наиболее широко используемым типом оборудования в конце 19 века был нагреватель, один из типов которого показан на рис. 6.1.14. Несмотря на множество недостатков, эта модель теплообменника все еще использовалась на некоторых молочных заводах даже в 1950-х годах.
В 1878 году немец Альберт Драке получил патент на устройство, в котором одна жидкость могла охлаждать другую, протекая слоями по противоположным сторонам ряда пластин. Неизвестно, покидали ли когда-либо такие патенты, один из которых распространяется на теплообменник, показанный на рис. 6.1.15. Однако в начале 19 в.20-х годов старые немецкие идеи подверглись переоценке, и был запущен регенеративный теплообменник, основанный на этих концепциях. С тех пор пластинчатые теплообменники стали играть преобладающую роль в целях нагрева и охлаждения в молочной промышленности.
В настоящее время наиболее широко используются следующие три типа теплообменников:
Пластинчатый теплообменник
Трубчатый теплообменник
Скребковый теплообменник
Zoom
Рис. 6.1.14
Этот тип мгновенного пастеризатора с мешалкой с турбинным приводом производился и продавался компанией AB Separator в период с 1896 по 1931 год.
Зум
Рис. 6.1.15
Пластинчатый теплообменник был запатентован в 1890 году немецкими изобретателями Лангеном и Хундхаузеном.
Пластинчатые теплообменники
Большая часть термической обработки молочных продуктов осуществляется в пластинчатых теплообменниках. Пластинчатый теплообменник (часто сокращенно ПТО) состоит из пакета пластин из нержавеющей стали, зажатых в раме.
Каркас может содержать несколько отдельных пакетов пластин – секций, в которых происходят разные стадии обработки, такие как предварительный нагрев, окончательный нагрев и охлаждение. В качестве теплоносителя используется горячая вода, а в качестве охлаждающей среды – холодная вода, ледяная вода или пропилгликоль, в зависимости от требуемой температуры продукта на выходе.
Пластины гофрированы по рисунку, предназначенному для оптимальной теплопередачи. Пакет пластин сжат в раме. Опорные точки на гофрах удерживают пластины друг от друга, так что между ними образуются тонкие каналы.
Жидкости входят и выходят из каналов через отверстия в углах пластин. Различные схемы открытых и глухих отверстий направляют жидкости из одного канала в другой.
Прокладки по краям пластин и вокруг отверстий образуют границы каналов и предотвращают внешние утечки и внутреннее перемешивание.
Зум
Рис. 6.1.16
Принципы течения и теплообмена в пластинчатом теплообменнике.
Схемы потока
Продукт вводится через угловое отверстие в первый канал секции и течет вертикально через канал. Он выходит на другом конце через отдельно уплотненный угловой проход. Расположение угловых проходов таково, что продукт проходит через чередующиеся каналы в пакете пластин.
Рабочая среда (нагревающая или охлаждающая) вводится с другого конца секции и проходит таким же образом через чередующиеся каналы пластин. Следовательно, каждый канал продукта имеет каналы среды обслуживания с обеих сторон.
Для эффективной теплопередачи каналы между пластинами должны быть как можно более узкими; но и скорость потока, и перепад давления будут высокими, если через эти узкие каналы должен пройти большой объем продукта. Ни один из этих эффектов нежелателен, и для их устранения прохождение продукта через теплообменник можно разделить на несколько параллельных потоков.
На рис. 6.1.17 синий поток продукта разделен на два параллельных потока, которые четыре раза меняют направление на участке. Каналы для красного теплоносителя разделены на четыре параллельных потока, дважды меняющих направление.
Эта комбинация записывается как 4 x 2 / 2 x 4, т.е. количество проходов, количество параллельных потоков для синего продукта, количество проходов и количество параллельных потоков для красного служебного носителя. Это называется группировкой пластин.
Зум
Рис. 6.1.17
Система параллельного течения как для продукта, так и для каналов нагрева/охлаждения. В этом примере комбинация записывается 4 x 2 / 2 x 4.
Трубчатые теплообменники
Трубчатые теплообменники (ТТО) в некоторых случаях используются для пастеризации и ультрапастеризации молочных продуктов. Трубчатый теплообменник (рис. 6.1.18), в отличие от пластинчатых теплообменников, не имеет точек контакта в канале продукта и, таким образом, может работать с продуктами с частицами до определенного размера. Максимальный размер частиц зависит от диаметра трубки. Трубчатый теплообменник также может работать дольше между чистками, чем пластинчатый теплообменник при ультрапастеризации.
По сравнению с пластинчатым теплообменником для создания эффективной теплопередачи в трубчатом теплообменнике требуется более высокая скорость потока.
Трубчатые теплообменники доступны в двух принципиально разных типах; мульти/моно трубка и концентрическая трубка.
Зум
Рис. 6.1.18
Трубчатые теплообменники собраны в компактный блок.
Многотрубный/однотрубный
Многотрубный трубчатый теплообменник работает по классическому кожухотрубному принципу, при этом продукт проходит через группу параллельных труб, а рабочая среда проходит между трубами и вокруг них. Турбулентность для эффективной теплопередачи создается спиральными гофрами на трубках и кожухе.
Поверхность теплопередачи состоит из пучка прямых гофрированных или гладких труб (1), вваренных в трубные доски с обоих концов (рисунки 6.1.19 и 6.1.20). Трубные пластины, в свою очередь, герметизированы относительно внешней оболочки с помощью конструкции с двойным уплотнительным кольцом (2) (плавающая конструкция). Такая конструкция позволяет извлекать трубки продукта из кожуха, откручивая торцевые болты. Это делает блок разборным для осмотра.
Плавающая конструкция поглощает тепловое расширение, а пучки труб продукта в оболочке можно менять, что позволяет использовать различные комбинации для различных применений.
Прямая рекуперация тепла от продукта к продукту может использоваться в многотрубной системе специальной конструкции. Это связано с тем, что трубные вставки можно вынимать для осмотра и со стороны кожуха.
Однотрубный вариант с одной внутренней трубкой, которая пропускает частицы диаметром до 50 мм. Трубки
Multi/mono хорошо подходят для процессов, работающих при очень высоких давлениях и высоких температурах.
Зум
Рис. 6.1.19
Конец многотрубного трубчатого теплообменника.
Трубки для продуктов, окруженные охлаждающей средой
Двойное кольцевое уплотнение
Зум
Рис. 6.1.20
Конец однотрубного трубчатого теплообменника.
Зум
Рис. 6.1.21
Конец концентрического трубчатого теплообменника.
Концентрическая трубка
Теплообменная поверхность концентрического трубчатого теплообменника, показанного на рис. 6.1.21, состоит из концентрически расположенных прямых труб разного диаметра. Эта конструкция обеспечивает эффективный нагрев или охлаждение, так как по обеим сторонам кольцевого канала продукта находится нагревающая/охлаждающая среда. Канал продукта доступен с различной глубиной для удовлетворения требований к продуктам с частицами.
Концентрическая трубка с плавающими трубками компенсирует тепловое расширение и позволяет контролировать каналы продукта и среды.
Концентрическая трубка особенно хорошо подходит для высоковязких жидкостей с сильным неньютоновским течением.
Теплообменник скребковый
Теплообменник скребковый (рисунок 6. 1.22), предназначен для нагрева и охлаждения вязких, вязких и комковатых продуктов, а также для кристаллизации продуктов. Все продукты, которые можно перекачивать, также можно обрабатывать.
Скребковый теплообменник состоит из цилиндра (1), через который продукт прокачивается в противотоке с рабочей средой в окружающей рубашке. Сменные роторы (2) различного диаметра и различные конфигурации штифтов/лопастей (3) позволяют адаптировать их к различным применениям. Роторы меньшего диаметра позволяют более крупным частицам проходить через цилиндр, а роторы большего диаметра обеспечивают более короткое время пребывания и улучшенные тепловые характеристики.
Продукт поступает в вертикальный цилиндр через нижнее отверстие и непрерывно течет вверх через цилиндр. При запуске процесса весь воздух полностью удаляется перед продуктом, что обеспечивает полное и равномерное покрытие продуктом поверхности нагрева или охлаждения.
Вращающиеся лопасти непрерывно удаляют продукт со стенки цилиндра (рис. 6.1.23), чтобы обеспечить равномерную передачу тепла продукту. Кроме того, поверхность очищается от отложений.
Продукт выходит из цилиндра через верхний порт. Поток продукта и скорость вращения ротора варьируются в зависимости от свойств продукта, протекающего через цилиндр.
При остановке, благодаря вертикальной конструкции, продукт может быть вытеснен водой с минимальным перемешиванием, что обеспечивает возврат продукта в конце каждого цикла. После этого полный слив облегчает безразборную мойку и смену продукта.
Как упоминалось выше, ротор и лопасти являются сменными, что возможно благодаря автоматическому гидравлическому подъемнику, облегчающему подъем и опускание узла ротор/лопасти (Рисунок 6.1.24).
Типичными продуктами, обрабатываемыми в скребковом теплообменнике, являются джемы, сладости, приправы, шоколад и арахисовое масло. Он также используется для жиров и масел для кристаллизации маргарина и шортенингов и т. д.
Скребковый теплообменник также доступен в версиях, предназначенных для асептической обработки.
Два или более скребковых теплообменника вертикального типа могут быть соединены последовательно или параллельно для получения большей поверхности теплопередачи в зависимости от требуемой производительности обработки.
Зум
Рис. 6.1.22
Скребковый теплообменник вертикального типа.
Зум
Рис. 6.1.23
Разрез скребкового теплообменника.
Цилиндр
Ротор
Лезвие
Зум
Рис. 6.1.24
Снятие лопастей с узла ротора в опущенном положении.
Змеевиковый теплообменник
В змеевиковом трубчатом теплообменнике продукт проходит через змеевиковую трубу, а среда обтекает трубу продукта для нагрева или охлаждения продукта. Уникальной особенностью змеевиковой конструкции является то, что она создает вторичный поток с высокой скоростью, что значительно увеличивает эффективность теплопередачи. Этот вторичный поток называется эффектом Дина.
При ламинарном течении в прямых трубах теплопередача жидкости поддерживается исключительно за счет теплопроводности жидкости. Поэтому эффективность теплопередачи ниже, чем в турбулентном потоке, где происходит интенсивное перемешивание, что значительно увеличивает теплопередачу.
В спиральных трубах вихри Дина будут действовать как «внутренние мешалки», транспортируя элементы жидкости от стенки трубы к центру трубы и наоборот. Процедура смешивания значительно сократит время, необходимое для осуществления желаемой теплопередачи, тем самым уменьшив длину и необходимую поверхность нагрева теплообменника. Кроме того, время пребывания и, следовательно, объемы продукта будут уменьшены.
Величина повышения теплопередачи зависит от конструкции змеевика, скорости жидкости и физических свойств жидкости. Улучшение основано на числе Дина, которое должно превышать 100, чтобы дать какой-либо значительный эффект. Высокие числа Дина обычно достигаются за счет высоких скоростей продукта в сочетании с плотно скрученной трубкой.
Однотрубный змеевик длиной от 30 до 100 метров имеет только одно входное и одно выходное соединение. Это обеспечивает щадящую механическую обработку и обеспечивает превосходную целостность частиц диаметром до 25 мм. Устройство разработано для обеспечения высокой гигиены и простоты обслуживания с плавающими концами через верхний и нижний фланцы.
Свернутая труба продукта помещается в вертикальную камеру, где течет нагревающая или охлаждающая среда. Нижние и верхние соединения труб продукта уплотнены уплотнительными кольцами, чтобы создать систему, которая обеспечивает перемещение между трубкой продукта и оболочкой среды. Такая конструкция поглощает эффекты теплового расширения и предотвращает растрескивание трубы. Агрегат поставляется с изоляцией для минимизации потерь тепла и обеспечения безопасности оператора. Размер теплообменника выбирается в зависимости от конкретного применения – количество блоков зависит от желаемой производительности и требуемой площади теплообмена.
Типичными продуктами, обрабатываемыми в спиральном теплообменнике, являются десертные пудинги на молочной основе, томатная паста, кетчуп, фруктовые пюре и продукты с частицами.
Зум
Рис. 6.1.25
Змеевиковый теплообменник
Зум
Рис. 6.1.26
Вихревая схема течения Дина
Число Дина – De – является функцией нормального числа Рейнольдса и квадратного корня из отношения диаметра трубы к диаметру катушки:
de = Re = re√ (D _T /D _C)
D _T Диаметр трубки M
D _C Диаметр катушки M
re Reynolds № = D _T Vρ /μ —
V -vidid № = D _T Vρ /μ —
VRID №. скорость м/с
ρ плотность жидкости кг/м ³
µ динамическая вязкость жидкости Пас
Перегретый пар | Спиракс Сарко
Дом / Узнать о паре /
Перегретый пар
Содержимое
Инженерные единицы
Что такое пар?
Перегретый пар
Качество пара
Теплопередача
Методы оценки расхода пара
Измерение потребления пара
Тепловой рейтинг
Энергопотребление резервуаров и чанов
Отопление с помощью змеевиков и кожухов
Обогрев чанов и резервуаров с помощью впрыска пара
Потребление пара трубами и воздухонагревателями
Потребление пара теплообменниками
Потребление пара растительными предметами
Энтропия — основное понимание
Энтропия — ее практическое применение
Назад, чтобы узнать о Steam
Перегретый пар
Объяснение свойств и использования перегретого пара (например, для производства электроэнергии). Включая объяснения термодинамических циклов Ренкина и Карно, таблицы перегретого пара и диаграмму Молье (H-S).
Если насыщенный пар, произведенный в котле, подвергается воздействию поверхности с более высокой температурой, его температура превысит температуру испарения.
Тогда пар описывается как перегретый на число температурных градусов, на которое он был нагрет выше температуры насыщения.
Перегрев пара не может быть сообщен, пока он все еще находится в присутствии воды, так как любое дополнительное тепло просто испаряет больше воды. Насыщенный пар необходимо пропускать через дополнительный теплообменник. Это может быть вторая ступень теплообмена в котле или отдельный пароперегреватель. Первичным теплоносителем может быть либо горячий дымовой газ из котла, либо он может сжигаться отдельно.
Перегретый пар находит применение, например, в турбинах, где пар направляется соплами на ротор. Это приводит к вращению ротора. Энергия для этого могла исходить только от пара, поэтому логически пар имеет меньше энергии после того, как он прошел через ротор турбины. Если бы пар был при температуре насыщения, эта потеря энергии привела бы к конденсации некоторого количества пара.
Турбины имеют несколько ступеней; отработанный пар из первого ротора будет направлен на второй ротор на том же валу. Это означает, что насыщенный пар будет становиться все более и более влажным по мере прохождения последовательных стадий. Это не только приведет к гидравлическому удару, но и частицы воды вызовут сильную эрозию внутри турбины. Решение состоит в том, чтобы снабжать турбину перегретым паром на входе и использовать энергию перегретой части для привода ротора до тех пор, пока условия температура/давление не станут близкими к насыщению; а затем выпустить пар.
Еще одной очень важной причиной использования перегретого пара в турбинах является повышение теплового КПД.
Термодинамический КПД теплового двигателя, такого как турбина, может быть определен с использованием одной из двух теорий:
(Примечание: значения температуры и содержания энергии, используемые в следующих примерах, взяты из таблиц пара)
Две теории
Цикл Карно, в котором изменение температуры пара между входом и выходом сравнивается с температурой на входе.
Цикл Ренкина, в котором изменение тепловой энергии пара между входом и выходом сравнивается с полной энергией пара.
Пример 2.3.1
На турбину подается перегретый пар при давлении 90 бар абс. при 450 °C.
Выхлоп имеет давление 0,06 бар абс. (частичный вакуум) и влажность 10 %.
Температура насыщения = 36,2 °C.
2.3.1.1 Определение эффективности Карно (ηC)
2.3.1.2 Определение КПД Ренкина (ηR)
Для теоретического цикла Ренкина, рис. 2.3.2, предполагается, что в турбине отсутствуют потери на трение, в турбине происходит полное расширение пара (изоэнтропическое ), и игнорирует энергию, добавляемую питающим насосом, возвращающим конденсат в котел.
Используя пример 2.3.1, где:
На турбину подается перегретый пар при давлении 90 бар абс. при 450 °C.
Выхлоп имеет давление 0,06 бар абс. (частичный вакуум) и влажность 10 %.
Температура насыщения = 36,2 °C.
Эти данные можно нанести на кривую температура/энтальпия, как показано на рис. 2.3.3:
Изучение цифр для любого из циклов показывает, что для достижения высокой эффективности:
Температура или энергия на входе в турбину должны быть максимально высокими. Это означает настолько высокое давление и температуру, насколько это практически возможно. Перегретый пар является самым простым способом обеспечить это.
Температура или энергия выхлопа должны быть как можно ниже. Это означает настолько низкое давление и температуру, насколько это практически возможно, и обычно достигается с помощью конденсатора на выхлопе турбины.
Примечания:
Цифры, рассчитанные в примерах 2.3.1.1 и 2.3.1.2, относятся к термодинамической эффективности, и их не следует путать с механической эффективностью.
Хотя показатели эффективности кажутся очень низкими, их не следует рассматривать изолированно, а использовать для сравнения одного типа теплового двигателя с другим. Например, газовые турбины, паровые двигатели и дизельные двигатели.
Таблицы перегретого пара
Таблицы перегретого пара отображают свойства пара при различных давлениях почти так же, как таблицы насыщенного пара. Однако для перегретого пара нет прямой зависимости между температурой и давлением. Следовательно, при определенном давлении перегретый пар может существовать в широком диапазоне температур.
Обычно таблицы насыщенного пара дают манометрическое давление, таблицы перегретого пара дают абсолютное давление.
Абсолютное давление бар a Единицы Температура (°C)

1,013 150 200 250 300 400 500
v _г (м ³ /кг) 1,912 2,145 2,375 2,604 3. 062 3,519
u _г (кДж/кг) 2 583 2 659 2 734 2 811 2 968 3 131
ч _г (кДж/кг) 2 777 2 876 2 975 3 075 3 278 3 488
с _г (кДж/кг К) 7,608 7,828 8.027 8.209 8,537 8.828

Пример 2.3.2
Насколько больше тепла имеет перегретый пар с температурой 400 °C и давлением 1,013 бар абс. (0 бар изб.), чем насыщенный пар при том же давлении?
Это может показаться полезным увеличением энергии, но на самом деле это усложнит жизнь инженеру, который хочет использовать пар для отопления.
Из показанной энергии перегрева можно определить удельную теплоемкость путем деления этого значения на разницу температур между температурой насыщения (100 °C) и температурой перегретого пара (400 °C):

Однако, в отличие от удельной теплоемкости воды, удельная теплоемкость перегретого пара значительно зависит от давления и температуры и не может приниматься за постоянную величину.
Таким образом, указанное выше значение 2,0 кДж/кг °C является только средней удельной теплоемкостью в указанном диапазоне температур для этого давления.
Прямой зависимости между температурой, давлением и удельной теплоемкостью перегретого пара нет. Однако существует общая тенденция к увеличению удельной теплоемкости с ростом давления при малых степенях перегрева, но это не всегда так.
Можно ли использовать перегретый пар в технологических теплообменниках и других процессах нагрева?
Хотя перегретый пар и не является идеальной средой для передачи тепла, он иногда используется для технологического нагрева на многих паровых установках по всему миру, особенно в HPI (отрасли по переработке углеводородов), которые производят масла и нефтехимические продукты. Скорее всего, это связано с тем, что перегретый пар уже доступен на месте для выработки электроэнергии, являясь предпочтительным источником энергии для турбин, а не с тем, что он имеет какое-либо преимущество перед насыщенным паром для обогрева. Чтобы внести ясность в этот вопрос, в большинстве случаев для процессов теплопередачи следует использовать насыщенный пар, даже если для этого требуется охлаждение пара. HPI часто охлаждают пар примерно до десяти градусов перегрева. Эта небольшая степень перегрева легко удаляется в первой части поверхности нагрева. С большим количеством перегрева сложнее и часто неэкономично иметь дело, и (для целей обогрева) его лучше избегать.
Существует довольно много причин, по которым перегретый пар не так подходит для технологического нагрева, как насыщенный пар:
Перегретый пар должен охладиться до температуры насыщения, прежде чем он сможет сконденсироваться, чтобы высвободить скрытую теплоту (энтальпию испарения). Количество тепла, отдаваемое перегретым паром при его охлаждении до температуры насыщения, относительно невелико по сравнению с его энтальпией испарения.
Если пар имеет перегрев всего в несколько градусов, это небольшое количество тепла быстро отдается до того, как он сконденсируется. Однако, если пар имеет большую степень перегрева, для охлаждения может потребоваться относительно много времени, в течение которого пар высвобождает очень мало энергии.
В отличие от насыщенного пара температура перегретого пара неоднородна. Перегретый пар должен охладиться, чтобы отдать тепло, в то время как насыщенный пар меняет фазу. Это означает, что с перегретым паром могут возникать температурные градиенты на поверхности теплообмена.
В теплообменнике использование перегретого пара может привести к образованию сухой зоны кипения вблизи трубной доски. Эта сухая область стенки может быстро покрыться накипью или загрязниться, а возникающая в результате высокая температура стенки трубки может привести к ее выходу из строя.
Это ясно показывает, что в системах теплопередачи пар с большим перегревом малопригоден, потому что он:
Отдает мало тепла, пока не охладится до температуры насыщения.
Создает температурные градиенты на поверхности теплопередачи по мере ее охлаждения до температуры насыщения.
Обеспечивает более низкую скорость теплопередачи при перегреве пара.
Требуются большие площади теплообмена.
Таким образом, перегретый пар не так эффективен для теплопередачи, как насыщенный пар. Это может показаться странным, учитывая, что скорость теплопередачи через поверхность нагрева прямо пропорциональна разности температур на ней. Если перегретый пар имеет более высокую температуру, чем насыщенный пар при том же давлении, то, конечно, перегретый пар должен отдавать больше тепла? Ответ на это «нет». Теперь мы рассмотрим это более подробно.
Это правда, что разница температур будет влиять на скорость теплопередачи через поверхность теплопередачи, как ясно показано в уравнении 2.5.3.
Уравнение 2.5.3 также показывает, что теплопередача будет зависеть от общего коэффициента теплопередачи «U» и площади теплопередачи «A».
Для любого отдельного применения площадь теплопередачи может быть фиксированной. Однако этого нельзя сказать о значении «U»; и в этом основное различие между насыщенным и перегретым паром.
Общее значение «U» для перегретого пара будет меняться на протяжении всего процесса, но всегда будет намного ниже, чем для насыщенного пара. Трудно предсказать значения «U» для перегретого пара, поскольку они будут зависеть от многих факторов, но, как правило, чем выше степень перегрева, тем ниже значение «U».
Как правило, для горизонтального парового змеевика, окруженного водой, значения «U» могут составлять от 50 до 100 Вт/м² °C для перегретого пара и 1 200 Вт/м² °C для насыщенного пара, как показано на рисунке 2.3. .4.
Для применений пар-масло значения «U» могут быть значительно меньше, возможно, до 20 Вт/м² °C для перегретого пара и 150 Вт/м² °C для насыщенного пара.
В кожухотрубном теплообменнике можно ожидать 100 Вт/м² °C для перегретого пара и 500 Вт/м² °C для насыщенного пара. Эти цифры типичны; фактические цифры могут отличаться из-за других конструктивных и эксплуатационных соображений.
Хотя температура перегретого пара всегда выше, чем у насыщенного пара при том же давлении, его способность передавать тепло поэтому намного ниже. Общий эффект заключается в том, что перегретый пар гораздо менее эффективен при передаче тепла, чем насыщенный пар при том же давлении. В следующем разделе «Обрастание» приведены более подробные сведения.
Мало того, что перегретый пар менее эффективен при передаче тепла, его очень трудно количественно определить с помощью уравнения 2.5.3, Q̇ = U A ΔT, поскольку температура пара будет падать по мере того, как он отдает свое тепло при прохождении вдоль поверхности нагрева.
Предсказание размера поверхностей теплопередачи с использованием перегретого пара является сложной и сложной задачей. На практике основные данные, необходимые для выполнения таких расчетов, либо неизвестны, либо получены эмпирическим путем, что ставит под сомнение их надежность и точность.
Очевидно, что поскольку перегретый пар менее эффективен при передаче тепла, чем насыщенный пар, то любая площадь нагрева, использующая перегретый пар, должна быть больше, чем змеевик насыщенного пара, работающий при том же давлении, для обеспечения того же расхода тепла.
Если нет другого выбора, кроме как использовать перегретый пар, невозможно поддерживать пар в его перегретом состоянии во всем нагревательном змеевике или теплообменнике, поскольку, отдавая часть своего теплосодержания вторичной жидкости, он охлаждается температура насыщения. Количество тепла выше насыщения довольно мало по сравнению с большим количеством тепла, доступного при конденсации.
Пар должен относительно скоро достичь насыщения в процессе; это позволяет пару конденсироваться для обеспечения более высокой скорости теплопередачи и приводит к более высокому общему значению «U» для всего змеевика, см. Рисунок 2.3.5.
Для этого перегретый пар, используемый для теплопередачи, не должен иметь перегрев более 10 °C.
Если это так, то относительно легко и практично сконструировать теплообменник или змеевик с площадью поверхности нагрева на основе насыщенного пара при том же давлении, добавив определенную площадь поверхности для учета перегрева. Используя это руководство, первая часть змеевика будет использоваться исключительно для снижения температуры перегретого пара до точки его насыщения. Тогда остальная часть змеевика сможет использовать преимущество более высокой теплопередающей способности насыщенного пара. Эффект заключается в том, что общее значение «U» может быть ненамного меньше, чем если бы в змеевик подавался насыщенный пар.
Исходя из практического опыта, если дополнительная площадь нагрева, необходимая для перегретого пара, составляет 1% на 2 °C перегрева, змеевик (или теплообменник) будет достаточно большим. Кажется, это работает до 10 ° C перегрева. Не рекомендуется использовать перегретый пар с температурой перегрева выше 10 °С в целях обогрева из-за возможного несоразмерного и неэкономичного размера поверхности нагрева, склонности к засорению, возможности порчи продукта из-за высокого и неравномерного перегрева. температуры.
Загрязнение
Загрязнение вызвано образованием отложений на поверхности теплопередачи, которые создают сопротивление тепловому потоку. Многие технологические жидкости могут осаждать осадок или накипь на нагревательных поверхностях, и это происходит быстрее при более высоких температурах. Кроме того, перегретый пар является сухим газом. Тепло, поступающее от пара к металлической стенке, должно проходить через прилипшие к стенке статические пленки, препятствующие тепловому потоку.
Конденсация насыщенного пара, напротив, вызывает движение пара к стенке и выделение большого количества скрытого тепла прямо на поверхности конденсации. Сочетание этих факторов означает, что общая скорость теплопередачи намного ниже, когда присутствует перегретый пар, даже если разница температур между паром и вторичной жидкостью выше.
Пример 2.3.3 Выбор размера пучка труб для перегретого пара
Перегретый пар при давлении 3 бар изб. и перегреве 10 °C (154 °C) должен использоваться в качестве основного источника тепла для кожухотрубного технологического теплообменника с тепловая нагрузка 250 кВт, нагрев жидкости на масляной основе с 80 °C до 120 °C (средняя арифметическая вторичная температура (ΔT _AM ) равна 100 °C). Оцените требуемую площадь первичного парового змеевика.
(Средние арифметические разности температур используются для простоты этого расчета; на практике для большей точности используются средние логарифмические температуры. Пожалуйста, обратитесь к Модулю 2.5 «Теплопередача» для получения подробной информации о арифметических и логарифмических средних разностях температур).
Сначала рассмотрим змеевик, если бы он нагревался насыщенным паром при давлении 3 бар изб. (144 °C).
Значение «U» для насыщенного парового нагрева мазута через новый змеевик из углеродистой стали принимается равным 500 Вт/м ² °C.
Другие применения с использованием перегретого пара
Все вышеизложенное применимо, когда пар проходит через относительно узкий канал, например, трубы в кожухотрубном теплообменнике или пластины в пластинчатом теплообменнике.
В некоторых случаях, например в сушильном цилиндре бумагоделательной машины, перегретый пар поступает в больший объем, когда его скорость падает до очень малых значений. Здесь температура пара у стенки цилиндра быстро падает почти до насыщения и начинается конденсация. Тогда поток тепла через стенку будет таким же, как если бы в цилиндр подводился насыщенный пар. Перегрев присутствует только в «сердцевине» парового пространства и не оказывает заметного влияния на скорость теплопередачи.
Существуют случаи, когда наличие перегрева может фактически снизить производительность процесса, когда в качестве технологического материала используется пар.
Один из таких процессов может включать введение влаги в продукт из пара по мере его конденсации, например, кондиционирование корма для животных (муки) перед гранулированием. Здесь влага, обеспечиваемая паром, является существенной частью процесса; перегретый пар пересушит муку и затруднит гранулирование.
Влияние снижения давления пара отверстие редукционного клапана. Это называется процессом дросселирования, при котором пар более низкого давления имеет ту же энтальпию (за исключением небольшой потери на трение при прохождении через клапан), что и пар высокого давления выше по потоку.
Однако температура дросселируемого пара всегда будет ниже температуры подаваемого пара.
Состояние дросселированного пара будет зависеть от:
Давления подаваемого пара.
Состояние подачи пара.
Падение давления на проходном отверстии клапана.
Для подаваемого пара с давлением ниже 30 бари в сухом насыщенном состоянии любое падение давления приведет к образованию перегретого пара после дросселирования. Степень перегрева будет зависеть от величины снижения давления.
Для подаваемого пара с давлением выше 30 бари в сухом насыщенном состоянии дросселированный пар может быть перегретым, сухим насыщенным или даже влажным, в зависимости от величины перепада давления. Например, давление сухого насыщенного пара при 60 бари должно быть уменьшено примерно до 10,5 бари для получения сухого насыщенного пара. При меньшем перепаде давления образуется влажный пар, а при большем перепаде давления образуется перегретый пар.
В равной степени состояние подаваемого пара при любом давлении будет влиять на состояние дросселированного пара. Например, влажный пар при давлении 10 бар изб. и степени сухости 0,95 необходимо уменьшить до 0,135 бар изб. для получения сухого насыщенного пара. Любой меньший перепад давления приведет к образованию влажного пара, а любой больший перепад давления приведет к перегреву дросселированного пара.
Пример 2.3.4 Повышение сухости влажного пара с помощью регулирующего клапана
Пар с долей сухости (χ) 0,95 снижается с 6 бар изб. до 1 бар изб. с помощью редукционного клапана.
Определите параметры пара после редукционного клапана.
Поскольку фактическая энтальпия пара при 1 бар изб. меньше, чем энтальпия сухого насыщенного пара при 1 бар изб., то пар не перегрет и все еще сохраняет долю влаги в своем содержании.
Поскольку общая энтальпия после редукционного клапана меньше общей энтальпии пара при давлении 1 бар изб., пар все еще влажный.
Пример 2.3.5 Перегрев, создаваемый регулирующим клапаном
Пар с коэффициентом сухости 0,98 снижается с 10 бар изб. до 1 бар изб. с помощью редукционного клапана (как показано на рис. 2.3.6).
Определить степень перегрева после клапана.
Как и в предыдущем примере (2.3.4), удельная энтальпия сухого насыщенного пара (hg) при 1 бар изб. составляет 2 706,7 кДж/кг.
Фактическая общая энтальпия пара больше общей энтальпии (hg) сухого насыщенного пара при 1 бари. Таким образом, пар не только на 100% сухой, но и имеет некоторую степень перегрева.
Избыточная энергия = 2 741,7 — 2 706,7 = 35 кДж/кг, и она используется для повышения температуры пара от температуры насыщения 120 °C до 136 °C.
Степень перегрева можно определить либо с помощью таблиц перегретого пара, либо с помощью диаграммы Молье.
Диаграмма Молье
Диаграмма Молье представляет собой график зависимости удельной энтальпии пара от его удельной энтропии (s _г ).
На рис. 2.3.7 показана упрощенная версия диаграммы Молье в уменьшенном масштабе. Диаграмма Молье отображает множество различных взаимосвязей между энтальпией, энтропией, температурой, давлением и степенью сухости. Это может показаться довольно сложным из-за количества строк:
линии постоянной энтальпии (горизонтальные).
Линии постоянной энтропии (вертикальные).
Кривая насыщения пара в центре диаграммы делит ее на область перегретого пара и область влажного пара. В любой точке выше кривой насыщения пар перегрет, а в любой точке ниже кривой насыщения пар влажный. Сама кривая насыщения представляет собой состояние сухого насыщенного пара при различных давлениях.
Линии постоянного давления в обоих регионах.
Линии постоянной температуры в области перегрева.
Линии постоянной доли сухости (χ) во влажной области.
Пример 2.3.6 Совершенное изоэнтропическое расширение, приводящее к работе
Рассмотрим идеальное расширение пара через турбину. Начальное давление 50 бар абс., температура 300°С, конечное давление 0,04 бар абс.
Поскольку процесс представляет собой идеальное расширение, энтропия остается постоянной. Конечное состояние затем можно найти, опустив вертикально вниз от начального состояния до 0,04 бар линию постоянного давления (см. рис. 2.3.9).).
В начальных условиях энтропия составляет приблизительно 6,25 кДж/кг °C. Если двигаться по этой линии вертикально вниз до достижения давления 0,04 бар абс., можно оценить конечное состояние пара. В этот момент удельная энтальпия составляет 1890 кДж/кг, а доля сухости – 0,72 (см. рис. 2.3.9).
Окончательное состояние также можно определить с помощью таблиц перегретого пара.
Поскольку энтропия сухого насыщенного пара при 0,04 бар абс. (8,473 кДж/кг °С) больше, чем энтропия перегретого пара при 50 бар абс. сухого насыщенного пара должен сконденсироваться, чтобы сохранить постоянную энтропию.
No related posts.