Большая Советская Энциклопедия (ТЕ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 144

  И. Н. Розенгауз.

Теплота фазового перехода

Теплота' фа'зового перехо'да, количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (или отвести от него) при равновесном изобарно-изотермическом переходе вещества из одной фазы в другую (фазовом переходе I рода — кипении , плавлении , кристаллизации , полиморфном превращении и т. п.). Для фазовых переходов II рода Т. ф. п. равна нулю. Равновесный фазовый переход при данном давлении происходит при постоянной температуре — температуре фазового перехода . Т. ф. п. равна произведению температуры фазового перехода на разность энтропий в двух фазах, между которыми происходит переход. Различают удельную и мольную Т. ф. п., отнесённые соответственно к 1 кг и 1 молю вещества.

Теплотехника

Теплоте'хника, отрасль техники, занимающаяся получением и использованием теплоты в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в быту.

  Получение теплоты. Основным источником теплоты, используемой человечеством (70-е гг. 20 в.), является природное органическое топливо, выделяющее теплоту при сжигании. Различают твёрдое, жидкое и газообразное топливо. Наиболее распространённые виды твёрдого топлива — угли (каменные и бурые, антрациты), горючие сланцы , торф . Природное жидкое топливо — нефть , однако непосредственно нефть редко используется для получения теплоты. На нефтеперерабатывающих предприятиях из нефти вырабатывают бензин — горючее для автомобильных и поршневых авиационных двигателей; керосин — для реактивной авиации и для некоторых поршневых двигателей; различные типы дизельного топлива и мазуты , применяемые в основном на тепловых электростанциях. Газообразное топливо — природный газ, состоящий из метана и др. углеводородов (см. Газы горючие ). Топливом в сравнительно небольших масштабах служит также древесина (дрова и древесные отходы). В середине 20 в. разрабатываются методы сжигания промышленных и бытовых отходов с целью их уничтожения и одновременного получения теплоты.

  Важнейшая характеристика топлива — удельная теплота сгорания . Для сравнительных расчётов используется понятие топлива условного с теплотой сгорания 29308 кдж/кг (7000 ккал/кг ).

  Для сжигания топлива служат различные технические устройства — топки , печи , камеры сгорания . В топках и печах топливо сжигается при давлении, близком к атмосферному, а в качестве окислителя обычно используется воздух. В камерах сгорания давление может быть выше атмосферного, а окислителем может служить воздух с повышенным содержанием кислорода (обогащенный воздух), кислород и т. д.

  Теоретически для сгорания топлива необходимо стехиометрическое количество кислорода. Например, при горении метана CH4 осуществляется след. реакция: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2 O. Из этого уравнения следует, что на 1 кмоль (16 кг ) CH4 требуется 2 кмоля (64 кг ) O2 , то есть на 1 кг CH4 — 4кг O2 . На практике для полного сгорания нужно несколько большее количество окислителя. Отношение действительного количества окислителя (воздуха), использованного для горения, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка окислителя (воздуха) a. При сгорании топлива его химическая энергия переходит во внутреннюю энергию продуктов сгорания, в результате чего эти продукты нагреваются. Температура, которую приобрели бы продукты сгорания, если бы не отдавали теплоту во вне (адиабатный процесс ), называется теоретической температурой горения. Эта температура зависит от вида топлива и окислителя, их начальной температуры и от коэффициента избытка окислителя. Для большинства природных топлив (окислитель — воздух) теоретическая температура горения составляет 1500—2000 °С; её повышает предварительный подогрев топлива и окислителя. Максимальная теоретическая температура горения наблюдается при коэффициенте избытка окислителя a»0,98.

  В топках происходит отвод теплоты от горящего топлива, поэтому температура продуктов сгорания оказывается ниже теоретической температуры.

  Уголь обычно сжигают в топках. При относительно малых количествах необходимого топлива используют слоевые топки , где уголь в виде кусков сжигают на колосниковой решётке, сквозь которую продувается воздух. Для сжигания значит. количеств угля (нескольких сот т в час) применяют камерные топки . В них уголь, предварительно превращенный в порошок с размером частиц 50—300 мкм, подаётся в смеси с воздухом через пылеугольные горелки. Мазутные топки и газовые топки аналогичны пылеугольным и отличаются конструкцией горелок или форсунок.

  Наряду с органическим топливом с середины 20 в. для получения теплоты применяется ядерное топливо , или ядерное горючее. Основным видом ядерного горючего является изотоп урана 235 U, содержание которого в естественном уране около 0,7%. При делении 1 кг235 U выделяется около 84×109кдж (20×109ккал ) в основном в виде кинетической энергии осколков деления ядер и нейтронов. В ядерном реакторе эта энергия превращается в теплоту, отбираемую теплоносителем. В подавляющем большинстве реакторов (70-е гг. 20 в.) цепная ядерная реакция поддерживается за счёт тепловых нейтронов. Получают распространение реакторы на быстрых нейтронах, или реакторы-размножители , в которых в качестве ядерного топлива может использоваться 238 U и торий 232 Th, которые, кроме теплоты, производят ещё и новое ядерное горючее 239 Pu и 233 U. Теплоносителями в реакторах на тепловых нейтронах обычно служат вода, тяжёлая вода, углекислота; в реакторах на быстрых нейтронах — жидкий натрий, инертные газы и т. д. Кроме органического и ядерного топлива, некоторое практическое значение в качестве источника теплоты имеют геотермическая и солнечная энергия. Геотермическая энергия проявляется в существовании горячих подземных вод, часто выходящих на поверхность в районах с повышенной вулканической активностью, и в общем повышении температуры земных недр с глубиной. Это возрастание температуры характеризуется геотермическим градиентом , численно равным повышению температуры в градусах на 100 м глубины; в среднем для доступных непосредственному измерению глубин он равен 0,03 °С/м. Если теплота горячих источников уже утилизируется, например в СССР построена (1966) Паужетская геотермическая электростанция мощностью 5 Мвт, то возможность использования теплоты земных недр (1975) пока только издается.

  Мощный источник теплоты — Солнце , посылающее на Землю поток энергии мощностью в 1,8×1017вт. Однако плотность солнечной энергии на поверхности Земли мала и составляет около 1 квт/м2. Ещё не разработаны приемлемые с технико-экономической точки зрения схемы и установки для улавливания солнечного излучения в значительных масштабах. Однако в ряде районов солнечная энергия применяется для опреснения воды, нагревания воды для с.-х. (парники, теплицы) и бытовых нужд, а в ряде случаев — для производства электроэнергии.

  Важное значение с точки зрения экономии природного топлива придаётся использованию вторичных тепловых ресурсов, например нагретых отходящих газов металлургических печей или двигателей внутреннего сгорания, теплота которых обычно утилизируется в котлах-утилизаторах .

  Использование теплоты. Генерированная различными способами теплота может либо непосредственно потребляться каким-либо технологическим процессом (теплоиспользование), либо перерабатываться в др. виды энергии (теплоэнергетика ). Цели и методы отрасли Т. — теплоиспользования — многообразны. Широко применяется нагрев в металлургии. Например, чугун из железной руды получают в доменной печи, в которой восстановление окиси железа углеродом происходит при температурах около 1500 °С; теплота выделяется при горении кокса. Сталь из чугуна вырабатывается в мартеновских печах при температуре около 1600 °С, которая поддерживается в основном в результате сжигания жидкого или газообразного органического топлива. При получении стали в конвертере в чугун вдувают кислород; необходимая температура создаётся в результате окисления углерода, содержащегося в чугуне. В литейном производстве теплота, необходимая для поддержания требуемой температуры в печи, генерируется либо в результате сжигания в печи топлива (чаще всего газа или мазута), либо за счёт электроэнергии.