Количественная оценка теплоты при изменении агрегатного состояния вещества

В природе встречаются среды, в которых при изменении их агрегатного состояния происходит либо поглощение теплоты, либо ее выделение. К таким средам, в первую очередь следует отнести воду, снег, пар, мерзлый грунт.

Так, например, процессы испарения воды, возгонки льда и снега, таяния снега, льда и мерзлого грунта сопровождаются поглощением теплоты, а обратные процессы — замерзание воды, конденсация и сублимация водяного пара — выделением теплоты. При переходе воды в пар поглощается теплота в количестве 2500 кДж/кг, а при обратном процессе — конденсации — выделяется такое же количество теплоты. При переходе воды в лед выделяется 334 кДж/кг, а при обратном процессе — плавлении льда — поглощается такое же количество теплоты.

В теории теплопередачи случай, когда происходит выделение теплоты рассматриваемой средой в окружающее ее пространство, принято называть источником, а случай, когда происходит поглощение теплоты этой среды из окружающего пространства, — стоком. Количество теплоты характеризуется интенсивностью тепловыделения или теплопоглощения и зависит от мощности источников и стоков.

1. Количественная оценка теплообмена при испарении воды. Количество теплоты, теряемой водой при ее испарении (теплоотдача в атмосферу) или приобретаемой при конденсации, в расчете на единицу площади поверхности, определяется по формуле

Q _и = L _иr E, (3.22)

где Q _и в Вт/м², L _и — удельная теплота испарения (для практических целей в диапазоне температуры воды от 0 до 30°С ее принимают приблизительно равной 2500 кДж/кг.) (теплота конденсации) воды, r — плотность воды, Е — слой испарившейся (сконденсировавшейся) воды в единицу времени, м/ч.

Количество теплоты, теряемое водой при испарении, определяемом, например, по формуле Б.Д.Зайкова, с использованием выражения (3.22) можно оценить следующим образом:

Q _и = 4, 1 (1 + 0, 72 w ₂)(e ₀ - e ₂), (3.23)

где w ₂ — скорость ветра на высоте 2 м над поверхностью воды, e ₀ — давление насыщенного водяного пара в воздухе при температуре испаряющей поверхности, e ₂ — парциальное давление водяного пара на высоте 2 м.

2. Количественная оценка теплообмена при замерзании воды. Количество теплоты, выделяемой объемом воды с единичной площадью поверхности в окружающую среду при ее замерзании или приобретаемой из окружающей среды при обратном процессе, т. е. плавлении льда и снега, определяется по формуле

Q _кр = L _крr h, (3.24)

где Q _кр в Вт/м²; L _кр — удельная теплота кристаллизации воды (удельная теплота плавления льда — L _пл); r — плотность воды; h — слой кристаллизующейся воды в единицу времени, м/ч.