Тактильная чувствительность 64 страница

ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ, беспорядочяое (хаотическое ) движение микрочастиц (молекул, атомов, электронов и др. ), из к-рых состоят все тела. Т. д.- это особая форма движения материи, качественно отличная от обычного механич. движения, при к-ром все части тела движутся упорядоченно. Наиболее убедительным экспериментальным доказательством Т. д. служит броуновское движение. Закономерности Т. д, изучаются термодинамикой, статистической физикой, кинетикой физической. Кинетическая энергия Т. д. прямо пропорциональна абс. темп-ре, входит составной частью во внутреннюю энергию физ. системы.

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, температурное излучение, электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счёт его внутр. энергии (в отличие, напр., от люминесценции, возникающей за счёт внеш. источников энергии ). Т. и. имеет сплошной спектр, положение максимума к-рого зависит от темп-ры вещества. С её повышением возрастает общая энергия испускаемого Т. и., а максимум перемещается в область малых длин волн. Т. и. испускают, напр., поверхность накалённого металла,.земная атмосфера и т. д.

Т. и. возникает в условиях детального равновесия в веществе (см. Детального равновесия принцип) для всех безызлучательных процессов, т. е. для различных типов столкновений частиц в газах и плазме, для обмена энергиями электронного и колебат. движений в твёрдых телах и т. д. Равновесное состояние вещества в каждой точке пространства •состояние локального термодинамического равновесия (ЛТР ) - при этом характеризуется значением темп-ры, от к-рого и зависит Т. и. вещества в данной точке.

В общем случае системы тел, для к-рой осуществляется лишь ЛТР и различные точки к-рой имеют различные темп-ры, Т. и. не находится в термодинамическом равновесии с веществом. Горячие тела испускают больше, чем поглощают, а более холодные - наоборот. Происходит перенос излучения от более горячих тел к более холодным. Для поддержания стационарного состояния, при к-ром сохраняется распределение темп-ры в системе, необходим подвод теплоты к более горячим телам и отвод от более холодных; это может осуществляться как в природных условиях (например, в атмосфере Земли ), так и искусственно (например, в лампах накаливания).

При полном термодинамическом равновесии все части системы тел имеют одну темп-ру и энергия Т. и., испускаемого каждым телом, компенсируется энергией поглощаемого этим телом Т. и. др. тел. В этом случае Т. и. находится в термодинамическом равновесии с веществом и наз. равновесным излучением (равновесным является Т. и. абсолютно чёрного тела). Спектр равновесного излучения не зависит от природы вещества и определяется Планка законом излучения.

Для Т. и. нагретых тел в общем случае справедлив Кирхгофа закон излучения, связывающий их испускательную и поглощательную способности с испускательной способностью абсолютно чёрного тела.

При наличии ЛТР, применяя законы излучения Кирхгофа и Планка к испусканию и поглощению Т. и. в газах и плазме, можно изучать процессы переноса излучения. Такое рассмотрение широко используется в астрофизике, в частности в теории звёздных атмосфер.

Лит.: План к М., Теория теплового излучения, пер. с нем., Л.- М., 1935; С оболев В. В., Перенос лучистой энергии в атмосферах звезд и планет, М., 1956; Босворт Р.Ч. Л., Процессы теплового переноса, пер. с англ., М., 1957; Е л ь я ш ев и ч М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962. М. А. Ельяшевич.

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ, изменение размеров тела в процессе его нагревания. Количественно Т. р. при постоянном давлении характеризуется изобарным коэфф. расширения (объёмным коэфф. Т. р.)

[ris]

. Практически значение а определяется из соотношения

[ris]

где V - объём газа, жидкости или твёрдого тела при темп-ре Т ₂> Т ₁, V-исходный объём тела (разность темп-р Т ₂ - Т ₁ берётся небольшой). Для характеристики T. р. твёрдых тел наряду с а вводят коэфф. линейного Т. р. где l - первоначальная длина

[ris]

тела вдоль выбранного направления. В общем случае анизотропных тел

[ris][ris]

причём различие или равенство линейных кофф. Т. р. аx, аy, аz вдоль кристаллографич. осей x, у, z определяется симметрией кристалла. Напр., для кристаллов кубич. системы, так же как и для изотропных тел,

[ris][ris] и [ris]

Для большинства тел а> 0, но существуют исключения, напр, вода при нагреве от 0 до 4 °С при атм. давлении сжимается (а< 0). Зависимость а от Т наиболее заметна у газов (для идеального газа а =1/ Т), у жидкостей она проявляется слабее. У ряда веществ в твёрдом состоянии - кварца, инвара и других - коэффициент а мал и практически постоянен в широком интервале температур. При Т-> 0 коэффициент T. р. а-> 0.

Т. р. газов обусловлено увеличением кинетич. энергии частиц газа при его нагреве и совершением за счёт этой энергии работы против внеш. давления. У твёрдых тел и жидкостей Т. р. связано с несимметричностью (ангармоничностью) тепловых колебаний атомов, благодаря чему межатомные расстояния с ростом Т увеличиваются. Экспериментальное определение а и а., осуществляется методами дилатометрии. Т. р. тел учитывается при конструировании всех установок, приборов и машин, работающих в переменных темп-рных условиях.

Лит.: Новикова С. И., Тепловое расширение твердых тел, М., 1974; Г и р шф е л ь д е р Дж., К е р т и с с Ч., БердР., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Перри Д ж., Справочник инженера-химика, пер. с англ., т. 1, Л., 1969.

Значение изобарического коэффициента расширения некоторых газов, жидкостей и твёрдых тел при атмосферном давлении

ТЕПЛОВОЗ, один из видов локомотивов, на к-ром первичным двигателем является двигатель внутр. сгорания. Осн. элементы Т.: тепловозный двигатель, силовая передача, экипажная часть, вспомогат. оборудование. Установленный в машинном отделении Т. двигатель превращает тепловую энергию сжигаемого топлива в механич. или электрич. энергию, к-рая через механич., гидромеханич. или электрич. силовую передачу реализуется в движение колёсных пар.

Идея использования теплового двигателя на локомотиве возникла в кон. 19 в. Предшественники Т.- автодрезины, мотовозы, создававшиеся гл. обр. для внутризаводских перевозок. Рус. инж. В. И. Гриневецкий в 1908-12 создал опытный двигатель внутр. сгорания, приспособленный к переменным нагрузкам, возникающим при работе локомотива. Т. с таким двигателем и прямой передачей был спроектирован, но не был построен. В 1922 Т. оригинальной конструкции с механич. генератором газа предложил сов. инж. А. H. Шелест. (Его идея была осуществлена только в 50-е гг. 20 в. в Швеции. ) Первый магистральный Т. (рис. 1 ) был создан в СССР в 1924 по проекту Я. М. Гаккеля. Наиболее распространены Т. с электрич. передачей (рис. 2, 3), в к-рых коленчатый вал осн. двигателя вращает якорь гл. электрогенератора, вырабатывающего электрич. ток для питания тяговых электродвигателей. Через зубчатую передачу вращение якорей тяговых электродвигателей передаётся колёсным парам.

К экипажной части Т. относятся гл. рама, двух-, трёх- или четырёхосные тележки с колёсными парами, буксами и рессорным подвешиванием (см. Подвеска). На гл. раме Т. располагается кузов. Т. выполняются одно-, двух- и трёхкузовными (одно-, двух- и трёхсекционными). В кузове размещается кабина машиниста, из к-рой осуществляется управление Т. Машинист при помощи контроллера устанавливает определённую частоту вращения вала двигателя, а изменение режимов работы электрогенератора и тяговых электродвигателей производится автоматически в зависимости от профиля ж.-д. пути. От машинной части кабину обычно отделяет аппаратная камера, в к-рой размещены приборы и аппараты для выполнения переключений в силовой цепи Т. В машинном отделении, кроме двигателя, находится гл. генератор, компрессор, аккумуляторная батарея, фильтры и т. п. Т.- экономичный локомотив, на к-ром энергия топлива используется примерно в 6 раз эффективней, чем на паровозе. Совр. Т. имеют расчётный кпд 28-32%, развивают скорость 120-160 км/ч и более.

Рис. 1. Первый магистральный тепловоз с дизелем мощностью 750 квт (1000 л. с.), построенный в СССР в 1924.

Рис. 2. Двухсекционный тепловоз 2ТЭ10Л с двумя дизелями общей мощностью 4400 квт (6000 л. с.). Ворошиловград. 1962.

Рис. 3. Двухсекционный тепловоз 2ТЭ116-001 с двумя дизелями общей мощностью 4400 кв т (6000 л. с.). Ворошиловград. 1971.

Лит.: Якобсон П. В., История тепловоза в СССР, М., 1960; Тепловоз ТЭЗ, 5 изд., М., 1973; Тепловозы СССР. Каталог-справочник, М., 1974. П.И.Кметик.

ТЕПЛОВОЗНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, двигатель внутр. сгорания (дизель), устанавливаемый на тепловозе. Отличие Т. д. от стационарных и судовых двигателей состоит в разнообразии режимов работы и частой их смене, что обусловлено различной массой поездов, переменным профилем пути, остановками, разными климатич. условиями (напр., темп-ра воздуха изменяется от -50 до 45 °С) и др. причинами. Удельный эффективный расход топлива Т. д. 204-230г/(к вт -ч) [150-170 г/(л. с.-ч)]. Мощность Т. д. магистральных тепловозов достигает 4400 к ет (=6000 л. с.), наблюдается тенденция к росту мощности до 6000 ке т (" 8100 л. c.). Т. д. присуща высокая степень форсирования по ср. эффективному давлению [р_е = 1, 6--2, 0 Ми/ м ² (р_е = 16-20 к гс/с м ²)]. Удельная масса (в пересчёте на эффективную мощность) 3, 3-22 к г /кет (2, 4-16 кг/л. c.). Макс, частота вращения коленчатого вала 750-1500 об /мин. В зависимости от мощности на Т. д. расположены 6-20 цилиндров в 1-2 ряда или V-образно. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра 0, 9-1, 4. Цилиндровую мощность повышают в основном путём увеличения давления наддува до 0, 3 М н / м ² (3 кгс/см²) и промежуточного охлаждения наддувечного воздуха. На маневровых тепловозах устанавливают Т. д. мощностью 550-1400 ке т (750-2000 л. с.). Т. д. характеризуются высокой степенью автоматизации, осуществляемой регуляторами частоты вращения и мощности, регуляторами темп-ры воды и масла, устройствами защиты от ненормальных режимов эксплуатации. Продолжительность работы Т. д. до первого капитального ремонта - до 35 тыс. ч, что соответствует пробегу до 1, 2 млн. км. Лит.: Тепловозные двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины, 3 изд., М., 1973. В. А. Дробинский.

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС, сопоставление прихода и расхода (полезно использованной и потерянной) теплоты в различных тепловых процессах. В технике Т. б. используется для анализа тепловых процессов, осуществляющихся в паровых котлах, печах, тепловых двигателях и т. д. Т. б. составляется в единицах энергии (джоулях, калориях) или в % общего количества теплоты, приходящихся на единицу выпускаемой продукции, на 1 ч работы, на период времени (цикл) или на 1 к г израсходованного вещества. В науч. исследованиях Т. б. пользуются при решении мн. астрофизич., геофизич., химич., биологич. и др. проблем (см. Тепловой баланс моря, Тепловой баланс Земли и т. д.).

Т. б. рассчитывается на основе физич. теплот (энтальпий), участвующих в процессе веществ, и теплот соответствующих хим. реакций. Для сложных процессов (особенно в металлургии, хим. технологии и т. д.) Т. б. предшествует построение материального баланса, т. е. сопоставление прихода и расхода масс веществ в этом процессе; при этом Т. б. установки часто получается как сумма Т. б. аппаратов, составляющих эту установку. Различают Т. б. расчётные и экспериментальные, составленные по данным тепловых испытаний.

Тепловой баланс автомобильного двигателя; а -полезно использованная теплота; б - потери с выхлопными газами; в - потерн с охлаждающей водой; г - прочие потери.

Т. б. выражается: в виде уравнения (в одной части к-poro суммируется приход теплоты, в другой - её расход или потери ), таблицы или диаграммы (рис. ). Напр., Т. б. парового котла выражается след, уравнением:
[ris]

где Q^p_n - теплота сгорания топлива; Оф.т - физ. теплота топлива; Q_в - физ. теплота воздуха; Q₁ - теплота, переданная рабочему телу; Q₂ потеря теплоты с уходящими газами; Q₃, Q₄ - потери теплоты из-за химического и механического недожога топлива; Q₅ - потеря теплоты с излучением в окружающую среду.

По данным Т. б. определяют численное значение коэффициентов полезного действия как отд. частей, так и всей установки в целом. Для оценки экономичности установок, вырабатывающих неск. видов энергии, может применяться эксергический баланс (см. Эксергия).

Лит. см. при статьях Теплотехника п Теплоэнергетика. И. H. Розенгауз.

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС Земли, соотношение прихода и расхода энергии (лучистой и тепловой) на земной поверхности, в атмосфере и в системе Земля -атмосфера. Основным источником энергии для подавляющего большинства физ., хим. и биол. процессов в атмосфере, гидросфере и в верхних слоях литосферы является солнечная радиация, поэтому распределение и соотношение составляющих Т. б. характеризуют её преобразования в этих оболочках.

Схема теплового баланса системы земная поверхность - атмосфера.

Табл. 1.- Тепловой баланс земной поверхности, ккал/см^г год

Табл. 2. - Тепловой баланс атмосферы, ккал/см² год

Т. б. представляют собой частные формулировки закона сохранения энергии и составляются для участка поверхности Земли (Т. б. земной поверхности); для вертикального столба, проходящего через атмосферу (Т. б. атмосферы); для такого же столба, проходящего через атмосферу и верхние слои литосферы или гидросферу (Т. б. системы Земля -атмосфера).

Уравнение Т. б. земной поверхности: R + Р + Fo+ LE = 0 представляет собой алгебраич. сумму потоков энергии между элементом земной поверхности и окружающим пространством. В число этих потоков входит радиационный баланс (или остаточная радиация) R - разность между поглощённой коротковолновой солнечной радиацией и длинноволновым эффективным излучением с земной поверхности. Положит, или отрицат. величина радиационного баланса компенсируется несколькими потоками тепла. Так как темп-pa земной поверхности обычно не равна темп-ре воздуха, то между подстилающей поверхностью и атмосферой возникает поток тепла Р. Аналогичный поток тепла -Fo наблюдается между земной поверхностью и более глубокими слоями литосферы или гидросферы. При этом поток тепла в почве определяется молекулярной теплопроводностью, тогда как в водоёмах теплообмен, как правило, имеет в большей или меньшей степени турбулентный характер. Поток тепла F₀ между поверхностью водоёма и его более глубокими слоями численно равен изменению теплосодержания водоёма за данный интервал времени и переносу тепла течениями в водоёме. Существенное значение в Т. б. земной поверхности обычно имеет расход тепла на испарение LE, к-рый определяется как произведение массы испарившейся воды Е на теплоту испарения L. Величина LE зависит от увлажнения земной поверхности, её темп-ры, влажности воздуха и интенсивности турбулентного теплообмена в приземном слое воздуха, к-рая определяет скорость переноса водяного пара от земной поверхности в атмосферу.

Уравнение Т. б. атмосферы имеет вид:
[ris]

Т. б. атмосферы слагается из её радиационного баланса R_a; прихода или расхода тепла Lr при фазовых преобразованиях воды в атмосфере (r - сумма осадков); прихода или расхода тепла Р, обусловленного турбулентным теплообменом атмосферы с земной поверхностью; прихода или расхода тепла F_a, вызванного теплообменом через вертикальные стенки столба, к-рый связан с упорядоченными движениями атмосферы и макротурбулентностью. Кроме того, в уравнение Т. б. атмосферы входит член AW, равный величине изменения теплосодержания внутри столба.

Уравнение Т. б. системы Земля - атмосфера соответствует алгебраич. сумме членов уравнений Т. б. земной поверхности и атмосферы. Составляющие Т. б. земной поверхности и атмосферы для различных районов земного шара определяются путём метеорологич. наблюдений (на актинометрич. станциях, на спец. станциях Т. б., на метеорологич. спутниках Земли) или путём климатологич. расчётов.

Средние широтные величины составляющих Т. б. земной поверхности для океанов, суши и Земли и Т. о. атмосферы приведены в таблицах 1, 2, где величины членов Т. б. считаются положительными, если соответствуют приходу тепла. Так как эти таблицы относятся к средним годовым условиям, в них не включены члены, характеризующие изменения теплосодержания атмосферы и верхних слоев литосферы, поскольку для этих условий они близки к нулю.

Для Земли как планеты, вместе с атмосферой, схема Т. б. представлена на рис. На единицу поверхности внешней границы атмосферы поступает поток солнечной радиации, равный в среднем ок. 250 ккал/см² в год, из к-рых ок. */з отражается в мировое пространство, а 167 ккал/см² в год поглощает Земля (стрелка Q_s на рис.). Земной поверхности достигает коротковолновая радиация, равная 126 ккал/см² в год; 18 ккал/см² в год из этого количества отражается, а 108 ккал/см² в год поглощается земной поверхностью (стрелка О). Атмосфера поглощает 59 ккал/см² в год коротковолновой радиации, т. е. значительно меньше, чем земная поверхность. Эффективное длинноволновое излучение поверхности Земли равно 36 ккал/см² в год (стрелка /), поэтому радиационный баланс земной поверхности равен 72 ккал/см² в год. Длинноволновое излучение Земли в мировое пространство равно 167 ккал/см² в год (стрелка Л). Т. о., поверхность Земли получает около 72 ккал/см² в год лучистой энергии, к-рая частично расходуется на испарение воды (кружок LE) и частично возвращается в атмосферу посредством турбулентной теплоотдачи (стрелка Р).

Данные о составляющих Т. б. используются при разработке многих проблем климатологии, гидрологии суши, океанологии; они применяются для обоснования численных моделей теории климата и для эмпирич. проверки результатов применения этих моделей. Материалы о Т. б. играют большую роль в изучении изменений климата, их применяют также в расчётах испарения с поверхности речных бассейнов, озёр, морей и океанов, в исследованиях энергетич. режима морских течений, для изучения снежных и ледяных покровов, в физиологии растений для исследования транспирации и фотосинтеза, в физиологии животных для изучения термич, режима живых организмов. Данные о Т. б. были использованы и для изучения географич. зональности в работах сов. географа А. А. Григорьева.

Лит.: Атлас теплового баланса земного шара, под ред. М. И. Будыко, М., 1963; Б у д ы к о М. И., Климат и жизнь, Л., 1971; Григорьев А. А., Закономерности строения и развития географической среды, М., 1966. М. И. Будыко.

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС моря, соотношение прихода и расхода теплоты в море, основными составляющими которого являются: радиационный баланс, турбулентный и конвективный теплообмен моря с атмосферой, потеря теплоты на испарение, перенос её течениями. Кроме того, в Т. б. моря входит приход и расход теплоты в результате конденсации водяного пара на поверхность моря, выпадения осадков, речного стока, образования и таяния льдов, поступления теплоты из недр Земли через поверхность дна моря, хим. процессов в море, перехода части кинетич. энергии воды и воздуха в теплоту. Подробнее см. в ст. Океан.