L'eau peut refroidir des objets de différentes manières. Tout d'abord, si un objet chaud est immergé dans l'eau de refroidissement, la chaleur va transférer par conduction et convection. Ce processus supprime l'énergie thermique de l'objet, confère à l'eau et se déplace cette eau chaude loin de l'objet. L'effet de refroidissement est décrit par la loi de Newton de refroidissement.
En outre, l'eau refroidit un objet par évaporation. L'évaporation, les changements d'eau en phase à partir d'un liquide à un gaz, absorbant l'énergie thermique et l'emporter, en refroidissant l'objet. Cet effet de refroidissement peut être calculée par masse d'eau évaporée.
Instructions
Transfert et Conductive convective chaleur à eau environnante
1 Mettre en place l'équation. La loi de Newton de refroidissement indique que le taux de transfert de chaleur dépend de la différence entre la température de l'objet et la température de son environnement, en particulier (après la résolution d'une équation différentielle, en supposant que l'état d'équilibre):
T (t) = T_surroundings + (T_0 - T_surroundings)
e ^ (- k t)
Où:
T (t) = température de l'objet à l'instant t
T_surroundings = température de l'environnement ambiant (dans ce cas, la température de l'eau)
T_0 = la température de l'objet à t = 0
k = constante numérique qui dépend de l'objet et de l'environnement
2 Branchez constantes connues. A titre d'exemple, supposons qu'un objet chaud (température initiale de 200 degrés Celsius) est immergé dans un grand corps de l'eau à une température de 20 degrés Celsius. Au bout de 5 minutes (300 secondes), l'objet est refroidi à 100 ° C. Notre équation devient alors
T (t) = + 20 (200 - 20)
e ^ (- k t)
Ou:
T (t) = 20 + 180e ^ (- kt)
3 Résolvez pour k. Pour ce faire, nous avons besoin d'informations sur la température de l'objet à un autre moment à 0. Dans cet exemple, on nous donne la température de l'objet à t = 300 secondes. Branchent cela dans, nous obtenons:
T (t) = 20 + 180e ^ (- kt)
100 = 20 + 180e ^ (- 300k)
80/180 = e ^ (- 300k)
ln (80/180) = -300k
k = [ln (80/180)] / -300
k = environ 0.0027031
4 Ecrire l'équation générale en branchant k. Dans notre exemple, par conséquent, la température de l'objet à l'instant t = est donnée par:
T (t) = 20 + 180e ^ (- 0.0027301t)
Refroidissement par évaporation
5 Mettre en place l'équation. Pour le refroidissement par évaporation, la quantité de chaleur transférée est équivalente à l'énergie nécessaire pour changer la phase de l'eau à partir d'un liquide à un gaz, multipliée par le taux d'évaporation. L'équation peut être écrite comme suit:
Q (t) = m_evaporated (t) * k
Où:
Q (t) = la chaleur transférée en tant que fonction du temps,
m_evaporated (t) = vitesse d'évaporation de masse en fonction du temps
chaleur latente k = spécifique de l'eau d'évaporation
6 Branchez les constantes matérielles. Pour l'eau, selon la boîte à outils d'ingénierie, la chaleur spécifique latente d'évaporation à son point d'ébullition (100 degrés Celsius) est d'environ 2270 kJ / kg. Selon USA Today, à 0 degrés Celsius, la chaleur latente spécifique de l'évaporation est de 2500 kJ / kg. La chaleur latente spécifique de l'évaporation varie également en fonction de la pression (les chiffres ci-dessus sont pour la pression atmosphérique normale), comme décrit par ThermExcel (voir Ressources). En fonction des conditions réelles, la bonne constante serait probablement quelque part entre les deux. Pour nos besoins, nous utiliserons 2270 kJ / kg et supposons que le refroidissement est due à l'eau bouillante sur la surface de l'objet à la pression atmosphérique normale. Notre équation devient donc
Q (t) = 2,270 * m_evaporated (t)
7 Résoudre l'équation. Pour notre exemple, supposons que vous avez mesuré le taux d'évaporation de masse pour être une constante de 3 kg / heure (m_evaporated (t) = 3). On peut alors brancher cette quantité et à résoudre pour le taux de transfert de chaleur, Q (t):
Q (t) = 2,270 * m_evaporated (t)
Q (t) = 2,270 * 3
Q (t) = 6810 kJ / heure
Conseils et avertissements
- Si vous avez des données avec des unités différentes, convertissant les chiffres dans les unités que vous voulez que votre produit final d'être en avant de commencer tout calcul est plus facile que la conversion à la fin.
- Autre que dans des conditions idéales, il est difficile d'estimer exactement la quantité d'eau d'énergie va emporter à partir d'un objet que vous souhaitez refroidir. Cependant, ces deux types de calculs de refroidissement de l'eau sont des estimations utiles et faire la lumière sur les processus impliqués.