Acqua può raffreddare gli oggetti in modi diversi. In primo luogo, se un oggetto caldo viene immerso in acqua fredda, sarà trasferimento di calore per conduzione e convezione. Questo processo rimuove l'energia termica dall'oggetto, esso conferisce all'acqua e si muove questa acqua calda lontano dall'oggetto. L'effetto di raffreddamento è descritta dalla legge del raffreddamento di Newton.
Inoltre, l'acqua si raffredda un oggetto facendo evaporare. In evaporazione, acqua cambiamenti nella fase da un liquido ad un gas, assorbendo calore energia e portarla via, l'oggetto di raffreddamento. Questo effetto di raffreddamento può essere calcolato per massa di acqua evaporata.
Istruzioni
Trasferimento di calore conduttivo e convettivo di acqua circostante
• Impostare l'equazione. Legge del raffreddamento di Newton afferma che il tasso di trasferimento di calore dipende la differenza tra la temperatura dell'oggetto e la temperatura dei suoi dintorni, in particolare (dopo la risoluzione di un'equazione differenziale, supponendo che le condizioni allo steady-state):
T(t) = T_surroundings + (T_0 - T_surroundings) e ^ (-k t)
Dove:
T(t) = temperatura dell'oggetto al tempo t
T_surroundings = temperatura del contesto ambientale (in questo caso, la temperatura dell'acqua)
T_0 = la temperatura dell'oggetto a t = 0
k = costante numerica che dipende l'oggetto e l'ambiente
• Plug-in note costanti. Ad esempio, si supponga che un oggetto caldo (temperatura iniziale 200 gradi Celsius) è immersa in un grande corpo di acqua ad una temperatura di 20 gradi Celsius. Dopo 5 minuti (300 secondi), l'oggetto è raffreddata a 100 gradi Celsius. Quindi la nostra equazione diventa
T(t) = 20 + (200-- 20) e ^ (-k t)
Arte
T(t) = 20 + 180e^(-kt)
• Risolvere per k. Per fare questo, abbiamo bisogno di informazioni sulla temperatura dell'oggetto in un momento diverso da 0. In questo esempio, ci viene data la temperatura dell'oggetto a t = 300 secondi. Collegare questo in, otteniamo:
T(t) = 20 + 180e^(-kt)
100 = 20 + 180e^(-300k)
80/180 = e^(-300k)
ln(80/180) = -300 k
k = [ln (80/180)] / -300
k = circa 0.0027031
• Scrivere l'equazione generale collegando in k. Nel nostro esempio, quindi, la temperatura dell'oggetto a tempo = t è dato da:
T(t) = 20 + 180e^(-0.0027301t)
Raffreddamento per evaporazione
• Impostare l'equazione. Per il raffreddamento per evaporazione, la quantità di calore trasferito è equivalente all'energia necessaria per cambiare la fase dell'acqua da un liquido ad un gas, moltiplicato per il tasso di evaporazione. L'equazione può essere scritta come:
Q(t) = m_evaporated (t) * k
Dove:
Q(t) = calore trasferito come funzione del tempo
m_evaporated (t) = Tasso di evaporazione massa in funzione del tempo
k = specifico calore latente di evaporazione acqua
• Collegare le costanti del materiale. Per l'acqua, secondo la Toolbox di ingegneria, specifico calore latente di evaporazione al suo punto di ebollizione (100 gradi Celsius) è circa 2270 kJ/kg. Secondo USA Today, a 0 gradi Celsius, il calore specifico latente di evaporazione è 2500 kJ/kg. Il calore specifico latente di evaporazione varia anche basata su pressione (le cifre sopra indicate sono per la normale pressione atmosferica), come descritto da ThermExcel (Vedi risorse). A seconda di condizioni reali, la costante corretta sarebbe probabilmente da qualche parte in mezzo. Per i nostri scopi, useremo 2270 kJ/kg e si supponga che il raffreddamento è a causa di acqua bollente sulla superficie dell'oggetto alla normale pressione atmosferica. Nostra equazione diventa pertanto
Q(t) = 2270 * m_evaporated (t)
• Risolvere l'equazione. Per il nostro esempio, si supponga di aver misurato il tasso di evaporazione di massa per essere una costante 3 kg/ora (m_evaporated (t) = 3). Possiamo quindi collegare in questa quantità e risolvere per il tasso di trasferimento di calore, Q(t):
Q(t) = 2270 * m_evaporated (t)
Q(t) = 2270 * 3
Q(t) = 6810 kJ/ora
Consigli & Avvertenze
- Se si dispone di dati con diverse unità, convertendo i dati nelle unità si desidera il prodotto finale di essere in prima di iniziare qualsiasi calcolo è più facile rispetto alla conversione alla fine.
- Diverso da quello in condizioni ideali, è difficile stimare esattamente che la quantità di energia acqua porterà lontano da un oggetto che si desidera raffreddare. Tuttavia, questi due tipi di calcoli di raffreddamento ad acqua sono stime utili e mettere in luce i processi coinvolti.