Начнем с понятий "работа" и "мощность". Работа — это часть внутренней энергии, затрачиваемой человеком или машиной за какой-то временной период. В процессе такой работы человек или машина разогреваются, выделяя тепло. Поэтому как внутреннюю энергию, так и количество выделяемой или поглощаемой теплоты, а также работу измеряют в одних и тех же единицах — джоулях (Дж), килоджоулях (кДж) или мегаджоулях (МДж).
Чем быстрее выполняется работа или выделяется теплота, тем интенсивнее расходуется внутренняя энергия. Мерой такой интенсивности является мощность, измеряемая в ваттах (Вт), киловаттах (кВт), мегаваттах (МВт) и гигаваттах (ГВт). Мощность — это работа, выполненная в единицу времени (будь то работа двигателя, или работа электрического тока). Тепловая мощность — это количество теплоты, передаваемое в единицу времени теплоносителю (вода, масло) от сгорания топлива (газ, мазут) в котле.
Содержание:
Что такое калория
Калория была введена еще в 1772 году шведским физиком-экспериментатором Иоганном Вильке в качестве единицы измерения теплоты. В настоящее время единица, кратная калории — гигакалория (Гкал), активно применяется в таких сферах жизнедеятельности, как коммунальное хозяйство, системы отопления и теплоэнергетика. Также используется ее производная — гигакалория в час (Гкал/ч), характеризующая скорость тепловыделения или теплопоглощения тем или иным оборудованием. Попробуем теперь рассчитать, чему равна одна калория.
Еще в школе на уроках физики нас учили, что для нагрева любого вещества ему необходимо сообщить определенное количество теплоты. Была даже такая формула Q=c*m*∆t, где Q означает неизвестное количество теплоты, m — массу нагреваемого вещества, c — удельную теплоемкость этого вещества, а ∆t — разность температур, на которую нагревают вещество. Так вот, калорией называют внесистемную единицу количества теплоты, определяемую как «количество теплоты, затрачиваемое на нагревание 1 грамма воды на 1 градус Цельсия при атмосферном давлении 101325 Па».
Поскольку теплота измеряется в джоулях, то используя вышеприведенную формулу, мы узнаем, чему равна 1 калория (кал) в джоулях. Для этого возьмем из справочника по физике значение удельной теплоемкости воды при нормальных условиях (атмосферное давление р=101325 Па, температура t=20°C): с=4183 Дж/(кг*°С). Тогда одна калория будет равна:
- 1 кал=4183 [Дж/(кг*°С)]*0,001 кг*1°С=4,183 Дж.
Однако величина калории зависит от температуры нагревания, поэтому ее значение не постоянно. Для практических же целей используется так называемая калория международная или просто калория, которая равна 4,1868 Дж.
Памятка 1
- 1 кал=4,1868 Дж, 1 ккал=1000 кал, 1 Гкал=1 млрд кал=4186800000 Дж=4186,8 МДж;
- 1 Дж=0,2388 кал, 1 МДж=1 млн. Дж=238845,8966 кал=238,8459 ккал;
- 1 Гкал/ч=277777,7778 кал/с=277,7778 ккал/с=1163000 Дж/с=1,163 МДж/с.
Гигакалории или киловатты
Разберемся окончательно, в чем отличие этих единиц измерения. Пусть у нас имеется нагревательный прибор, например, чайник. Возьмем 1 литр холодной воды из-под крана (температура t1=15°C) и вскипятим ее (нагреем до температуры t2=100°C). Электрическая мощность чайника — P=1,5 кВт. Сколько тепла поглотит вода? Чтобы это узнать, применим знакомую нам формулу, при этом учтя, что масса 1 литра воды m=1 кг: Q=4183 [Дж/(кг*°C)]*1 кг*(100°С-15°С)=355555 Дж=84922,8528 кал≈85 ккал.
За какое время вскипит чайник? Пусть вся энергия электрического тока уйдет на нагрев воды. Тогда неизвестное время мы найдем, используя энергетический баланс: «Энергия, расходуемая чайником, равна энергии, поглощаемой водой (без учета потерь)». Энергия, расходуемая чайником за время τ, равна P*τ. Энергия, поглощаемая водой, равна Q. Тогда на основе баланса получим P*τ=Q. Отсюда время нагрева чайника составит: τ=Q/P=355555 Дж/1500 Вт≈237 с≈4 мин. Количество теплоты, переданное чайником воде за единицу времени — это и есть его тепловая мощность. Она составит в нашем случае величину Q/τ=84922,8528 кал/237 с≈358 кал/с=0,0012888 Гкал/ч.
Таким образом, кВт и Гкал/ч — это единицы мощности, а Гкал и МДж — единицы теплоты и энергии. Как подобные расчеты можно применить на практике? Если нам приходит квитанция об оплате отопления, то мы платим за тепло, которое снабжающая организация поставляет нам по трубам. Это тепло учитывается в гигакалориях, т. е. в количестве теплоты, потребленном нами за расчетный период. Нужно ли переводить эту единицу в джоули? Конечно, нет, потому что мы просто платим за конкретное число гигакалорий.
Однако часто бывает необходимо выбрать для дома или квартиры те или иные отопительные приборы, например, кондиционер, радиатор, бойлер или газовый котел. В связи с чем требуется заранее знать тепловую мощность, требуемую для обогрева помещения. Зная эту мощность, можно подобрать соответствующий прибор. Она может быть указана как в кВт, так и в Гкал/ч, а также в единицах BTU/h (British Thermal Unit — Британская Термическая Единица, h — час). Следующая памятка поможет вам перевести кВт в Гкал/ч, кВт в BTU/h, Гкал в кВт*ч и BTU в кВт*ч.
Памятка 2
- один Вт=одному Дж/с=0,2388459 кал/с=859,8452 кал/ч=0,8598 ккал/ч;
- один кВт=одному кДж/с=1000 Дж/с=238,8459 кал/с=859845,2279 кал/ч=0,00085984523 Гкал/ч;
- один МВт=один МДж/с=один млн Дж/с=1000 кВт=238845,8966 кал/с=0,85984523 Гкал/ч;
- одна Гкал/ч=один млрд кал/ч=1163000 Вт=1163 кВт=1,163 МВт=3968156 BTU/h;
- одна BTU/h=0,2931 Вт=0,0700017 кал/с=252,0062 кал/ч=0,2520062 ккал/ч;
- один Вт=3,412 BTU/h, один кВт=3412 BTU/h, один МВт=3412000 BTU/h.
Как определяется единица BTU/h и для чего она используется? 1 BTU — это количество теплоты, необходимое для нагревания 1 фунта воды на 1° по Фаренгейту (°F). Эта единица измерения используется в основном для обозначения тепловой мощности установок, таких, например, как кондиционеры.
Примеры расчета
Вот мы и подошли к самому главному. Как перевести одну величину в другую, используя приведенные соотношения? Все не так уж и сложно. Рассмотрим это на примерах.
Пример 1
Тепловая мощность котла — 30 кВт. Чему равна его эквивалентная мощность, выраженная в Гкал/ч?
Решение. Так как 1 кВт= 0,00085984523 Гкал/ч, то 30 кВт=30* 0,00085984523 Гкал/ч=0,0257953569 Гкал/ч.
Пример 2
Подсчитано, что для охлаждения офиса требуется кондиционер мощностью не менее 2,5 кВт. Для покупки был выбран кондиционер мощностью 8000 BTU/h. Достаточно ли мощности кондиционера для охлаждения офиса?
Решение. Так как 1 BTU/h=0,2931 Вт, то 8000 BTU/h=2344,8 Вт=2,3448 кВт. Это значение меньше расчетного в 2,5 кВт, поэтому выбранный кондиционер не подходит для установки.
Пример 3
Теплоснабжающей организацией было поставлено за месяц 0,9 Гкал тепла. Какой мощности нужно установить радиатор, чтобы он давал в месяц такое же количество тепла?
Решение. Допустим, что тепло в дом поставлялось равномерно в течение одного месяца (30 суток), поэтому тепловую мощность, поставляемую котельной, можно найти, поделив все количество тепла на количество часов в месяце: P=0,9 Гкал/(30*24 ч)=0,00125 Гкал/ч. Эта мощность в пересчете на киловатты будет равна P=1163 кВт*0,00125=1,45375 кВт.
