Лит.:Елисеев В. Б.. Сергеев Д. И.. Что такое тепловая труба?. М., 1971; Тепловые трубы. Сб., пер. с англ. и нем.. под ред. Э. Э. Шпильрайна. М.. 1972.
С. П. Малышенко.
Схема действия тепловой трубы: q - идущий по трубе тепловой поток.
Тепловая функция
Теплова'я фу'нкция,то же, что .
Тепловая электростанция
Теплова'я электроста'нция(ТЭС), ,вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в конце 19 в. (в 1882 - в Нью-Йорке, 1883 - в Петербурге, 1884 - в Берлине) и получили преимущественное распространение. В середине 70-х гг. 20 в. ТЭС - основной вид электрических станций. Доля вырабатываемой ими электроэнергии составляла: в СССР и США св. 80% (1975), в мире около 76% (1973).
Среди ТЭС преобладают (ТПЭС), на которых тепловая энергия используется в парогенераторе (см. ) для получения водяного пара высокого давления, приводящего во вращение ротор ,соединённый с ротором электрического генератора (обычно ) .В СССР на ТПЭС производится (1975) ~99% электроэнергии, вырабатываемой ТЭС. В качестве топлива на таких ТЭС используют уголь (преимущественно), мазут, природный газ, лигнит, торф, сланцы. Их кпд достигает 40%. мощность - 3 Гвт,в СССР создаются ТПЭС полной проектной мощностью до 5-6 Гвт.
ТПЭС, имеющие в качестве привода электрогенераторов
и не использующие тепло отработавшего пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называются
(официальное название в СССР - Государственная районная электрическая станция, или
)
.На ГРЭС вырабатывается около
электроэнергии, производимой на ТЭС. ТПЭС, оснащенные теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называемым
(ТЭЦ); ими вырабатывается около
электроэнергии, производимой на ТЭС.
ТЭС с приводом электрогенератора от называются (ГТЭС). В камере сгорания ГТЭС сжигают газ или жидкое топливо; продукты сгорания с температурой 750-900 °С поступают в газовую турбину, вращающую электрогенератор. Кпд таких ТЭС обычно составляет 26-28%, мощность - до нескольких сотен Мвт.ГТЭС обычно применяются для покрытия пиков электрической нагрузки (см. ) .
ТЭС с ,состоящей из паротурбинного и газотурбинного агрегатов, называется парогазовой электростанцией (ПГЭС). кпд которой может достигать 42 - 43%. ГТЭС и ПГЭС также могут отпускать тепло внешним потребителям, то есть работать как ТЭЦ.
Иногда к ТЭС условно относят (АЭС), электростанции с (МГДЭС) и .
Лит.:Энергетика СССР в 1971-1975 годах, М.. 1972; Рыжкин В. Я.. Тепловые электрические станции, М.. 1976 (в печати).
В. Я. Рыжкин.
Тепловидение
Теплови'дение,получение видимого изображения объектов по их собственному либо отражённому от них тепловому (инфракрасному) излучению; служит для определения местоположения и формы объектов, находящихся в темноте или в оптически непрозрачных средах, а также для изучения степени нагретости отдельных участков сложных поверхностей и внутренней структуры тел, непрозрачных в видимом свете. Каждое нагретое тело испускает ,интенсивность и спектр которого зависят от свойств тела и его температуры. Для тел с температурой в несколько десятков °С характерно излучение в инфракрасной области спектра электромагнитных колебаний. невидимо для человеческого глаза, но может быть обнаружено различными приёмниками теплового излучения (см. ) и тем или иным способом преобразовано в видимое изображение.
Первые тепловизионные системы были созданы в конце 30-х гг. 20 в. и частично применялись в период 2-й мировой войны 1939-45 для обнаружения военных и промышленных объектов; в этих системах использовались тепловые приёмники ( , ) ,преобразующие инфракрасное излучение в электрические сигналы. С помощью оптико-механической сканирующей системы (см. ) отдельные точки объекта попеременно проецировались на приёмник, а полученные с него электрические сигналы подавались на вход электроннолучевой трубки, аналогичной приёмной телевизионной трубке. На люминесцентном экране трубки формировалось видимое изображение объекта (см. ) .В 70-х гг. такие системы Т., получившие название тепловизоров, продолжают успешно развиваться, причём в них используют не только тепловые, но и охлаждаемые фотоэлектрические приёмники (например, на основе InSb или HgCdTe 2), которые способны воспринимать излучение с длиной волны до 5-6 мкм(максимум теплового излучения при комнатной температуре приходится на длины волн около 10 мкм) ,а также .Эти приёмники обладают высокой чувствительностью (соизмеримой с флуктуациями теплового излучения). что позволяет получать с их помощью видимые изображения объектов, находящихся на расстоянии до 10-15 кми имеющих температуру поверхности, отличающуюся от температуры окружающей среды менее чем на 1°С. Такие тепловизоры позволяют обнаруживать разность температур (до 0,1 °С) отдельных участков человеческого тела, что представляет значительный интерес для ранней диагностики образования опухолей и нарушений системы кровообращения.
В конце 60 - начале 70-х гг. были созданы принципиально новые, более простые устройства Т., применение которых предпочтительнее, если только их чувствительность оказывается достаточной. В этих устройствах тепловое изображение объекта непосредственно (без промежуточного преобразования инфракрасного излучения в электрические сигналы) проецируется на экран, покрытый тонким слоем вещества, которое в результате какого-либо физико-химического процесса, происходящего при его нагреве, изменяет свои оптические характеристики (коэффициент отражения или пропускания видимого света, интенсивность или цвет собственного свечения и т. д.). На экранах таких устройств можно наблюдать видимые изображения объектов и фотографировать их. В качестве температурно-чувствительных веществ используют ,кристаллические ,тонкие плёнки , ,термочувствительные и и др.
Так, жидкие кристаллы по мере нагревания постепенно изменяют свой цвет (и его оттенки) от красного до фиолетового, причём многокомпонентные смеси холестерических жидких кристаллов имеют температурный интервал цветовой индикации менее 0,1 °С. Термочувствительные краски при нагреве один или два раза изменяют свой цвет (обычно необратимо), фиксируя тем самым одно или два значения температуры, что удобно в тех случаях, когда достаточно узнать, нагрет ли исследуемый объект (например, деталь машины) до некоторой критической температуры. В некоторых полупроводниковых плёнках (особенно в плёнках Se и его производных) с повышением температуры область прозрачности смещается в сторону длинных волн, что позволяет, применяя дополнительный источник видимого света, регистрировать изменение их температуры на 1-5 °С. Применение в Т. люминофоров основано на явлении :яркость свечения некоторых люминофоров (например, соединения ZnS CdS Ag Ni). возбуждённых ультрафиолетовым излучением, резко уменьшается по мере их нагревания. Эти люминофоры позволяют визуально наблюдать изменение температуры на 0,2-0,3 °С, причём эффект тушения полностью обратим. Приборы, основанные на применении люминофоров, позволяют видеть не только тепловые лучи, но и радиоволны (см. ) .В магнитных тонких плёнках при нагреве изменяется ориентация осей намагничивания магнитных доменов, ориентирующих, в свою очередь, ферромагнитные частицы коллоидного раствора, нанесённого на поверхность плёнки. Этот «магнитный рельеф», возникающий под действием тепловых лучей, при намагничивании плёнки становится видимым в обычном отражённом свете. Рассмотренные методы Т. реализованы в ряде устройств, получивших название термофотоаппарат, визуализатор, термоинтроскоп, радиовизор и др.
Плёнки вышеуказанных веществ могут наноситься и непосредственно на объект - для изучения распределения температуры его поверхности; это научное направление, получившее название термографии, иногда называется также Т. (в этом случае, однако, регистрируется температура, а не тепловое излучение объекта). К Т. можно отнести также и применение инфракрасных (например, на парах CO 2, с длиной волны 10,6 мкм,соответствующей максимуму теплового излучения при температуре 23 °С) в целях просвечивания объектов, непрозрачных для видимого света; оно получило развитие в 70-х гг. Т. находит всё более широкое применение в медицинской и технической диагностике, навигации, геологической разведке, метеорологии, дефектоскопии, при научно-технических исследованиях тепловых процессов, а также в военном деле и т. д. (см. ) .
Лит.:Ощепков П. К., Меркулов А. П., Интроскопия, М., 1967; Гуревич В. З., Энергия невидимого света, М., 1973; Левитин И. Б., Инфракрасная техника, Л., 1973; Козелкин В. В., Усольцев И. Ф., Основы инфракрасной техники, М., 1974; Сонин А. С., Степанов Б. М., Приборы на жидких кристаллах, «Природа», 1974, № 11; Клюкин Л. М., Сонин А. С., Степанов Б. М., Фотографируется тепло, «Наука и жизнь», 1975, № 3; Ирисова Н. А., Тимофеев Ю. П., Фридман А. С., Люминесценция позволяет видеть невидимое, «Природа», 1975, № 1.
К. М. Климов, Ю. П. Тимофеев.
Тепловое движение
Теплово'е движе'ние,беспорядочное (хаотическое) движение микрочастиц (молекул, атомов, электронов и др.), из которых состоят все тела. Т. д. - это особая форма материи, качественно отличная от обычного механического движения, при котором все части тела движутся упорядоченно. Наиболее убедительным экспериментальным доказательством Т. д. служит .Закономерности Т. д. изучаются , , .Кинетическая энергия Т. д. прямо пропорциональна абсолютной температуре, входит составной частью во физической системы.
Тепловое излучение
Теплово'е излуче'ние,температурное излучение, электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счёт его внутренней энергии (в отличие, например, от ,возникающей за счёт внешних источников энергии). Т. и. имеет ,положение максимума которого зависит от температуры вещества. С её повышением возрастает общая энергия испускаемого Т. и., а максимум перемещается в область малых длин волн. Т. и. испускают, например, поверхность накалённого металла, земная атмосфера и т. д.
Т. и. возникает в условиях детального равновесия в веществе (см. ) для всех безызлучательных процессов, то есть для различных типов столкновений частиц в газах и плазме, для обмена энергиями электронного и колебательного движений в твёрдых телах и т. д. Равновесное состояние вещества в каждой точке пространства - состояние локального термодинамического равновесия (ЛТР) - при этом характеризуется значением температуры, от которого и зависит Т. и. вещества в данной точке.
В общем случае системы тел, для которой осуществляется лишь ЛТР и различные точки которой имеют различные температуры, 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 котором сохраняется распределение температуры 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 температуру 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 называется равновесным излучением (равновесным является Т. и. ) .Спектр равновесного излучения не зависит от природы вещества и определяется .
Для Т. и. нагретых тел в общем случае справедлив ,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 ,в частности в теории звёздных атмосфер.
Лит.:Планк М., Теория теплового излучения, пер. с нем., Л.- М., 1935; Соболев В. В., Перенос лучистой энергии в атмосферах звезд и планет, М., 1956; Боеворт Р. Ч. Л., Процессы теплового переноса, пер. с англ., М., 1957; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962.
М. Л. Ельяшевич.
Тепловое расширение
Теплово'е расшире'ние,изменение размеров тела в процессе его нагревания. Количественно Т. р. при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом Т. р.)
. Практически значение а определяется из соотношения
, где
-объем газа, жидкости или твёрдого тела при температуре
Т
2>
T
1
,
V- исходный объём тела (разность температур
T
2-
T
1берётся небольшой). Для характеристики Т. р. твёрдых тел наряду с a вводят коэффициент линейного T. р.
, где
l- первоначальная длина тела вдоль выбранного направления. В общем случае анизотропных тел
, причём различие или равенство линейных коэффициентов Т. Р.
вдоль кристаллографических осей
х, у, zопределяется симметрией кристалла. Например, для кристаллов кубической системы, так же как и для изотропных тел,
и
. Для большинства тел a > 0, но существуют исключения, например вода при нагреве от 0 до 4 °С при атмосферном давлении сжимается (a < 0). Зависимость a от
Тнаиболее заметна у газов (для
a
=1
/T)
,у жидкостей она проявляется слабее. У ряда веществ в твёрдом состоянии -
,
и других - коэффициент
амал и практически постоянен в широком интервале температур. При
T® 0 коэффициент Т. р. a
а® 0.
Значение изобарического коэффициента расширения некоторых газов,
жидкостей и твёрдых тел при атмосферном давлении
| Коэффициент объёмного расширения | Коэффициент линейного расширения | ||||
| Вещество | Температура, °С | aЧ10 3, (°C) –1 | Вещество | Температура, °С | aЧ10 6, (°C) –1 |
| Газы Гелий Водород Кислород Азот Воздух (без СО 2) Жидкости Вода Ртуть Глицерин Бензол Ацетон Этиловый спирт | 0-100 » » » » 10 20 80 20 » » » » | 3,658 3,661 3,665 3,674 3,671 0,0879 0,2066 0,6413 0,182 0,500 1,060 1,430 1,659 | Твёрдые тела Углерод алмаз графит Кремний Кварц || оси ^оси плавленный Стекло крон флинт Вольфрам Медь Латунь Алюминий Железо | 20 » 3-18 40 40 0-100 0-100 0-100 25 25 20 25 25 | 1,2 7,9 2,5 7,8 14,1 0,384 ~9 ~7 4,5 16,6 18,9 25 12 |
Т. р. газов обусловлено увеличением кинетической энергии частиц газа при его нагреве и совершением за счёт этой энергии работы против внешнего давления. У твёрдых тел и жидкостей Т. р. связано с несимметричностью (ангармоничностью) тепловых колебаний атомов, благодаря чему межатомные расстояния с ростом Тувеличиваются. Экспериментальное определение аи а лосуществляется методами .Т. р. тел учитывается при конструировании всех установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях.
Лит.:Новикова С. И., Тепловое расширение твердых тел, М., 1974; Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Перри Д ж., Справочник инженера-химика, пер. с англ., т. 1, Л., 1969.
Тепловоз
Теплово'з,один из видов ,на котором первичным двигателем является двигатель внутреннего сгорания. Основные элементы Т.: , ,экипажная часть, вспомогательное оборудование. Установленный в машинном отделении Т. двигатель превращает тепловую энергию сжигаемого топлива в механическую или электрическую энергию, которая через механическую, гидромеханическую или электрическую силовую передачу реализуется в движение .
Идея использования теплового двигателя на локомотиве возникла в конце 19 в. Предшественники Т. - , ,создававшиеся главным образом для внутризаводских перевозок. Русский инженер В. И. в 1908-12 создал опытный двигатель внутреннего 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 механическим генератором газа предложил советский инженер А. Н. 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. .Наиболее распространены Т. с электрической передачей ( рис. 2, 3 ), в которых коленчатый вал основного двигателя вращает якорь главного электрогенератора, вырабатывающего электрический ток для питания тяговых электродвигателей. Через зубчатую передачу вращение якорей тяговых электродвигателей передаётся колёсным парам.
К экипажной части Т. относятся главная рама, двух-, трёх- или четырёхосные тележки с колёсными парами, буксами и рессорным подвешиванием (см. ) .На главной раме Т. располагается кузов. Т. выполняются одно-, двух- и трёхкузовными (одно-, двух- и трёхсекционными). В кузове размещается кабина машиниста, из которой 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 которой размещены приборы и аппараты для выполнения переключений в силовой цепи Т. В машинном отделении, кроме двигателя, находится главный генератор, компрессор, аккумуляторная батарея, фильтры и т. п. Т. - экономичный локомотив, на котором энергия топлива используется примерно в 6 раз эффективней, чем на паровозе. Современные Т. имеют расчётный кпд 28-32%, развивают скорость 120-160 км/чи более.
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.
Рис. 3. Двухсекционный тепловоз 2ТЭ116 - 001 с двумя дизелями общей мощностью 4400 квт(6000 л. с.). Ворошиловград. 1971.
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.
Тепловозный двигатель
Теплово'зный дви'гатель,двигатель внутреннего сгорания ( ) ,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 климатическими условиями (например, температура воздуха изменяется от -50 до 45 °С) и др. причинами. Удельный эффективный расход топлива Т. д. 204- 230 г/( квтЧч)[150 -170г/( л. с. Ч ч)] .Мощность Т. д. магистральных тепловозов достигает 4400 квт (»6000 л. с.) ,наблюдается тенденция к росту мощности до 6000 квт(»8100 л. с.). Т. д. присуща высокая степень форсирования по среднему эффективному давлению [ р е= 1,6-2,0 Мн/м 2( p e= 16-20 кгс/см 2)] .Удельная масса (в пересчёте на эффективную мощность) 3,3-22 кг/квт(2,4-16 кг/л. с.) .Максимальная 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 до 0,3 Мн/м 2(3 кгс/см 2) и промежуточного охлаждения наддувочного воздуха. На маневровых тепловозах устанавливают Т. д. мощностью 550-1400 квт(750- 2000 л. с.) .Т. д. характеризуются высокой степенью автоматизации, осуществляемой регуляторами частоты вращения и мощности, регуляторами температуры воды и масла, устройствами защиты от ненормальных режимов эксплуатации. Продолжительность работы Т. д. до первого капитального ремонта - до 35 тысяч 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 Земли
Теплово'й бала'нсЗемли, соотношение прихода и расхода энергии (лучистой и тепловой) на земной поверхности, в атмосфере и в системе Земля - атмосфера. Основным источником энергии для подавляющего большинства физических, химических и биологических процессов в атмосфере, гидросфере и в верхних слоях литосферы является ,поэтому распределение и соотношение составляющих Т. б. характеризуют её преобразования в этих оболочках.
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+ P+ F 0+ LE= 0 представляет собой алгебраическую сумму потоков энергии между элементом земной поверхности и окружающим пространством. В число этих потоков входит (или остаточная радиация) R- разность между поглощённой коротковолновой солнечной радиацией и длинноволновым эффективным излучением с земной поверхности. Положительная или отрицательная величина радиационного баланса компенсируется несколькими потоками тепла. Так как температура земной поверхности обычно не равна температуре воздуха, то между и атмосферой возникает поток тепла Р.Аналогичный поток тепла F 0наблюдается между земной поверхностью и более глубокими слоями литосферы или гидросферы. При этом поток тепла в почве определяется молекулярной ,тогда как в водоёмах теплообмен, как правило, имеет в большей или меньшей степени турбулентный характер. Поток тепла F 0между 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,который определяется как произведение массы испарившейся воды Ена теплоту испарения L.Величина LEзависит от увлажнения земной поверхности, её температуры, влажности воздуха и интенсивности турбулентного теплообмена в приземном слое воздуха, которая определяет скорость переноса водяного пара от земной поверхности в атмосферу.
Уравнение Т. б. атмосферы имеет вид: R a+ L r+ P+ F a= D W.
Т. б. атмосферы слагается из её радиационного баланса R a ;прихода или расхода тепла L rпри фазовых преобразованиях воды в атмосфере (г - 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, который связан с упорядоченными движениями атмосферы и макротурбулентностью. Кроме того, в уравнение T. б. атмосферы входит член DW, равный величине изменения теплосодержания внутри столба.
Уравнение Т. б. системы Земля - атмосфера соответствует алгебраической сумме членов уравнений Т. б. земной поверхности и атмосферы. Составляющие Т. б. земной поверхности и атмосферы для различных районов земного шара определяются путём метеорологических наблюдений (на актинометрических станциях, на специальных станциях Т. б., на метеорологических спутниках Земли) или путём климатологических расчётов.