ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ – ΕΝΟΤΗΤΑ 3η

25

3. ΕΝΟΤΗΤΑ 3η

3.1 Αισθητή και λανθάνουσα θερμότητα του αέρα – ενθαλπία

Η θερμότητα είναι ενέργεια που μεταδίδεται από ένα σώμα σε ένα άλλο. Δεν είναιενέργεια που "έχει" ένα σώμα, αλλά ενέργεια που μεταδίδεται από ένα σώμα σε έναάλλο, όταν υπάρχει μεταξύ τους διαφορά θερμοκρασίας. Η θερμότητα είναι ενέργειαπου μετακομίζει. Λέμε ότι θερμότητα μεταδόθηκε από ένα σώμα σε ένα άλλο (γιαπαράδειγμα από τον αέρα του δωματίου ενός θερμαινόμενου χώρου προς τα τοιχώματατου κτιρίου). Δεν λέμε ότι ένα σώμα "έχει" υψηλή θερμότητα ή ότι "έχει" χαμηλήθερμότητα.

Ας υποθέσουμε ότι ανάμεσα στα σώματα Α και Β (Σχήμα 3.1), υπάρχει διαφοράθερμοκρασίας και ότι το σώμα Α έχει υψηλότερη θερμοκρασία από το σώμα Β. Ηθερμότητα πηγαίνει πάντοτε από σώμα υψηλότερης σε σώμα χαμηλότερηςθερμοκρασίας. Στο παράδειγμά μας θα έχουμε μετάδοση ενέργειας (θερμότητα Q) απότο σώμα Α στο σώμα Β. Κατά τη διάρκεια αυτής της μετάδοσης, αν δε συμβεί αλλαγήφυσικής κατάστασης σε κάποιο από τα δύο σώματα, η θερμοκρασία του σώματος Απέφτει ενώ η θερμοκρασία του σώματος Β ανεβαίνει. Κάποια στιγμή οι δύοθερμοκρασίες θα εξισωθούν. Τότε παύει η μεταφορά ενέργειας από το Α στο Β και λέμεότι τα δύο σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία.

Για τη θερμότητα που δέχεται ένα ρευστό, χρησιμοποιούμε θετικό πρόσημο,ενώ για τη θερμότητα που δίνει ένα ρευστό, χρησιμοποιούμε αρνητικό πρόσημο.

Η θερμότητα σαν ενέργεια, μετριέται σε μονάδες ενέργειας, δηλαδή στο S.I. σεJoule (J). Ιστορικά όμως η θερμότητα, προτού γίνει κοινώς αποδεκτή η ενεργειακή τηςφύση, μετρήθηκε σε θερμίδες (cal) και στο πολλαπλάσιο τους χιλιοθερμίδες (kcal). Οιμονάδες αυτές είναι ευρύτατα διαδεδομένες στην πράξη ακόμα και στις μέρες μας.Επίσης διαδεδομένη στην ψύξη και τον κλιματισμό είναι η αγγλοσαξονική μονάδαθερμότητας, το B.T.U. (British Thermal Unit). Το kcal είναι το ποσό θερμότητας πουπρέπει να δοθεί, ώστε να ανεβεί η θερμοκρασία μιας μάζας 1kg νερού κατά 1°C.Αντίστοιχα το B.T.U. είναι το ποσό θερμότητας που πρέπει να δοθεί σε μια λίμπρα (lb)νερού για να ανεβεί η θερμοκρασία της κατά 1°F. Η σχέση μεταξύ kcal και B.T.U., είναι ηεξής :

1kcal ≈ 4 B.T.U. (3.1)

Σχήμα 3.1

ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ – ΕΝΟΤΗΤΑ 3η

26

3.1.1 Αισθητή και λανθάνουσα θερμότητα

Αισθητή θερμότητα ονομάζεται το ποσό θερμότητας που, όταν δίνεται σε ένασώμα ή αφαιρείται από ένα σώμα έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση ή τη μείωση τηςθερμοκρασίας του σώματος, χωρίς να έχουμε αλλαγή φυσικής κατάστασης (μετατροπήαπό υγρό σε αέριο, από στερεό σε υγρό ή αντιστρόφως).

Πολλές φορές, η μετάδοση θερμότητας από ή προς ένα σώμα δε συνοδεύεται απόμεταβολή της θερμοκρασίας του σώματος. Αυτό συμβαίνει στις αλλαγές φυσικήςκατάστασης. Τότε μιλάμε για λανθάνουσα θερμότητα. Δηλαδή, το ποσό θερμότηταςπου συναλλάσσει μια μάζα μιας ουσίας με το περιβάλλον, όταν αλλάζει φυσικήκατάσταση.

Όταν ένα υγρό μετατρέπεται σε αέριο, απορροφά ένα μεγάλο ποσό θερμότηταςαπό το περιβάλλον του. Αυτό ακριβώς εκμεταλλευόμαστε στην πράξη, τις περισσότερεςφορές, για την παραγωγή ψύξης.

3.1.2 Ειδική θερμότητα

Ειδική θερμότητα είναι η ενέργεια που απαιτείται για την αύξηση τηςθερμοκρασίας της μονάδας μάζας μιας ουσίας κατά 1 βαθμό.

Η ειδική θερμότητα έχει διαφορετική τιμή όταν μετριέται υπό σταθερή πίεση απότην αντίστοιχη τιμή υπό σταθερό όγκο. Στα υγρά και στα στερεά αυτό δεν έχει και τόσησημασία αφού ο όγκος τους δεν μεταβάλλεται αισθητά και έτσι ακόμα και οι μεταβολέςυπό σταθερή πίεση μπορούν να θεωρηθούν προσεγγιστικά ότι είναι ταυτόχρονα καιμεταβολές υπό σταθερό όγκο. Ο τρόπος όμως που μετριούνται οι περισσότερες ειδικέςθερμότητες των στερεών και των υγρών, είναι σε ανοικτή ατμόσφαιρα και έτσι μπορούμενα θεωρήσουμε ότι είναι ειδικές θερμότητες υπό σταθερή πίεση 1 ατμόσφαιρας.

Η τιμή της ειδικής θερμότητας του αέρα υπό σταθερή πίεση είναι cp=1005 J kg-1 K-1.

3.1.3 Θερμική ισχύς

Πολλές φορές δε μας ενδιαφέρει μόνο η θερμότητα που μεταβιβάστηκε από ένασώμα σε ένα άλλο αλλά και σε πόσο χρόνο μεταβιβάστηκε. Τότε μιλάμε για θερμότηταστη μονάδα του χρόνου. Το μέγεθος αυτό έχει διαστάσεις ισχύος. Η μονάδα μέτρησήςτης είναι το Watt (W). Είπαμε όμως και παραπάνω πως χρησιμοποιούνται ακόμα για τηθερμότητα και οι μονάδες kcal και BTU. Αντίστοιχα, υπάρχουν και ξεχωριστές μονάδεςγια τη θερμική ισχύ, οι οποίες σταδιακά αντικαθίστανται από το W. Οι μονάδες αυτέςείναι το kcal/h (χιλιοθερμίδες ανά ώρα) και το BTU/ h. Ισχύουν οι εξής σχέσεις :

1 kcal/h = 4 BTU/ h (3.2)

1 kcal/h = 1,161 W (3.3)

Στην ψύξη, όπου μας ενδιαφέρει κυρίως ο ρυθμός αφαίρεσης θερμότητας απόένα χώρο, χρησιμοποιείται συχνά ο όρος ψυκτική ισχύς. Για το μέγεθος αυτόχρησιμοποιείται συχνά στην πράξη η μονάδα RT (Ψυκτικός τόνος). Ισχύει :

27

1 RT = 12000 BTU/ h (3.4)

3.1.4 Θέρμανση και ψύξη

Μιλάμε για θέρμανση, όταν προσδίδουμε ένα ποσό θερμότητας στον αέρα τουχώρου του οποίου θέλουμε να ελέγξουμε τις συνθήκες. Ποιο θα είναι το αποτέλεσμααυτής της πρόσδοσης θερμότητας; Μπορεί να είναι ανύψωση της θερμοκρασίας τουαέρα, χωρίς να αλλάζει το περιεχόμενο του σε υγρασία. Τότε μιλάμε για αισθητήθέρμανση. Τέτοιου είδους θέρμανση έχουμε, όταν μεταβιβάζεται θερμότητα στον αέραμέσω ενός θερμικού εναλλάκτη (π.χ. μέσω μιας σερπαντίνας). Σε πολλές περιπτώσειςόμως, ένα ποσό θερμότητας που προσδίδεται σε μια μάζα αέρα μπορεί να δαπανηθείγια την μετατροπή σταγονιδίων νερού σε υδρατμούς. Τότε μιλάμε για θέρμανση μεύγρανση.

Αντίστοιχα, έχουμε ψύξη όταν αφαιρείται ένα ποσό θερμότητας από τον αέρα. Τοαποτέλεσμα αυτής της αφαίρεσης θερμότητας μπορεί να είναι η πτώση τηςθερμοκρασίας του αέρα, χωρίς να αλλάξει το περιεχόμενο σε υγρασία. Μπορεί όμως τοαποτέλεσμα να είναι η μετατροπή των υδρατμών σε νερό (αφύγρανση).

3.1.5 Ενθαλπία – Εντροπία

Η ενθαλπία είναι ένα θερμοδυναμικό μέγεθος με μεγάλο ενδιαφέρον στιςψυκτικές εφαρμογές. Τα χαρακτηριστικά των ψυκτικών ρευστών, για παράδειγμα, ταπαίρνουμε συχνά από διαγράμματα πίεσης (p) - ενθαλπίας (h). Η Ενθαλπία εκφράζειτην ενεργειακή κατάσταση ενός ρευστού. Είναι καταστατικό μέγεθος, γιατί η τιμή τηςεξαρτάται από την κατάσταση στην οποία βρίσκεται ένα σύστημα και όχι από το δρόμοπου ακολουθήθηκε για να φτάσει το σύστημα στην κατάσταση αυτή. Η ενθαλπία (H)εκφράζεται μαθηματικά από την ακόλουθη σχέση :

H = U + PV (3.5)

όπου U η εσωτερική ενέργεια, P η πίεση και V ο όγκος.

Μονάδα μέτρησης της ενθαλπίας είναι το Joule. Συνήθως μας ενδιαφέρειπερισσότερο η ενθαλπία ανά μονάδα μάζας. Το μέγεθος αυτό ονομάζεται ειδικήενθαλπία και μετριέται (στο S.I.) σε J/kg. Θα συναντήσουμε ακόμα και το kcal/kg και τοBTU/lb.

Οι ενεργειακές μεταβολές συμβαίνουν με φυσικό τρόπο, πάντα προς μίακατεύθυνση και ποτέ αντίστροφα.

Το πόσο εύκολα μπορεί ένα σύστημα να αποδώσει ενέργεια με φυσικό τρόπο,θα μπορούσε να χαρακτηρίσει την ενεργειακή "ποιότητα" του συστήματος.

Το μέγεθος που μετρά αυτή την ενεργειακή "ποιότητα" ενός συστήματος είναι ηεντροπία. Όσο μικρότερη εντροπία έχει ένα σώμα, τόσο πιο χρήσιμη ενέργεια διαθέτεισε μακροσκοπικό επίπεδο, αλλά και τόσο πιο μεγάλη είναι η τάξη την οποία εμφανίζει σεμικροσκοπικό επίπεδο. Η εντροπία μετριέται σε Joule ανά βαθμό θερμοκρασίας (J/K).

28

Και εδώ μας ενδιαφέρει περισσότερο η εντροπία ανά μονάδα μάζας (J/kgK). Και τομέγεθος αυτό το συναντούμε στα διαγράμματα πίεσης – ενθαλπίας.

3.2 Ειδικός όγκος και ειδική πυκνότητα του αέρα

Ειδικός όγκος. Είναι ο όγκος του αέρα (μίγματος) ανά μονάδα βάρους ξηρού αέρα(ft3/lb ή m3/kg). O ειδικός όγκος αυξάνεται ανάλογα με τη θερμοκρασία τουαέρα.

Ειδική πυκνότητα. Είναι το βάρος του αέρα (μίγματος) ανά μονάδα όγκου ξηρούαέρα.

O ειδικός όγκος είναι το αντίστροφο της πυκνότητας.

3.3 Ερωτήσεις1. Τι ονομάζουμε αισθητή και τι λανθάνουσα θερμότητα του αέρα; Ποια είναι η τιμή

της ειδικής θερμότητας του αέρα υπό σταθερή πίεση;2. Τι είναι ο ειδικός όγκος και η πυκνότητα του αέρα και ποια η σχέση μεταξύ τους;