Исследование на тему: «Мониторинг экономичности различных видов отопления в сельском доме» Выполнил: Мацнар Дмитрий Олегович, учащийся 10 класса. Руководитель :Синякин Евгений Владимирович, учитель физики и информатики. с. Морец год.

Содержание: Введение 3 Теоретическая часть 6 Практическая часть16 Заключение27 Литература31 2

С наступлением холодов проблема отопления напоминает о себе все чаще и чаще. Чем отопить свой дом, чтобы сделать его максимально комфортным для жилья и экономичным? Мы тратим очень большую сумму денег за коммунальные услуги, не предполагая, что это может обходиться гораздо дешевле. Основная цель отопления - создание теплового комфорта в помещениях, т.е. тепловых условий, благоприятных для жизни деятельности человека. Тепловой комфорт в холодное время года обеспечивается, если поддерживать определенную температуру воздуха в помещении, температуру внутренней поверхности наружных ограждений и поверхности отопительных установок. Введение. Актуальность темы. 3

Цель: Выявить наиболее экономичный вид отопления сельского дома. 4

Задачи: 1) Рассчитать количество теплоты, которое необходимо для отопления: А) Дома с электрическим отоплением Б) Дома с газовым отоплением В) Дома с печным отоплением 2) Выяснить оплату отопления за сутки. 3) Провести сравнительный анализ различных систем отопления. 4) Рекомендации по видам отопления. Методы исследования: 1.Изучение научной литературы. 2. Вывод формул. 3.Сравнительный анализ полученных результатов. 5

Среди тех, кто внес значительный вклад в развитие идей термодинамики, были Б. Томпсон (граф Румфорд), Р. Майер и Дж. Джоуль. Заслугой Томпсона является опровержение бытовавшей в XVIII в. теории "калорической жидкости", которая перетекает из одного тела в другое при нагревании или охлаждении. При этом (по аналогии с течением воды) полное количество калорической жидкости должно сохраняться. Наблюдая сильное нагревание, возникавшее в результате сверления стволов пушек на оружейном заводе, Томпсон заметил, что это невозможно объяснить перетеканием калорической жидкости от других тел, тем более что эффект накапливался, т.е. теплота каким-то образом генерировалась. Он попытался провести количественные эксперименты. 1. Теоретическая часть. Историческая справка. 6

В одном из них для охлаждения сверла использовалась вода. Томпсон измерял рост температуры воды вплоть до кипения и, как он вспоминал, "заметил удивленное выражение лиц окружающих, когда они увидели, что вода закипела без всякого огня". Томпсон пришел к выводу, что теплота не является материальной субстанцией, так как опыт свидетельствовал, что количество этой субстанции может неограниченно возрастать. Он высказал предположение, что нагревание являлось результатом той работы, которую совершали силы трения. Важный, но, к сожалению, не оцененный современниками вклад в установление закона сохранения энергии в приложении к тепловым процессам внес немецкий врач Р. Майер. Именно он, сравнивая цвет венозной крови у людей, живущих на севере и на юге, первым с определенностью высказал утверждение, что теплота есть просто иная форма энергии. 7

Опыт Джоуля Устройство, с помощью которого Дж. Джоуль в 1847 г. доказал, что механическая и тепловая энергия могут переходить из одной формы в другую, и измерил механический эквивалент количества теплоты, состояло из двух массивных тел массами М/2, подвешенных на нитях так, что при своем движении вниз с высоты h они раскручивали систему погруженных в воду легких лопастей. Сосуд с водой был теплоизолирован. Таким образом, нагревание массы m воды можно было отнести за счет механической работы, совершенной вращающимися лопастями, которые, в свою очередь, получали кинетическую энергию вращения за счет изменения потенциальной энергии опускающихся грузов. Если признать справедливость закона сохранения энергии в любых формах, то механическая работа должна равняться количеству теплоты, затраченной на нагревание воды: A = U = Мgh = Q = c V mT. 8

Однако следует признать, что для своего времени точность опыта Джоуля была очень высокой. Джоуль сравнил значения A в Дж (сам Джоуль употреблял, конечно, другие единицы работы) и Q в калориях, которые являются устаревшими единицами измерения количества теплоты (1 ккал равна тому количеству теплоты, которое нужно, чтобы нагреть 1 кг воды на 1 °С в интервале от 14,5 до 15,5 °С). Полученный Джоулем результат (1 кал = 4,15 Дж) несколько отличался от известного теперь: 1 кал = 4,186 Дж. 9

2.Внутренняя энергия 10

где i- число степеней свободы. Число степеней свободы - это число возможных независимых направлений движения молекулы. Внутренняя энергия одноатомного газа: или Внутренняя энергия двухатомного газа: Или 11

12

2.1 Теплопередача Теплопередача (теплообмен) - это процесс обмена энергией между системой и окружающими ее телами; при этом нет изменения внешних параметров состояния системы (P, V, T). Теплопередача осуществляется либо путем непосредственного взаимодействия частиц системы с частицами среды при их случайных столкновениях (теплопроводность, конвекция), либо путем обмена электромагнитным излучением (лучеиспускание). Например, при столкновении "холодного" и "горячего" газов молекулы нагретого газа передают энергию (при случайных столкновениях) молекулам холодного газа. Вода в море в дневное время прогревается (получает энергию) за счет излучения, посылаемого Солнцем. Энергия, полученная или отданная системой в процессе теплопередачи, называется количеством тепла. Количество тепла Q измеряется в Джоулях (Дж) и является величиной скалярной. Q > 0 (положительная величина), если система получает тепло; Q < 0 (отрицательная величина), если система отдает тепло. 13

1. Нагревание и охлаждение веществ. Удельная теплоемкость вещества. Нагревание - процесс, при котором при подводе количества тепла Q температура вещества (твердого тела, жидкости или газа) линейно повышается (рис. 1). Количество тепла, необходимое для нагревания вещества массой m, определяется по формуле Q=cm( t 2 -t 1 ) где t 1 и t 2 - начальная и конечная температуры нагрева; с - удельная теплоемкость вещества. Охлаждение - процесс, при котором при отводе количества тепла Q температура вещества линейно понижается. Удельная теплоемкость вещества - величина, равная количеству тепла, необходимому для нагревания единицы массы вещества на один градус. Удельная теплоемкость измеряется в Дж/кг·К (К - градус по шкале Кельвина). 14

2. Горение топлива. Удельная теплота сгорания. Количество тепла, выделяющееся при сгорании топлива массой m рассчитывается по формуле: Q=qm где q - удельная теплота сгорания топлива. Удельная теплота сгорания топлива q численно равна количеству тепла, выделенному при сгорании единицы массы топлива. Величина q измеряется в Дж/кг. 15

1. Вычислим объем комнаты, зная её площадь и высоту. 2. Высчитаем массу находящегося воздуха в каждой комнате по формуле: m=V*p(где p воздуха=1, 29 кг/м ) 3. Внутренняя энергия. Рассчитаем внутреннюю энергию(первоначальную) по формуле : U=5/2PV,(где p-10 Па) 4.Количество теплоты. Высчитаем количество теплоты, требуемое для обогрева комнат по формуле: Q=cmT T=25К, m- масса воздуха в комнатах, с возд.=1,01*10 5.Таблица внутренней энергии(конечной).Рассчитаем внутреннюю энергию по формуле: U2=Q+U1 6. Рассчитаем количество топлива, необходимого для нагревания этой массы воздуха за 1 день. Дж/кг*К Теоретический расчет количества топлива. 16

Практическая часть. Описание опыта. Рассчитаем теплопроизводительность системы отопления одноэтажного жилого дома и предложим наиболее эффективный способ его обогрева. Отопление водяное. Первый этап решения задачи заключается в нахождении тепловых потерь дома, который собираемся обогреть. Используем данные своего дома. Тепловые потери в единицу времени рассчитываются по формуле: [1] где V – объем здания (м³), - минимально допустимая температура воздуха в помещении, равная 18°С, - минимальная температура наружного воздуха для данного района, -объёмная теплоемкость здания, для одноэтажных домов принимаемая равной 0,81 Вт/м³·°С, η – безразмерный поправочный коэффициент на климатические условия, принимаемый равным: ТемператураЗначение коэффициента Выше - 10°С1,2 Выше - 20°С1,1 Выше - 30°С1,0 Выше - 40°С0,9 17

Следовательно, для отопления дома в наиболее холодный период с учетом коэффициента запаса (1,15 – 1,17) нам нужно иметь теплопроизводительность системы отопления примерно 5094 Дж в единицу времени, а в сутки соответственно 4,4х10 8 Дж. Средняя температура наиболее холодной пятидневки для нашей местности - 25°С. Дом считаем хорошо утепленным. При площади в 50 м² и высоте потолка 2,5 м объем составляет 125 м³. Тепловые потери в единицу времени для данного дома составят: Q = 125 м³ х 0,81 Вт/м³°С х (18°С – (-25°С)) х 1,1 х 1с Q = 4353,75 Дж 18

Второй этап. Выясняем возможные способы получения такой производительности. 1 способ – сжигание твердого топлива, например каменного угля. 2 способ – сжигание природного газа. 3 способ – использование электрической энергии. 19

Способ 1. Для отопления дома в сутки требуется 440 МДж количества теплоты. Сколько для этого нужно сжечь каменного угля и какова его стоимость? Удельная теплота сгорания каменного угля 27 МДж/кг, тариф – 4000 рублей за одну тонну. Ответ: m = 16,3 кг, Стоимость = 65,2 рубля. Третий этап. Находим экономическую эффективность каждого способа. 20

Способ 2. Для отопления дома в сутки требуется 440 МДж количества теплоты. Сколько м³ природного газа для этого нужно сжечь, если удельная теплота сгорания природного газа равна 44 МДж/кг, а его плотность равна 0,8 кг/м³? Какова стоимость израсходованного газа при тарифе 2,56 руб. за 1м³? Ответ: V = 12,5 м³, Стоимость = 32 рубля. Третий этап. Находим экономическую эффективность каждого способа. 21

Способ 3. Для отопления дома в сутки требуется 440 МДж количества теплоты. Определяем ТЭНы какой мощности следует использовать, чтобы получить необходимую теплопроизводительность. Рассчитаем стоимость израсходованной электроэнергии при тарифе 1,61 коп. за 1 кВтч. При условии: отапливать дом в течении 12 часов. Ответ: Р = 5094 Вт, Стоимость = 98,4 рубля. Третий этап. Находим экономическую эффективность каждого способа. 22

Четвертый этап. Результаты и вывод. Вывод: Наиболее эффективным из традиционных способов является второй (использование в виде топлива природного газа). 23

Способ отопленияКоличество топлива за сутки Количество топлива за месяц Каменный уголь16,3 кг489 кг Газ12,5 м м 3 Электроэнергия 5,094 кВт152,82 кВт Таблица массы топлива. 24

Способ отопления Стоимость за единицу топлива, руб. За 1 день, руб. За месяц, руб. Каменный уголь4 65,21956 Газ2, Электроэнергия1,6198,42952 Таблица стоимости топлива 25

Виды топливаПроцент переплаты за отопление Газ100% Каменный уголь203% Электроэнергия307% Таблица переплаты за отопление. Пусть 100% - стоимость самого экономичного вида отопления(газа), тогда: 26

4.Заключение. В результате полученных данных можно сделать вывод: 1.) Люди живущие в частных домах с газовым отоплением платят за отопление меньше всего. Из этого следует, что этот вид наиболее экономичен. Это объясняется тем, что они в любой момент могут включить и отключить свою систему отопления. Идет экономия топлива. 27

4.Заключение. 2.) Проживающие в одноэтажных домах с отоплением на твердом топливе платят за отопление почти в 2 раза больше, чем в частных домах с газовым отоплением. Так как цены на каменный уголь выше чем на газ. Кроме того, при сгорании каменного угля выделяются вредные вещества которые загрязняют атмосферу 28

3.) В домах отапливаемых электроэнергией мы переплачиваем примерно в 3 раза. Такой вид отопления экологически чист, но не экономичен. 4.Заключение. 29

Стоимость отопления 30

5.Литература 1. Р. «ФЕЙНМАНОВСКИЕ ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ» Фейнман, Р. Лейтон, М. Сендс 1976г. 2. «ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ УЧЕБНИК ФИЗИКИ» - Наука под ред. Академика Г.С. Ландсберга 1971г. 3. Перельман Я.И. «ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА» 1999г. 4. Энциклопедии «ФИЗИКА» и «ТЕХНИКА» - Москва: Аванта+, 2001г. 5. «ПРАКТИКУМ ПО ИНФОРМАТИКЕ И ИНФОРМАЦИОННЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ» - Москва: Угринович Н., Михайлова Н., Богова Л. 31