Кому-то приходится сжигать растительное или твердое ископае­мое топливо просто для того, чтобы не замерзнуть. Для других та­кое топливо дешевле или доступнее, чем более традиционные виды топлива, — метан, пропан или жидкое топливо. Давайте поговорим о некоторых «примитивных», но прошедших проверку временем спо­собах отопления. Основные системы отопления, описанные в этой книге, являются типичными, но имеют много разновидностей.

Энергия, мощность и теплота

Приходилось ли вам слышать, как термины энергия, мощность и теплота используют один вместо другого, как будто бы они имеют одинаковое значение? Но ведь это не так! Энергия — это мощность, накапливающаяся или расходуемая за определенное количество вре­мени. Мощность — это скорость, с которой расходуется энергия.

Теплота — это один из способов передачи энергии, вызывающий изменение температуры. Энергия, мощность и теплота могут выра­жаться по-разному и существовать в разных видах.

ДЖОУЛЬ

Физики измеряют и выражают энергию, независимо от ее вида, в единицах, называемых джоулями. Один джоуль (1 Дж) эквивален­тен одному ватту (1 Вт) мощности, израсходованной, излученной или рассеянной за время, равное одной секунде (1 с). Джоуль эк­вивалентен ватт-секунде, а ватт эквивалентен джоулю в секунду. Запишем это математически:

1 Дж = 1 Вт х с,

1 Вт = 1 Дж/с.

Для электронагревательных устройств вы рассчитываете ватт-часы (Вт х ч) или киловатт-часы (кВт хч). Ватт-час соответствует 1 Вт, рас­сеянному за 1 час, а 1 кВт хч - одному киловатту (1 кВт) мощности, рассеянному за 1 час. Заметим, что 1 кВт = 1000 Вт. Поэтому

1 Вт х ч = 3600 Дж,

1 кВт = 3 600 000 Дж = 3,6 х 106 Дж.

КАЛОРИЯ

Реже используется единица теплоты, называемая калория. Одна калория (1 кал) — это количество энергии, затрачиваемой на на­гревание одного грамма (1 г) чистой воды (находящейся в жидком состоянии) на один градус Цельсия (1 °С). Или наоборот — это количество энергии, теряемое 1 г чистой воды, если его температура падает на 1 °С. Килокалория (ккал), называемая также диетической калорией, — это количество энергии, затрачиваемой для того, что­бы температура одного килограмма (1 кг) чистой воды увеличилась или уменьшилась на один градус Цельсия (1 °С). Установлено, что 1 кал = 4,184 Дж, а 1 ккал = 4184 Дж[1].

Это определение калории остается справедливым только до тех пор, пока вода во всем объеме остается жидкостью в течение всего процесса. Если хотя бы часть воды замерзает, тает, закипает или конденсируется, это определение некорректно. При нормальном ат­мосферном давлении на поверхности Земли это определение остается верным в диапазоне температур примерно от 0 °С (точка замерзания воды) до 100 °С (точка кипения воды).

БРИТАНСКАЯ ТЕПЛОВАЯ ЕДИНИЦА (БТЕ)

В США для характеристики домашних систем отопления исполь­зуется старинная единица измерения энергии — Британская тепло­вая единица (БТЕ/BTU). Эти единицы упоминаются в рекламах пе­чей и кондиционеров. Одна Британская тепловая единица (1 БТЕ) — это количество энергии, затрачиваемой на нагревание одного фунта (1 фунт) чистой жидкой воды на один градус Фаренгейта (1 °F). Или наоборот — это количество энергии, которое теряет один фунт чистой воды, если его температура падает точно на 1 °F. Это определение, так же как и определение калории, будет справедливым только до тех пор, пока вода во всем объеме остается жидкостью.

Использовать БТЕ для характеристики нагревательной способ­ности печи или охлаждающей способности кондиционера непра­вильно. Эти характеристики описываются скоростью передачи энер­гии, которая выражается в Британских тепловых единицах в час (БТЕ/ч), а не полным количеством передаваемой энергии, выражае­мым в Британских тепловых единицах. В действительности нагрева­тельная способность печи определяется мощностью, а не энергией. 1 БТЕ = 1055 Дж. Другие, более полезные соотношения:

1 БТЕ/ч = 0,293 Вт,

1000 БТЕ/ч = 293 Вт.

И наоборот:

1 Вт = 3,41 БТЕ/ч,

1 кВт = 3410 БТЕ/ч.

Домашняя печь имеет нагревательную способность (мощность)

100 000 БТЕ/ч, что эквивалентно 29,3 кВт. Это примерно соответ­ствует мощности, потребленной двадцатью портативными электро­нагревателями, включенными на полную мощность.

СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОТЫ

На горячей плите теплота передается от конфорки к кастрюле с водой. Это способ передачи теплоты за счет теплопроводности (рис. 1.1, А). Когда инфракрасная (ИК) лампа светит на ваше боль­ное плечо, энергия передается на поверхность вашей кожи от нити накаливания лампы. Это способ передачи теплоты посредством излу­чения (радиации) (рис. 1.1, Б). Когда электронагреватель с венти­лятором обогревает комнату, воздух проходит через нагревательные элементы, затем вдувается в комнату, где нагретый воздух поднима­ется вверх и смешивается с остальным воздухом комнаты. Это способ передачи теплоты с помощью конвекции (переноса) (рис. 1.1, В).