Nước làm mát chảy liên tục: liên hệ lưu lượng và công suất nhiệt

Vật lý 12 · Ôn tập kiến thức THPT

Nước chảy đều mang đi công suất nhiệt P = ṁc(T_ra − T_vào), với ṁ là lưu lượng khối lượng tính bằng kg/s. Trong chế độ ổn định, lượng nước nằm trong thiết bị có thể không nóng thêm dù nhiệt liên tục truyền qua.

Một bộ trao đổi nhiệt dùng nước với ṁ = 0,050 kg/s, c = 4 200 J/(kg·K). Nước vào ở 20 °C, ra ở 35 °C. Bỏ qua biến đổi động năng, thế năng và không có chuyển pha.

Mỗi giây có 0,050 kg nước tăng 15 K, nhận 0,050 × 4 200 × 15 = 3 150 J. Vì vậy công suất nhiệt truyền vào dòng nước là 3 150 W.

Nếu thiết bị đồng thời mất 350 W ra môi trường, công suất cấp phải là 3 500 W để giữ trạng thái ổn định. Không gán 350 W ấy cho dòng nước: nó đi qua một đường năng lượng khác.

Đổi lưu lượng đúng cách

Giả sử khối lượng riêng nước là 1 000 kg/m³, lưu lượng thể tích 50 cm³/s tương ứng 50×10⁻⁶ m³/s, tức 0,050 kg/s. Nhân trực tiếp “50” với c mà không đổi đơn vị sẽ sai một nghìn lần.

Kiểm tra độc lập trong 10 s: có 0,50 kg nước đi qua, nhiệt nhận là 31 500 J. Chia 10 s vẫn cho 3 150 W.

Tự luyện: Giữ công suất truyền vào nước 3 150 W, tăng lưu lượng lên 0,10 kg/s và giữ nước vào 20 °C. Độ tăng nhiệt còn 7,5 K, nước ra 27,5 °C. Nếu nhiệt độ nguồn hay cơ chế trao đổi thay đổi, không được mặc định công suất truyền vẫn giữ nguyên; bài đã cho điều kiện ấy rõ ràng.

Đọc tiếp: Nhiệt dung riêng · Cân bằng nhiệt.