Termodynamika i przenoszenie ciepła. Metody przekazywania i obliczania ciepła. Przenoszenie ciepła to ...

Dzisiaj postaramy się znaleźć odpowiedź na to pytanie"Transfer ciepła to ...?". W artykule zastanowimy się, jaki jest proces, jakie rodzaje istnieją w przyrodzie, a także dowiemy się, jaki jest związek pomiędzy wymianą ciepła i termodynamiką.

Definicja

Wymiana ciepła jest procesem fizycznym, istotąktóry polega na przeniesieniu energii cieplnej. Wymiana odbywa się między dwoma ciałami lub ich systemem. Warunkiem obowiązkowym będzie przeniesienie ciepła z bardziej ogrzanych ciał do mniej nagrzanych.

Funkcje procesowe

Wymiana ciepła - jest to rodzaj zjawiska,które mogą wystąpić przy bezpośrednim kontakcie oraz w obecności dzielących się przegród. W pierwszym przypadku wszystko jest jasne, w drugim przypadku ciała, materiały i media mogą być wykorzystywane jako bariery. Przenikanie ciepła nastąpi w przypadkach, gdy układ składający się z dwóch lub więcej ciał nie znajduje się w stanie równowagi termicznej. Oznacza to, że jeden z obiektów ma wyższą lub niższą temperaturę niż inne. Następnie następuje transfer energii cieplnej. Logiczne jest założenie, że zakończy się, gdy system dojdzie do stanu równowagi termodynamicznej lub termicznej. Proces jest spontaniczny, ponieważ możemy powiedzieć o drugiej zasadzie termodynamiki.

Rodzaje

Wymiana ciepła jest procesem, który może byćpodzielony na trzy sposoby. Będą miały charakter podstawowy, ponieważ w ich obrębie można odróżnić rzeczywiste podkategorie, które mają swoje charakterystyczne cechy na równi z ogólnymi prawami. Do tej pory powszechne jest rozróżnianie trzech rodzajów wymiany ciepła. Jest to przewodność cieplna, konwekcja i promieniowanie. Zacznijmy od pierwszego.

Sposoby przekazywania ciepła. Przewodność cieplna.

Jest to nazwa własności jednego lub drugiegomaterialne ciało do przenoszenia energii. W takim przypadku jest on przenoszony z bardziej ogrzanej części do tej, która jest zimniejsza. W sercu tego zjawiska leży zasada chaotycznego ruchu cząsteczek. To jest tak zwany ruch Browna. Im wyższa temperatura ciała, tym bardziej aktywne cząsteczki poruszają się w nim, ponieważ mają więcej energii kinetycznej. W procesie przewodnictwa cieplnego biorą udział elektrony, cząsteczki i atomy. Przeprowadza się go w ciałach, których różne części mają nierówną temperaturę.

Jeśli substancja jest w stanie przewodzić ciepło, możemymówić o dostępności cech ilościowych. W tym przypadku jego rolę odgrywa współczynnik przewodności cieplnej. Ta charakterystyka pokazuje, ile ciepła przejdzie przez jednostkę długości i powierzchni w jednostce czasu. W takim przypadku temperatura ciała zmieni się dokładnie o 1 K.

Wcześniej uważano, że wymiana ciepła w różnychciała (w tym przenikanie ciepła otaczających struktur) wynikają z faktu, że z jednej części ciała do drugiej przepływa tzw. ciepło. Nikt jednak nie odnalazł oznak swojej prawdziwej egzystencji, a kiedy teoria molekularno-kinetyczna rozwinęła się do pewnego poziomu, wszyscy zapomnieli myśleć o upale, ponieważ hipoteza okazała się nie do utrzymania.

Konwekcja. Przenikanie ciepła wody

W ramach tej metody wymiany ciepłaoznacza transfer za pomocą wewnętrznych przepływów. Wyobraźmy sobie czajnik z wodą. Jak wiadomo, więcej nagrzanych przepływów powietrza wznosi się w górę. A zimno, cięższe, spadają. Dlaczego więc woda powinna być inna? Z nią jest zupełnie tak samo. A teraz, w trakcie takiego cyklu, wszystkie warstwy wody, bez względu na to ile, rozgrzeją się przed początkiem stanu równowagi termicznej. Oczywiście w pewnych warunkach.

Promieniowanie

Ta metoda polega na zasadziepromieniowanie elektromagnetyczne. Wynika to z energii wewnętrznej. Nie zajmiemy się teorią promieniowania cieplnego, po prostu zauważamy, że powodem jest tutaj układ naładowanych cząstek, atomów i cząsteczek.

Proste problemy przewodzenia ciepła

Teraz porozmawiajmy o tym, jak w praktyce wyglądaobliczenie transferu ciepła. Rozwiążmy proste zadanie związane z ilością ciepła. Załóżmy, że mamy masę wody równą pół kilograma. Początkowa temperatura wody wynosi 0 stopni Celsjusza, ostateczna temperatura to 100. Znajdźmy ilość ciepła, którą zużyliśmy, aby ogrzać tę masę materii.

Do tego potrzebujemy wzoru Q = cm (t₂-t₁), gdzie Q jest ilością ciepła, c jest ciepłem właściwym wody, m jest masą substancji, t₁ - początkowy, t₂ Jest ostateczna temperatura. W przypadku wody wartość c jest tabelaryczna. Ciepło właściwe będzie wynosić 4200 J / kg * C. Teraz zastąp te wartości w formule. Załóżmy, że ilość ciepła będzie równa 210000 J lub 210 kJ.

Pierwsza zasada termodynamiki

Termodynamika i wymiana ciepła są ze sobą powiązaneniektóre prawa. Opierają się one na wiedzy, że zmiany w energii wewnętrznej w systemie można osiągnąć na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest zlecenie pracy mechanicznej. Drugi to przesłanie pewnej ilości ciepła. Nawiasem mówiąc, zasada ta opiera się na pierwszej zasadzie termodynamiki. Oto jego sformułowanie: jeśli system został poinformowany o pewnej ilości ciepła, zostanie wydane na prace nad ciałami zewnętrznymi lub na zwiększenie jego energii wewnętrznej. Notacja matematyczna: dQ = dU + dA.

Plusy lub minusy?

Absolutnie wszystkie ilości, które wchodzą w składzapis matematyczny pierwszej zasady termodynamiki, można zapisać ze znakiem plus lub minus. A ich wybór będzie podyktowany warunkami procesu. Załóżmy, że system odbiera określoną ilość ciepła. W takim przypadku ciała w nim są podgrzewane. W konsekwencji następuje ekspansja gazu, co oznacza, że ​​praca jest wykonywana. W rezultacie wartości będą dodatnie. Jeśli ilość ciepła zostanie odebrana, gaz ochładza się, praca jest wykonywana powyżej. Wartości przyjmą przeciwne wartości.

Alternatywne sformułowanie pierwszej zasady termodynamiki

Załóżmy, że mamy jakieś okresowoaktywny silnik. W nim działający organ (lub system) wykonuje cykliczny proces. Nazywa się to zwykle cyklem. W rezultacie system powróci do swojego pierwotnego stanu. Logiczne byłoby założenie, że w tym przypadku zmiana energii wewnętrznej wyniesie zero. Okazuje się, że ilość ciepła równa się doskonałej pracy. Przepisy te pozwalają sformułować pierwszą zasadę termodynamiki w inny sposób.

Z niego możemy zrozumieć, co w naturze nie możeistnieje perpetuum mobile pierwszego rodzaju. To znaczy, urządzenie, które ma więcej pracy w porównaniu z energią odbieraną z zewnątrz. W takim przypadku działania muszą być podejmowane okresowo.

Pierwsza zasada termodynamiki dla izoprocesów

Najpierw rozważmy proces izochoryczny. Dzięki temu objętość pozostaje stała. Tak więc zmiana głośności będzie zerowa. W konsekwencji praca będzie również zerowa. Odrzucamy ten termin z pierwszej zasady termodynamiki, po czym otrzymujemy formułę dQ = dU. Stąd w procesie izochorycznym całe ciepło dostarczane do układu zwiększa wewnętrzną energię gazu lub mieszaniny.

Porozmawiajmy teraz o procesie izobarycznym. Stała wartość w nim pozostaje ciśnieniem. W tym przypadku energia wewnętrzna zmieni się równolegle z pracą. Oto oryginalna formuła: dQ = dU + pdV. Możemy łatwo obliczyć wykonaną pracę. Będzie równy wyrażeniu uR (T₂-T₁). Nawiasem mówiąc, jest to fizyczne znaczenie uniwersalnej stałej gazowej. W obecności jednego mola gazu i różnicy temperatur jednego Kelwina, uniwersalna stała gazowa będzie równa pracy wykonanej w procesie izobarycznym.