Danes bomo poskušali najti odgovor na vprašanje "Prenos toplote je?..". V članku bomo preučili, kaj je proces, kakšne vrste obstajajo v naravi, in tudi ugotovili, kakšno je razmerje med prenosom toplote in termodinamiko.
Definicija
Prenos toplote je fizični proces, katerega bistvo je prenos toplotne energije. Izmenjava poteka med telesoma oziroma njunim sistemom. V tem primeru bo predpogoj prenos toplote z bolj segretih teles na manj segreta.
Procesne funkcije
Prenos toplote je enak tip pojava, ki se lahko pojavi tako pri neposrednem stiku kot pri ločevalnih predelnih stenah. V prvem primeru je vse jasno, v drugem pa se kot ovire lahko uporabljajo telesa, materiali in mediji. Prenos toplote se pojavi v primerih, ko sistem, sestavljen iz dveh ali več teles, ni v stanju toplotnega ravnotežja. To pomeni, da ima eden od predmetov višjo ali nižjo temperaturo v primerjavi z drugim. Tu poteka prenos toplotne energije. Logično je domnevati, da se bo končalo takratko sistem pride v stanje termodinamičnega ali toplotnega ravnotežja. Proces se zgodi spontano, kot nam lahko pove drugi zakon termodinamike.
Ogledi
Prenos toplote je proces, ki ga lahko razdelimo na tri načine. Imeli bodo osnovno naravo, saj je znotraj njih mogoče razlikovati resnične podkategorije, ki imajo svoje značilne lastnosti skupaj s splošnimi vzorci. Do danes je običajno razlikovati tri vrste prenosa toplote. To so prevodnost, konvekcija in sevanje. Začnimo morda s prvim.
Načini prenosa toplote. Toplotna prevodnost
To je ime lastnosti materialnega telesa, da izvaja prenos energije. Hkrati se prenaša iz toplejšega dela v hladnejši. Ta pojav temelji na principu kaotičnega gibanja molekul. To je tako imenovano Brownovo gibanje. Višja kot je temperatura telesa, bolj aktivno se gibljejo molekule v njem, saj imajo več kinetične energije. V procesu toplotne prevodnosti sodelujejo elektroni, molekule, atomi. Izvaja se v telesih, katerih različni deli imajo različne temperature.
Če je snov sposobna prevajati toploto, lahko govorimo o prisotnosti kvantitativne lastnosti. V tem primeru njegovo vlogo igra koeficient toplotne prevodnosti. Ta lastnost kaže, koliko toplote bo prešlo skozi indikatorje enote dolžine in površine na enoto časa. V tem primeru se bo telesna temperatura spremenila natanko za 1 K.
Prej je veljalo, da izmenjava toplote vrazličnih teles (vključno s prenosom toplote ograjenih struktur) je posledica dejstva, da tako imenovani kalorični pretoki iz enega dela telesa v drugega. Vendar nihče ni našel znakov njegovega dejanskega obstoja, in ko se je molekularno-kinetična teorija razvila na določeno raven, so vsi pozabili razmišljati o kalorijah, saj se je hipoteza izkazala za nevzdržno.
konvekcija. Prenos toplote vode
Ta način izmenjave toplotne energije se razume kot prenos s pomočjo notranjih tokov. Predstavljajmo si kotliček z vodo. Kot veste, se bolj vroči zračni tokovi dvigajo na vrh. In hladni, težji se potopijo. Zakaj bi torej morala biti voda drugačna? Z njo je popolnoma enako. In v procesu takšnega cikla se bodo vse plasti vode, ne glede na to, koliko jih je, segrevale, dokler ne pride do stanja toplotnega ravnotežja. Pod določenimi pogoji, seveda.
sevanje
Ta metoda temelji na principu elektromagnetnega sevanja. Prihaja iz notranje energije. Ne bomo se veliko spuščali v teorijo toplotnega sevanja, le ugotovili bomo, da je razlog tukaj v razporeditvi nabitih delcev, atomov in molekul.
Preproste težave s toplotno prevodnostjo
Sedaj pa se pogovorimo o tem, kako izgleda izračun prenosa toplote v praksi. Rešimo preprosto težavo, povezano s količino toplote. Recimo, da imamo maso vode enako pol kilograma. Začetna temperatura vode - 0 stopinjCelzija, končno - 100. Poiščimo količino toplote, ki jo porabimo za segrevanje te mase snovi.
Za to potrebujemo formulo Q=cm(t2-t1), kjer je Q količina toplote, c je specifična toplotna kapaciteta vode, m je masa snovi, t1 je začetna temperatura, t2 je končna temperatura. Za vodo je vrednost c tabelarična. Specifična toplotna zmogljivost bo enaka 4200 J / kgC. Zdaj te vrednosti nadomestimo v formulo. Dobimo, da bo količina toplote enaka 210000 J ali 210 kJ.
Prvi zakon termodinamike
Termodinamika in prenos toplote sta med seboj povezana z nekaterimi zakoni. Temeljijo na spoznanju, da je spremembe notranje energije znotraj sistema mogoče doseči na dva načina. Prvi je mehansko delo. Druga je komunikacija določene količine toplote. Mimogrede, prvi zakon termodinamike temelji na tem načelu. Tu je njegova formulacija: če je bila določena količina toplote prenesena v sistem, bo ta porabljena za opravljanje dela na zunanjih telesih ali za povečanje njegove notranje energije. Matematični zapis: dQ=dU + dA.
Prednosti ali slabosti?
Absolutno vse količine, ki so vključene v matematični zapis prvega zakona termodinamike, lahko zapišemo tako z znakom »plus« kot tudi z znakom »minus«. Poleg tega bodo njihovo izbiro narekovali pogoji postopka. Predpostavimo, da sistem prejme določeno količino toplote. V tem primeru se telesa v njem segrejejo. Zato pride do ekspanzije plina, kar pomeni, dadelo poteka. Posledično bodo vrednosti pozitivne. Če se količina toplote odvzame, se plin ohladi in na njem se opravi delo. Vrednosti bodo obrnjene.
Alternativna formulacija prvega zakona termodinamike
Predpostavimo, da imamo motor s prekinitvami. V njem delovno telo (ali sistem) izvaja krožni proces. Običajno se imenuje cikel. Posledično se bo sistem vrnil v prvotno stanje. Logično bi bilo domnevati, da bo v tem primeru sprememba notranje energije enaka nič. Izkazalo se je, da bo količina toplote enaka opravljenemu delu. Te določbe nam omogočajo, da prvi zakon termodinamike oblikujemo na drugačen način.
Iz nje lahko razberemo, da v naravi ne more obstajati večni motor prve vrste. To je naprava, ki deluje v večji količini v primerjavi z energijo, ki jo prejme od zunaj. V tem primeru je treba dejanja izvajati občasno.
Prvi zakon termodinamike za izoprocese
Začnimo z izohoričnim procesom. Ohranja konstantno glasnost. To pomeni, da bo sprememba glasnosti enaka nič. Zato bo tudi delo enako nič. Ta izraz zavržemo iz prvega zakona termodinamike, po katerem dobimo formulo dQ=dU. To pomeni, da v izohoričnem procesu vsa toplota, dovedena v sistem, gre za povečanje notranje energije plina ali mešanice.
Zdaj se pogovorimo o izobaričnem procesu. Tlak ostane konstanten. V tem primeru se bo notranja energija spreminjala vzporedno z delom. Tukaj je izvirna formula: dQ=dU + pdV. Opravljeno delo lahko enostavno izračunamo. Enako bo izrazu uR(T2-T1). Mimogrede, to je fizični pomen univerzalne plinske konstante. V prisotnosti enega mola plina in temperaturne razlike enega Kelvina bo univerzalna plinska konstanta enaka delu, opravljenemu v izobaričnem procesu.
