I dag vil vi forsøge at finde svaret på spørgsmålet "Varmeoverførsel er?…". I artiklen vil vi overveje, hvad processen er, hvilke typer af den findes i naturen, og også finde ud af, hvad der er sammenhængen mellem varmeoverførsel og termodynamik.
Definition
Varmeoverførsel er en fysisk proces, hvis essens er overførsel af termisk energi. Udvekslingen finder sted mellem to kroppe eller deres system. I dette tilfælde vil en forudsætning være overførsel af varme fra mere opvarmede legemer til mindre opvarmede.
Procesfunktioner
Varmeoverførsel er den samme type fænomen, som kan opstå både ved direkte kontakt og ved adskillelse af skillevægge. I det første tilfælde er alt klart, i det andet kan kroppe, materialer og medier bruges som barrierer. Varmeoverførsel vil forekomme i tilfælde, hvor et system bestående af to eller flere legemer ikke er i en tilstand af termisk ligevægt. Det vil sige, at et af objekterne har en højere eller lavere temperatur sammenlignet med det andet. Det er her overførslen af varmeenergi finder sted. Det er logisk at antage, at det slutter hvornårnår systemet kommer til en tilstand af termodynamisk eller termisk ligevægt. Processen sker spontant, som termodynamikkens anden lov kan fortælle os.
Visninger
Varmeoverførsel er en proces, der kan opdeles på tre måder. De vil have en grundlæggende karakter, da der inden for dem kan skelnes mellem virkelige underkategorier, der har deres egne karakteristiske træk sammen med generelle mønstre. Til dato er det sædvanligt at skelne mellem tre typer varmeoverførsel. Disse er ledning, konvektion og stråling. Lad os starte med den første, måske.
Metoder til varmeoverførsel. Termisk ledningsevne
Dette er navnet på en materiel krops egenskab til at udføre overførsel af energi. Samtidig overføres det fra den varmere del til den koldere. Dette fænomen er baseret på princippet om kaotisk bevægelse af molekyler. Dette er den såkaldte Brownske bevægelse. Jo højere temperaturen i kroppen er, jo mere aktivt bevæger molekylerne sig i den, da de har mere kinetisk energi. Elektroner, molekyler, atomer deltager i processen med varmeledning. Det udføres i kroppe, hvor forskellige dele har forskellige temperaturer.
Hvis et stof er i stand til at lede varme, kan vi tale om tilstedeværelsen af en kvantitativ egenskab. I dette tilfælde spilles dens rolle af koefficienten for termisk ledningsevne. Denne karakteristik viser, hvor meget varme der passerer gennem enhedsindikatorer for længde og areal pr. tidsenhed. I dette tilfælde vil kropstemperaturen ændre sig nøjagtigt med 1 K.
Tidligere troede man, at varmeudveksling iforskellige legemer (herunder varmeoverførsel af omsluttende strukturer) skyldes, at den såkaldte kaloriestrøm flyder fra en del af kroppen til en anden. Ingen fandt dog tegn på dens faktiske eksistens, og da den molekylær-kinetiske teori udviklede sig til et vist niveau, glemte alle at tænke på kalorieindholdet, da hypotesen viste sig at være uholdbar.
Konvektion. Vandvarmeoverførsel
Denne metode til varmeenergiudveksling forstås som overførsel ved hjælp af interne strømme. Lad os forestille os en kedel med vand. Som bekendt stiger varmere luftstrømme til toppen. Og kolde, tungere synker ned. Så hvorfor skulle vand være anderledes? Det er præcis det samme med hende. Og i processen med en sådan cyklus vil alle lag af vand, uanset hvor mange der er, varmes op, indtil der opstår en tilstand af termisk ligevægt. Under visse forhold, selvfølgelig.
Stråling
Denne metode er baseret på princippet om elektromagnetisk stråling. Det kommer fra indre energi. Vi vil ikke gå meget ind i teorien om termisk stråling, vi vil blot bemærke, at årsagen her ligger i arrangementet af ladede partikler, atomer og molekyler.
Simple varmeledningsproblemer
Lad os nu tale om, hvordan beregningen af varmeoverførsel ser ud i praksis. Lad os løse et simpelt problem relateret til mængden af varme. Lad os sige, at vi har en masse vand svarende til et halvt kilogram. Indledende vandtemperatur - 0 graderCelsius, endelig - 100. Lad os finde den mængde varme, vi bruger på at opvarme denne stofmasse.
Til dette har vi brug for formlen Q=cm(t2-t1), hvor Q er mængden af varme, c er vands specifikke varmekapacitet, m er massen af stoffet, t1 er starttemperaturen, t2 er sluttemperaturen. For vand er værdien af c tabelformet. Den specifikke varmekapacitet vil være lig med 4200 J / kgC. Nu erstatter vi disse værdier i formlen. Vi får, at mængden af varme vil være lig med 210000 J eller 210 kJ.
Termodynamikkens første lov
Termodynamik og varmeoverførsel er forbundet af nogle love. De er baseret på viden om, at ændringer i intern energi i et system kan opnås på to måder. Den første er mekanisk arbejde. Den anden er kommunikationen af en vis mængde varme. Forresten er termodynamikkens første lov baseret på dette princip. Her er dens formulering: Hvis en vis mængde varme blev tilført systemet, vil den blive brugt på at udføre arbejde på eksterne kroppe eller på at øge dets indre energi. Matematisk notation: dQ=dU + dA.
Fordele eller ulemper?
Absolut alle de størrelser, der indgår i den matematiske notation af termodynamikkens første lov, kan skrives både med et "plus"-tegn og et "minus"-tegn. Desuden vil deres valg blive dikteret af betingelserne for processen. Antag, at systemet modtager en vis mængde varme. I dette tilfælde opvarmes kroppene i den. Derfor sker der en udvidelse af gassen, hvilket betyder, atder arbejdes. Som et resultat vil værdierne være positive. Tages varmemængden væk, afkøles gassen, og der arbejdes på den. Værdierne vil blive omvendt.
Alternativ formulering af termodynamikkens første lov
Antag, at vi har en intermitterende motor. I den udfører den arbejdende krop (eller systemet) en cirkulær proces. Det kaldes almindeligvis en cyklus. Som et resultat vil systemet vende tilbage til sin oprindelige tilstand. Det ville være logisk at antage, at i dette tilfælde vil ændringen i indre energi være lig med nul. Det viser sig, at mængden af varme vil være lig med det udførte arbejde. Disse bestemmelser giver os mulighed for at formulere termodynamikkens første lov på en anden måde.
Udfra det kan vi forstå, at en evighedsmaskine af den første slags ikke kan eksistere i naturen. Det vil sige en enhed, der virker i en større mængde sammenlignet med den energi, der modtages udefra. I dette tilfælde skal handlinger udføres med jævne mellemrum.
Termodynamikkens første lov for isoprocesser
Lad os starte med den isochoriske proces. Det holder lydstyrken konstant. Det betyder, at ændringen i volumen vil være nul. Derfor vil arbejdet også være lig nul. Lad os kassere dette udtryk fra termodynamikkens første lov, hvorefter vi får formlen dQ=dU. Det betyder, at i en isochorisk proces går al den varme, der leveres til systemet til at øge den indre energi i gassen eller blandingen.
Lad os nu tale om den isobariske proces. Trykket forbliver konstant. I dette tilfælde vil den indre energi ændre sig parallelt med arbejdet. Her er den oprindelige formel: dQ=dU + pdV. Vi kan nemt beregne det udførte arbejde. Det vil være lig med udtrykket uR(T2-T1). Forresten er dette den fysiske betydning af den universelle gaskonstanten. Ved tilstedeværelse af et mol gas og en temperaturforskel på en Kelvin vil den universelle gaskonstant være lig med det arbejde, der udføres i en isobarisk proces.
