Dnes sa pokúsime nájsť odpoveď na otázku „Prestup tepla je?…“. V článku zvážime, čo je to za proces, aké typy existujú v prírode a tiež zistíme, aký je vzťah medzi prenosom tepla a termodynamikou.
Definícia
Prenos tepla je fyzikálny proces, ktorého podstatou je prenos tepelnej energie. Výmena prebieha medzi dvoma telesami alebo ich systémom. Predpokladom v tomto prípade bude prenos tepla z viac vyhrievaných telies na menej vyhrievané.
Funkcie procesu
Prenos tepla je rovnaký typ javu, ktorý sa môže vyskytnúť pri priamom kontakte aj pri deliacich priečkach. V prvom prípade je všetko jasné, v druhom možno ako bariéry použiť telesá, materiály a médiá. K prenosu tepla dôjde v prípadoch, keď systém pozostávajúci z dvoch alebo viacerých telies nie je v stave tepelnej rovnováhy. To znamená, že jeden z predmetov má vyššiu alebo nižšiu teplotu v porovnaní s druhým. Tu dochádza k prenosu tepelnej energie. Je logické predpokladať, že keď sa to skončíkeď sa systém dostane do stavu termodynamickej alebo tepelnej rovnováhy. Tento proces prebieha spontánne, ako nám môže povedať druhý termodynamický zákon.
Zobrazenia
Prenos tepla je proces, ktorý možno rozdeliť do troch spôsobov. Budú mať základnú povahu, pretože v nich možno rozlíšiť skutočné podkategórie, ktoré majú svoje vlastné charakteristické črty spolu so všeobecnými vzormi. K dnešnému dňu je obvyklé rozlišovať tri typy prenosu tepla. Sú to vedenie, prúdenie a žiarenie. Začnime možno prvým.
Metódy prenosu tepla. Tepelná vodivosť
Toto je názov vlastnosti hmotného tela vykonávať prenos energie. Zároveň sa prenáša z teplejšej časti do chladnejšej. Tento jav je založený na princípe chaotického pohybu molekúl. Ide o takzvaný Brownov pohyb. Čím vyššia je teplota tela, tým aktívnejšie sa v ňom molekuly pohybujú, pretože majú väčšiu kinetickú energiu. Elektróny, molekuly, atómy sa podieľajú na procese vedenia tepla. Vykonáva sa v telesách, ktorých rôzne časti majú rôzne teploty.
Ak je látka schopná viesť teplo, môžeme hovoriť o prítomnosti kvantitatívnej charakteristiky. V tomto prípade jeho úlohu zohráva koeficient tepelnej vodivosti. Táto charakteristika ukazuje, koľko tepla prejde jednotkovými ukazovateľmi dĺžky a plochy za jednotku času. V tomto prípade sa telesná teplota zmení presne o 1 K.
Predtým sa verilo, že výmena tepla vrôznych telies (vrátane prenosu tepla obklopujúcich štruktúr) je spôsobené tým, že takzvané kalorické toky z jednej časti tela do druhej. Nikto však nenašiel známky jeho skutočnej existencie, a keď sa molekulárno-kinetická teória rozvinula na určitú úroveň, každý zabudol myslieť na kalorické, pretože hypotéza sa ukázala ako neudržateľná.
Konvekcia. Prenos tepla vodou
Tento spôsob výmeny tepelnej energie sa chápe ako prenos pomocou vnútorných tokov. Predstavme si kanvicu s vodou. Ako viete, prúdy horúceho vzduchu stúpajú na vrchol. A studené, ťažšie klesajú. Tak prečo by mala byť voda iná? Presne tak je to aj s ňou. A v procese takéhoto cyklu sa všetky vrstvy vody, bez ohľadu na to, koľko ich je, zohrejú, až kým nenastane tepelná rovnováha. Za určitých podmienok, samozrejme.
Žiarenie
Táto metóda je založená na princípe elektromagnetického žiarenia. Pochádza z vnútornej energie. Nebudeme sa moc venovať teórii tepelného žiarenia, len si všimneme, že dôvod spočíva v usporiadaní nabitých častíc, atómov a molekúl.
Jednoduché problémy s vedením tepla
Poďme si teraz povedať, ako vyzerá výpočet prestupu tepla v praxi. Vyriešme jednoduchý problém súvisiaci s množstvom tepla. Povedzme, že máme hmotnosť vody rovnajúcu sa pol kilogramu. Počiatočná teplota vody - 0 stupňovCelzia, konečná - 100. Poďme zistiť množstvo tepla, ktoré sme spotrebovali na zahriatie tejto hmoty hmoty.
Na to potrebujeme vzorec Q=cm(t2-t1), kde Q je množstvo tepla, c je merná tepelná kapacita vody, m je hmotnosť látky, t1 je počiatočná teplota, t2 je konečná teplota. Pre vodu je hodnota c tabuľková. Špecifická tepelná kapacita sa bude rovnať 4200 J / kgC. Teraz dosadíme tieto hodnoty do vzorca. Dostaneme, že množstvo tepla sa bude rovnať 210 000 J alebo 210 kJ.
Prvý zákon termodynamiky
Termodynamika a prenos tepla sú vzájomne prepojené niektorými zákonmi. Vychádzajú z poznatku, že zmeny vnútornej energie v systéme možno dosiahnuť dvoma spôsobmi. Prvým je mechanická práca. Druhým je komunikácia určitého množstva tepla. Mimochodom, prvý zákon termodynamiky je založený na tomto princípe. Tu je jeho formulácia: ak bolo systému odovzdané určité množstvo tepla, bude vynaložené na prácu na vonkajších telesách alebo na zvýšenie jeho vnútornej energie. Matematický zápis: dQ=dU + dA.
Pre alebo proti?
Absolútne všetky veličiny, ktoré sú zahrnuté v matematickom zápise prvého zákona termodynamiky, možno zapísať so znamienkom „plus“aj so znamienkom „mínus“. Okrem toho ich výber bude závisieť od podmienok procesu. Predpokladajme, že systém prijíma určité množstvo tepla. V tomto prípade sa telesá v ňom zahrievajú. Preto dochádza k expanzii plynu, čo znamená, žepracuje sa. V dôsledku toho budú hodnoty pozitívne. Ak sa odoberie množstvo tepla, plyn sa ochladí a pracuje sa na ňom. Hodnoty budú obrátené.
Alternatívna formulácia prvého zákona termodynamiky
Predpokladajme, že máme nejaký prerušovaný motor. V ňom pracovný orgán (alebo systém) vykonáva kruhový proces. Bežne sa nazýva cyklus. V dôsledku toho sa systém vráti do pôvodného stavu. Bolo by logické predpokladať, že v tomto prípade bude zmena vnútornej energie rovná nule. Ukazuje sa, že množstvo tepla sa bude rovnať vykonanej práci. Tieto ustanovenia nám umožňujú formulovať prvý termodynamický zákon iným spôsobom.
Z toho môžeme pochopiť, že večný stroj prvého druhu nemôže v prírode existovať. To znamená, že zariadenie, ktoré pracuje vo väčšom množstve v porovnaní s energiou prijatou zvonka. V tomto prípade je potrebné akcie vykonávať pravidelne.
Prvý termodynamický zákon pre izoprocesy
Začnime s izochorickým procesom. Udržuje konštantný objem. To znamená, že zmena objemu bude nulová. Preto sa aj práca bude rovnať nule. Vynechajme tento pojem z prvého zákona termodynamiky, po ktorom dostaneme vzorec dQ=dU. To znamená, že v izochorickom procese všetko teplo dodávané do systému ide na zvýšenie vnútornej energie plynu alebo zmesi.
Teraz si povedzme o izobarickom procese. Tlak zostáva konštantný. V tomto prípade sa vnútorná energia zmení paralelne s prácou. Tu je pôvodný vzorec: dQ=dU + pdV. Vykonanú prácu vieme jednoducho vypočítať. Bude sa rovnať výrazu uR(T2-T1). Mimochodom, toto je fyzikálny význam univerzálnej plynovej konštanty. V prítomnosti jedného mólu plynu a teplotného rozdielu jedného Kelvina sa univerzálna plynová konštanta bude rovnať práci vykonanej v izobarickom procese.
