I dag skal vi prøve å finne svaret på spørsmålet «Varmeoverføring er?…». I artikkelen skal vi vurdere hva prosessen er, hvilke typer av den som finnes i naturen, og også finne ut hva som er forholdet mellom varmeoverføring og termodynamikk.
Definition
Varmeoverføring er en fysisk prosess, hvis essens er overføring av termisk energi. Utvekslingen skjer mellom to kropper eller deres system. I dette tilfellet vil en forutsetning være overføring av varme fra mer oppvarmede legemer til mindre oppvarmede.
Prosessfunksjoner
Varmeoverføring er samme type fenomen som kan oppstå både ved direkte kontakt og med skillevegger. I det første tilfellet er alt klart, i det andre kan kropper, materialer og medier brukes som barrierer. Varmeoverføring vil skje i tilfeller der et system bestående av to eller flere legemer ikke er i termisk likevekt. Det vil si at ett av objektene har høyere eller lavere temperatur sammenlignet med det andre. Det er her overføringen av varmeenergi finner sted. Det er logisk å anta at det vil ende nårnår systemet kommer til en tilstand av termodynamisk eller termisk likevekt. Prosessen skjer spontant, som termodynamikkens andre lov kan fortelle oss.
Visninger
Varmeoverføring er en prosess som kan deles inn i tre måter. De vil ha en grunnleggende natur, siden det i dem kan skilles mellom virkelige underkategorier, som har sine egne karakteristiske trekk sammen med generelle mønstre. Til dags dato er det vanlig å skille mellom tre typer varmeoverføring. Disse er ledning, konveksjon og stråling. La oss begynne med den første, kanskje.
Metoder for varmeoverføring. Termisk ledningsevne
Dette er navnet på egenskapen til en materiell kropp for å utføre overføring av energi. Samtidig overføres den fra den varmere delen til den kaldere. Dette fenomenet er basert på prinsippet om kaotisk bevegelse av molekyler. Dette er den såk alte Brownske bevegelsen. Jo høyere temperaturen i kroppen er, desto mer aktivt beveger molekylene seg i den, siden de har mer kinetisk energi. Elektroner, molekyler, atomer deltar i prosessen med varmeledning. Den utføres i kropper, hvor forskjellige deler har forskjellige temperaturer.
Hvis et stoff er i stand til å lede varme, kan vi snakke om tilstedeværelsen av en kvantitativ egenskap. I dette tilfellet spilles dens rolle av koeffisienten for termisk ledningsevne. Denne karakteristikken viser hvor mye varme som vil passere gjennom enhetsindikatorer for lengde og areal per tidsenhet. I dette tilfellet vil kroppstemperaturen endres nøyaktig med 1 K.
Tidligere trodde man at varmeveksling iulike kropper (inkludert varmeoverføring av omsluttende strukturer) skyldes det faktum at den såk alte kalorien flyter fra en del av kroppen til en annen. Ingen fant imidlertid tegn på dens faktiske eksistens, og da den molekylærkinetiske teorien utviklet seg til et visst nivå, glemte alle å tenke på kalori, siden hypotesen viste seg å være uholdbar.
Konveksjon. Vannvarmeoverføring
Denne metoden for varmeenergiutveksling forstås som overføring ved hjelp av interne strømninger. La oss forestille oss en vannkoker. Som du vet stiger varmere luftstrømmer til toppen. Og kalde, tyngre synker ned. Så hvorfor skulle vann være annerledes? Det er akkurat det samme med henne. Og i prosessen med en slik syklus vil alle lag med vann, uansett hvor mange det er, varmes opp til en tilstand av termisk likevekt oppstår. Under visse forhold, selvfølgelig.
Stråling
Denne metoden er basert på prinsippet om elektromagnetisk stråling. Det kommer fra indre energi. Vi skal ikke gå mye inn på teorien om termisk stråling, vi vil bare merke oss at årsaken her ligger i arrangementet av ladede partikler, atomer og molekyler.
Enkle varmeledningsproblemer
La oss nå snakke om hvordan beregningen av varmeoverføring ser ut i praksis. La oss løse et enkelt problem knyttet til mengden varme. La oss si at vi har en vannmasse som tilsvarer et halvt kilo. Innledende vanntemperatur - 0 graderCelsius, endelig - 100. La oss finne hvor mye varme vi bruker for å varme denne materiemassen.
For dette trenger vi formelen Q=cm(t2-t1), der Q er mengden varme, c er den spesifikke varmekapasiteten til vann, m er massen til stoffet, t1 er starttemperaturen, t2 er slutttemperaturen. For vann er verdien av c tabellform. Den spesifikke varmekapasiteten vil være lik 4200 J / kgC. Nå erstatter vi disse verdiene i formelen. Vi får at varmemengden vil være lik 210 000 J, eller 210 kJ.
Den første loven for termodynamikk
Termodynamikk og varmeoverføring er forbundet med noen lover. De er basert på kunnskapen om at endringer i intern energi i et system kan oppnås på to måter. Den første er mekanisk arbeid. Den andre er kommunikasjonen av en viss mengde varme. Forresten er termodynamikkens første lov basert på dette prinsippet. Her er formuleringen: hvis en viss mengde varme ble gitt til systemet, vil den bli brukt på å utføre arbeid på ytre kropper eller på å øke dets indre energi. Matematisk notasjon: dQ=dU + dA.
Fordeler eller ulemper?
Absolutt alle størrelsene som inngår i den matematiske notasjonen til termodynamikkens første lov kan skrives både med et "pluss"-tegn og et "minus"-tegn. Dessuten vil deres valg bli diktert av betingelsene for prosessen. Anta at systemet mottar en viss mengde varme. I dette tilfellet varmes kroppene i den opp. Derfor er det en utvidelse av gassen, som betyr atarbeid blir gjort. Som et resultat vil verdiene være positive. Hvis varmemengden tas bort, avkjøles gassen, og det jobbes med den. Verdiene vil bli reversert.
Alternativ formulering av termodynamikkens første lov
Anta at vi har en intermitterende motor. I den utfører arbeidskroppen (eller systemet) en sirkulær prosess. Det kalles vanligvis en syklus. Som et resultat vil systemet gå tilbake til sin opprinnelige tilstand. Det vil være logisk å anta at i dette tilfellet vil endringen i indre energi være lik null. Det viser seg at mengden varme vil være lik det utførte arbeidet. Disse bestemmelsene lar oss formulere termodynamikkens første lov på en annen måte.
Av det kan vi forstå at en evighetsmaskin av den første typen ikke kan eksistere i naturen. Det vil si en enhet som fungerer i en større mengde sammenlignet med energien som mottas utenfra. I dette tilfellet må handlinger utføres med jevne mellomrom.
Termodynamikkens første lov for isoprosesser
La oss starte med den isokoriske prosessen. Den holder volumet konstant. Dette betyr at volumendringen blir null. Derfor vil arbeidet også være lik null. La oss forkaste dette begrepet fra termodynamikkens første lov, hvoretter vi får formelen dQ=dU. Dette betyr at i en isokorisk prosess går all varmen som tilføres systemet til å øke den indre energien til gassen eller blandingen.
La oss nå snakke om den isobariske prosessen. Trykket forblir konstant. I dette tilfellet vil den indre energien endres parallelt med arbeidet. Her er den opprinnelige formelen: dQ=dU + pdV. Vi kan enkelt beregne arbeidet som er utført. Det vil være lik uttrykket uR(T2-T1). Dette er forresten den fysiske betydningen av den universelle gasskonstanten. I nærvær av ett mol gass og en temperaturforskjell på en Kelvin, vil den universelle gasskonstanten være lik arbeidet utført i en isobarisk prosess.
