Idag ska vi försöka hitta svaret på frågan "Värmeöverföring är?…". I artikeln kommer vi att överväga vad processen är, vilka typer av den som finns i naturen, och även ta reda på vad som är sambandet mellan värmeöverföring och termodynamik.
Definition
Värmeöverföring är en fysisk process, vars essens är överföringen av termisk energi. Utbytet sker mellan två kroppar eller deras system. I det här fallet kommer en förutsättning att vara överföring av värme från mer uppvärmda kroppar till mindre uppvärmda.
Processfunktioner
Värmeöverföring är samma typ av fenomen som kan uppstå både vid direktkontakt och med separerande mellanväggar. I det första fallet är allt klart, i det andra kan kroppar, material och media användas som barriärer. Värmeöverföring kommer att ske i de fall där ett system bestående av två eller flera kroppar inte är i ett tillstånd av termisk jämvikt. Det vill säga att ett av objekten har en högre eller lägre temperatur jämfört med det andra. Det är här överföringen av värmeenergi sker. Det är logiskt att anta att det kommer att sluta närnär systemet kommer till ett tillstånd av termodynamisk eller termisk jämvikt. Processen sker spontant, vilket termodynamikens andra lag kan berätta för oss.
Visningar
Värmeöverföring är en process som kan delas in på tre sätt. De kommer att ha en grundläggande karaktär, eftersom verkliga underkategorier inom dem kan urskiljas, med sina egna karakteristiska egenskaper tillsammans med allmänna mönster. Hittills är det vanligt att särskilja tre typer av värmeöverföring. Dessa är ledning, konvektion och strålning. Låt oss börja med den första, kanske.
Metoder för värmeöverföring. Värmeledningsförmåga
Detta är namnet på egenskapen hos en materiell kropp för att utföra överföring av energi. Samtidigt överförs den från den varmare delen till den kallare. Detta fenomen är baserat på principen om kaotisk rörelse av molekyler. Detta är den så kallade Brownska rörelsen. Ju högre temperaturen i kroppen är, desto mer aktivt rör sig molekylerna i den, eftersom de har mer kinetisk energi. Elektroner, molekyler, atomer deltar i värmeledningsprocessen. Det utförs i kroppar, vars olika delar har olika temperaturer.
Om ett ämne kan leda värme kan vi tala om närvaron av en kvantitativ egenskap. I det här fallet spelas dess roll av koefficienten för värmeledningsförmåga. Denna egenskap visar hur mycket värme som kommer att passera genom enhetsindikatorer för längd och area per tidsenhet. I det här fallet kommer kroppstemperaturen att ändras exakt med 1 K.
Tidigare trodde man att värmeväxling iolika kroppar (inklusive värmeöverföringen av omslutande strukturer) beror på det faktum att den så kallade kaloriflöden från en del av kroppen till en annan. Ingen hittade dock tecken på dess faktiska existens, och när den molekylär-kinetiska teorin utvecklades till en viss nivå glömde alla att tänka på kalorier, eftersom hypotesen visade sig vara ohållbar.
Konvektion. Vattenvärmeöverföring
Denna metod för värmeenergiutbyte förstås som överföring med hjälp av interna flöden. Låt oss föreställa oss en vattenkokare. Som ni vet stiger varmare luftströmmar till toppen. Och kalla, tyngre sjunker ner. Så varför skulle vatten vara annorlunda? Det är precis samma sak med henne. Och i processen för en sådan cykel kommer alla lager av vatten, oavsett hur många det finns, att värmas upp tills ett tillstånd av termisk jämvikt uppstår. Under vissa förhållanden, naturligtvis.
Radiation
Denna metod är baserad på principen om elektromagnetisk strålning. Det kommer från inre energi. Vi kommer inte att gå mycket in på teorin om termisk strålning, vi kommer helt enkelt att notera att orsaken här ligger i arrangemanget av laddade partiklar, atomer och molekyler.
Enkla värmeledningsproblem
Nu ska vi prata om hur beräkningen av värmeöverföring ser ut i praktiken. Låt oss lösa ett enkelt problem relaterat till mängden värme. Låt oss säga att vi har en vattenmassa som är lika med ett halvt kilogram. Initial vattentemperatur - 0 graderCelsius, slutlig - 100. Låt oss ta reda på hur mycket värme vi använder för att värma denna materia.
För detta behöver vi formeln Q=cm(t2-t1), där Q är mängden värme, c är vattnets specifika värmekapacitet, m är ämnets massa, t1 är den initiala temperaturen, t2 är den slutliga temperaturen. För vatten är värdet på c tabellformigt. Den specifika värmekapaciteten kommer att vara lika med 4200 J / kgC. Nu ersätter vi dessa värden i formeln. Vi får att värmemängden blir lika med 210 000 J, eller 210 kJ.
Termodynamikens första lag
Termodynamik och värmeöverföring är sammankopplade av vissa lagar. De bygger på kunskapen om att förändringar i intern energi inom ett system kan uppnås på två sätt. Det första är mekaniskt arbete. Den andra är kommunikationen av en viss mängd värme. Förresten, termodynamikens första lag är baserad på denna princip. Här är dess formulering: om en viss mängd värme tillfördes systemet, kommer den att spenderas på att utföra arbete på externa kroppar eller på att öka dess inre energi. Matematisk notation: dQ=dU + dA.
Fördelar eller nackdelar?
Absolut alla storheter som ingår i den matematiska notationen av termodynamikens första lag kan skrivas både med ett "plus"-tecken och med ett "minustecken". Dessutom kommer deras val att dikteras av villkoren för processen. Antag att systemet tar emot en viss mängd värme. I det här fallet värms kropparna i den upp. Därför sker en expansion av gasen, vilket innebär attarbete pågår. Som ett resultat kommer värdena att vara positiva. Om mängden värme tas bort kyls gasen och man jobbar på den. Värdena kommer att vara omvända.
Alternativ formulering av termodynamikens första lag
Anta att vi har någon intermittent motor. I den utför arbetskroppen (eller systemet) en cirkulär process. Det kallas vanligtvis en cykel. Som ett resultat kommer systemet att återgå till sitt ursprungliga tillstånd. Det skulle vara logiskt att anta att i detta fall kommer förändringen i intern energi att vara lika med noll. Det visar sig att mängden värme kommer att vara lika med det utförda arbetet. Dessa bestämmelser tillåter oss att formulera termodynamikens första lag på ett annat sätt.
Av den kan vi förstå att en evighetsmaskin av det första slaget inte kan existera i naturen. Det vill säga en enhet som fungerar i en större mängd jämfört med energin som tas emot utifrån. I det här fallet måste åtgärder utföras med jämna mellanrum.
Termodynamikens första lag för isoprocesser
Låt oss börja med den isokoriska processen. Den håller volymen konstant. Det betyder att volymförändringen blir noll. Därför blir arbetet också lika med noll. Låt oss ta bort denna term från termodynamikens första lag, varefter vi får formeln dQ=dU. Detta innebär att i en isokorisk process går all värme som tillförs systemet till att öka gasens eller blandningens inre energi.
Nu ska vi prata om den isobariska processen. Trycket förblir konstant. I detta fall kommer den inre energin att förändras parallellt med arbetet. Här är den ursprungliga formeln: dQ=dU + pdV. Vi kan enkelt beräkna det utförda arbetet. Det kommer att vara lika med uttrycket uR(T2-T1). Detta är förresten den fysiska innebörden av den universella gaskonstanten. I närvaro av en mol gas och en temperaturskillnad på en Kelvin kommer den universella gaskonstanten att vara lika med det arbete som utförs i en isobar process.
