Termodinamica și transferul de căldură. Metode de transfer de căldură și de calcul. Transferul de căldură este ...

Astăzi vom încerca să găsim răspunsul la întrebarea "Transferul de căldură este ...?". În articol vom analiza ce este procesul, ce fel de existență există în natură și, de asemenea, să aflăm care este relația dintre transferul de căldură și termodinamică.

definiție

Transferul de căldură este un proces fizic, esența căruia se află în transmisie energia termică. Schimbul are loc între două corpuri sau sistemul lor. Condiția obligatorie va fi transferul căldurii de la mai multe corpuri încălzite la cele mai puțin încălzite.

Caracteristicile procesului

Transferul de căldură este un fel de fenomen care poate apărea atât în ​​contact direct, cât și în prezența partițiilor de separare. În primul caz, totul este clar, în al doilea caz, corpurile, materialele și mijloacele de informare pot fi folosite ca bariere. Transferul de căldură va avea loc în cazurile în care un sistem alcătuit din două sau mai multe corpuri nu este în stare de echilibru termic. Adică unul dintre obiecte are o temperatură mai mare sau mai mică decât cealaltă. Apoi, are loc transferul energiei termice. Este logic să presupunem că se va termina când sistemul ajunge într-o stare de echilibru termodinamic sau termic. Procesul este spontan, după cum putem spune a doua lege a termodinamicii.

tipuri

Transferul de căldură este un proces care poate fi împărțit în trei moduri. Acestea vor avea un caracter de bază, deoarece în ele este posibil să se identifice subcategorii reale care au propriile lor caracteristici la egalitate cu modelele generale. Până în prezent, este obișnuit să se aloce trei tip de transfer de căldură. Aceasta este conductivitatea termică, convecția și radiația. Să începem cu prima, probabil.

mijloace transferul de căldură. Conductivitate termică.

Acesta este modul în care proprietatea acestui sau acelui corp material este chemată să efectueze transferul de energie. În acest caz, este transferat de la partea mai încălzită la cea mai rece. În centrul acestui fenomen se află principiul mișcării haotice a moleculelor. Aceasta este așa-numita mișcare Browniană. Cu cât este mai mare temperatura corpului, cu atât moleculele mai active se deplasează în ea, deoarece au mai multă energie cinetică. În procesul de conductivitate termică participă electroni, molecule și atomi. Se desfășoară în corpuri, diferite părți ale cărora au o temperatură inegală.

Dacă substanța este capabilă să facă căldură, putem vorbi despre prezența unei caracteristici cantitative. În acest caz, rolul său este jucat de coeficientul de conductivitate termică. Această caracteristică arată cât de multă căldură va trece prin unitatea de lungime și suprafață pe unitatea de timp. În acest caz, temperatura corpului se va schimba cu exact 1 K.

Anterior, se credea că schimbul de căldură în diferite organe (inclusiv structuri de cadru de transmisie a căldurii), datorită faptului că de la o parte a corpului la alta așa-numitele fluxuri calorice. Cu toate acestea, semne ale existenței sale actuale, nimeni nu a găsit, iar în cazul în care teoria moleculară-cinetică a dezvoltat la un anumit nivel, totul despre caloric și a uitat să se gândească, pentru că ipoteza era de neconceput.

Convectie. Transferul de căldură al apei

Prin această metodă de schimb de energie termică se înțelege transferul prin intermediul fluxurilor interne. Să ne imaginăm un ceainic cu apă. După cum se știe, mai multe fluxuri de aer încălzit cresc în sus. Și frigul, mai greu, cădea jos. Deci, de ce ar trebui apa să fie diferită? E absolut la fel cu ea. Și în procesul unui astfel de ciclu, toate straturile de apă, oricât de multe dintre ele, se vor încălzi înainte de apariția stării de echilibru termic. În anumite condiții, desigur.

radiație

Această metodă constă în principiul radiației electromagnetice. Aceasta se datorează energiei interne. Intră cu tărie în teorie radiații termice noi nu facem decât să observăm că motivul aici este aranjamentul particulelor încărcate, al atomilor și al moleculelor.

Probleme simple de conducere a căldurii

Acum, hai să vorbim despre cum arată calculul transferului de căldură în practică. Să rezolvăm o sarcină simplă legată de cantitatea de căldură. Să presupunem că avem o masă de apă egală cu o jumătate de kilogram. Temperatura inițială a apei este de 0 grade Celsius, temperatura finală fiind de 100. Să găsim cantitatea de căldură utilizată pentru a încălzi această masă de materie.

Pentru aceasta avem nevoie de formula Q = cm (t₂-T₁), unde Q este cantitatea de căldură, c este specificul capacitatea de căldură a apei, m este masa substanței, t₁ - inițial, t₂ Este temperatura finală. Pentru apă, valoarea c este tabulară. Capacitatea specifică de căldură va fi de 4200 J / kg * C. Acum înlocuiți aceste valori în formula. Să presupunem că cantitatea de căldură va fi egală cu 210000 J, sau 210 kJ.

Prima lege a termodinamicii

Termodinamica și transferul de căldură sunt legate unul de celălalt prin anumite legi. Ele se bazează pe cunoașterea faptului că schimbările în energia internă din sistem pot fi realizate în două moduri. Primul este comisionul lucrării mecanice. Al doilea este mesajul unei anumite cantități de căldură. Apropo, acest principiu se bazează pe prima lege a termodinamicii. Iată formularea sa: dacă sistemul a fost informat despre o anumită cantitate de căldură, acesta va fi cheltuit pentru a lucra la corpuri externe sau pentru a-și crește energia internă. Notația matematică: dQ = dU + dA.

Pro sau contra?

Absolut toate valorile care fac parte din înregistrarea matematică a primei legi a termodinamicii poate fi scris ca cu „plus“ și cu semnul „minus“. Alegerea lor va fi dictată de condițiile procesului. Să presupunem că sistemul primește o anumită cantitate de căldură. În acest caz, corpurile din acesta sunt încălzite. Prin urmare, există o extindere a gazului, ceea ce înseamnă că se lucrează. Ca urmare, valorile vor fi pozitive. Dacă cantitatea de căldură este îndepărtată, gazul se răcește, locul de muncă este efectuat deasupra acestuia. Valorile vor avea valori opuse.

Formularea alternativă a primei legi a termodinamicii

Să presupunem că avem un motor care acționează periodic. În el, corpul de lucru (sau sistemul) efectuează un proces circular. Acesta este, de obicei, numit un ciclu. Ca urmare, sistemul va reveni la starea inițială. Ar fi logic să presupunem că în acest caz schimbarea energiei interne va fi zero. Se pare că cantitatea de căldură va fi egală cu munca perfectă. Aceste dispoziții fac posibilă formularea primei legi a termodinamicii într-un mod diferit.

Din aceasta putem înțelege că în natură nu poate exista o mașină de mișcare perpetuă de primul fel. Adică, un dispozitiv care face mai multă muncă în comparație cu energia primită din exterior. În acest caz, acțiunile trebuie să fie luate periodic.

Prima lege a termodinamicii pentru izoprocese

Să analizăm mai întâi procesul izocoric. Cu acesta, volumul rămâne constant. Deci, schimbarea volumului va fi zero. În consecință, munca va fi de asemenea zero. Părăsim acest termen din prima lege a termodinamicii, după care obținem formula dQ = dU. Prin urmare, în procesul isochoric, toată căldura furnizată sistemului crește pentru a crește energia internă a gazului sau amestecului.

Acum hai să vorbim despre procesul izobaric. Valoarea constantă în ea rămâne presiunea. În acest caz, energia internă se va schimba în paralel cu lucrarea. Iată formula originală: dQ = dU + pdV. Putem calcula cu ușurință munca făcută. Va fi egal cu expresia uR (T₂-T₁). Apropo, acesta este sensul fizic al constantei gazului universal. În prezența unui mol de gaz și a unei diferențe de temperatură de un Kelvin, constanta gazului universal va fi egală cu munca efectuată în procesul izobaric.