Tänään yritämme löytää vastauksen kysymykseen "Lämmönsiirto on?…". Artikkelissa pohditaan, mikä prosessi on, minkä tyyppisiä sitä esiintyy luonnossa, ja selvitetään myös, mikä on lämmönsiirron ja termodynamiikan välinen suhde.
Määritelmä
Lämmönsiirto on fysikaalinen prosessi, jonka ydin on lämpöenergian siirtyminen. Vaihto tapahtuu kahden kehon tai niiden järjestelmän välillä. Tässä tapauksessa edellytyksenä on lämmön siirtyminen kuumemmista kappaleista vähemmän kuumennettuihin kappaleisiin.
Prosessiominaisuudet
Lämmönsiirto on samantyyppinen ilmiö, joka voi tapahtua sekä suorassa kosketuksessa että erotettaessa väliseiniä. Ensimmäisessä tapauksessa kaikki on selvää, toisessa kappaleita, materiaaleja ja mediaa voidaan käyttää esteinä. Lämmönsiirto tapahtuu tapauksissa, joissa kahdesta tai useammasta kappaleesta koostuva järjestelmä ei ole lämpötasapainotilassa. Toisin sanoen yhdellä esineistä on korkeampi tai alhaisempi lämpötila verrattuna toiseen. Tässä tapahtuu lämpöenergian siirto. On loogista olettaa, että se päättyy milloinkun järjestelmä tulee termodynaamisen tai termisen tasapainon tilaan. Prosessi tapahtuu spontaanisti, kuten termodynamiikan toinen pääsääntö voi kertoa meille.
Näkymät
Lämmönsiirto on prosessi, joka voidaan jakaa kolmeen tapaan. Niillä on perusluonne, koska niissä voidaan erottaa todellisia alaluokkia, joilla on omat ominaispiirteensä yleisten mallien ohella. Tähän mennessä on tapana erottaa kolme lämmönsiirtotyyppiä. Näitä ovat johtuminen, konvektio ja säteily. Aloitetaan ehkä ensimmäisestä.
Lämmönsiirtomenetelmät. Lämmönjohtavuus
Tämä on materiaalikappaleen ominaisuuden nimi suorittaa energian siirto. Samalla se siirtyy kuumemmasta osasta kylmempään. Tämä ilmiö perustuu molekyylien kaoottisen liikkeen periaatteeseen. Tämä on niin kutsuttu Brownin liike. Mitä korkeampi kehon lämpötila on, sitä aktiivisemmin molekyylit liikkuvat siinä, koska niillä on enemmän kineettistä energiaa. Elektronit, molekyylit, atomit osallistuvat lämmönjohtamisprosessiin. Se suoritetaan kappaleissa, joiden eri osissa on erilaiset lämpötilat.
Jos aine pystyy johtamaan lämpöä, voimme puhua kvantitatiivisen ominaisuuden olemassaolosta. Tässä tapauksessa sen roolia on lämmönjohtavuuskerroin. Tämä ominaisuus osoittaa, kuinka paljon lämpöä kulkee pituus- ja pinta-alan yksikköindikaattoreiden läpi aikayksikköä kohti. Tässä tapauksessa kehon lämpötila muuttuu täsmälleen 1 K.
Aiemmin uskottiin, että lämmön vaihtuu sisääneri kappaleet (mukaan lukien ympäröivien rakenteiden lämmönsiirto) johtuu siitä, että ns. kalori virtaa kehon osasta toiseen. Kukaan ei kuitenkaan löytänyt merkkejä sen todellisesta olemassaolosta, ja kun molekyylikineettinen teoria kehittyi tietylle tasolle, kaikki unohtivat ajatella kaloreita, koska hypoteesi osoittautui kestämättömäksi.
Konvektio. Veden lämmönsiirto
Tämä lämpöenergian vaihtomenetelmä ymmärretään siirroksi sisäisten virtausten avulla. Kuvittelemme vedenkeitintä. Kuten tiedät, kuumat ilmavirrat nousevat huipulle. Ja kylmät, raskaammat vajoavat alas. Joten miksi veden pitäisi olla erilaista? Se on täsmälleen sama hänen kanssaan. Ja tällaisen syklin prosessissa kaikki vesikerrokset, riippumatta siitä kuinka monta niitä on, lämpenevät, kunnes termisen tasapainon tila tapahtuu. Tietyissä olosuhteissa tietysti.
Säteily
Tämä menetelmä perustuu sähkömagneettisen säteilyn periaatteeseen. Se tulee sisäisestä energiasta. Emme mene paljon lämpösäteilyn teoriaan, vaan panemme merkille, että syy tähän on varautuneiden hiukkasten, atomien ja molekyylien järjestelyssä.
Yksinkertaiset lämmönjohtavuusongelmat
Nyt puhutaan siitä, miltä lämmönsiirron laskenta näyttää käytännössä. Ratkaistaan yksinkertainen lämmön määrään liittyvä ongelma. Oletetaan, että meillä on puoli kiloa vettä. Veden alkulämpötila - 0 astettaCelsius, lopullinen - 100. Selvitetään kuinka paljon lämpöä kulutamme tämän ainemassan lämmittämiseen.
Tätä varten tarvitaan kaava Q=cm(t2-t1), missä Q on lämmön määrä, c on veden ominaislämpökapasiteetti, m on aineen massa, t1 on alkulämpötila, t2 on loppulämpötila. Vedelle c:n arvo on taulukkomuotoinen. Ominaislämpökapasiteetti on 4200 J / kgC. Nyt korvaamme nämä arvot kaavaan. Saamme, että lämmön määrä on 210000 J eli 210 kJ.
Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö
Termodynamiikka ja lämmönsiirto liittyvät toisiinsa joidenkin lakien avulla. Ne perustuvat tietoon, että järjestelmän sisäisen energian muutokset voidaan saavuttaa kahdella tavalla. Ensimmäinen on mekaaninen työ. Toinen on tietyn määrän lämpöä välittäminen. Muuten, termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö perustuu tähän periaatteeseen. Tässä on sen muotoilu: jos tietty määrä lämpöä välitettiin järjestelmään, se kuluu ulkoisten kappaleiden työhön tai sisäisen energian lisäämiseen. Matemaattinen merkintä: dQ=dU + dA.
Puotta vai miinusta?
Ehdottomasti kaikki suureet, jotka sisältyvät termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön matemaattiseen merkintään, voidaan kirjoittaa sekä plus- että miinusmerkillä. Lisäksi heidän valintansa määräytyvät prosessin ehtojen mukaan. Oletetaan, että järjestelmä vastaanottaa jonkin verran lämpöä. Tässä tapauksessa siinä olevat ruumiit kuumenevat. Siksi kaasu laajenee, mikä tarkoittaa sitätyötä tehdään. Tämän seurauksena arvot ovat positiivisia. Jos lämpöä otetaan pois, kaasu jäähtyy ja sen eteen tehdään töitä. Arvot käännetään.
Vaihtoehtoinen termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön muotoilu
Oletetaan, että meillä on jokin ajoittainen moottori. Siinä työkappale (tai järjestelmä) suorittaa pyöreän prosessin. Sitä kutsutaan yleisesti sykliksi. Tämän seurauksena järjestelmä palaa alkuperäiseen tilaan. Olisi loogista olettaa, että tässä tapauksessa sisäisen energian muutos on nolla. Osoittautuu, että lämmön määrä on yhtä suuri kuin tehty työ. Nämä säännökset antavat meille mahdollisuuden muotoilla termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön eri tavalla.
Siitä voimme ymmärtää, että ensimmäisen tyyppistä ikuista liikkuvaa konetta ei voi olla luonnossa. Eli laite, joka toimii enemmän kuin ulkopuolelta saatava energia. Tässä tapauksessa toimenpiteitä on suoritettava säännöllisesti.
Isoprosessien termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö
Aloitetaan isokorisesta prosessista. Se pitää äänenvoimakkuuden vakiona. Tämä tarkoittaa, että äänenvoimakkuuden muutos on nolla. Siksi työ on myös nolla. Hylätään tämä termi termodynamiikan ensimmäisestä pääsäännöstä, jonka jälkeen saadaan kaava dQ=dU. Tämä tarkoittaa, että isokorisessa prosessissa kaikki järjestelmään syötetty lämpö menee lisäämään kaasun tai seoksen sisäistä energiaa.
Puhutaan nyt isobarisesta prosessista. Paine pysyy vakiona. Tässä tapauksessa sisäinen energia muuttuu samanaikaisesti työn kanssa. Tässä on alkuperäinen kaava: dQ=dU + pdV. Voimme helposti laskea tehdyt työt. Se on yhtä suuri kuin lauseke uR(T2-T1). Muuten, tämä on yleisen kaasuvakion fyysinen merkitys. Kun läsnä on yksi mooli kaasua ja yhden kelvinin lämpötilaero, yleinen kaasuvakio on yhtä suuri kuin isobarisessa prosessissa tehty työ.
