Σήμερα θα προσπαθήσουμε να βρούμε την απάντηση στην ερώτηση "Μεταφορά θερμότητας είναι;…". Στο άρθρο, θα εξετάσουμε ποια είναι η διαδικασία, ποιοι τύποι υπάρχουν στη φύση και επίσης θα μάθουμε ποια είναι η σχέση μεταξύ μεταφοράς θερμότητας και θερμοδυναμικής.
Ορισμός
Η μεταφορά θερμότητας είναι μια φυσική διαδικασία, η ουσία της οποίας είναι η μεταφορά θερμικής ενέργειας. Η ανταλλαγή πραγματοποιείται μεταξύ δύο σωμάτων ή του συστήματός τους. Σε αυτή την περίπτωση, απαραίτητη προϋπόθεση θα είναι η μεταφορά θερμότητας από πιο θερμαινόμενα σώματα σε λιγότερο θερμαινόμενα.
Δυνατότητες διαδικασίας
Η μεταφορά θερμότητας είναι ο ίδιος τύπος φαινομένου που μπορεί να συμβεί τόσο με άμεση επαφή όσο και με διαχωριστικά χωρίσματα. Στην πρώτη περίπτωση, όλα είναι ξεκάθαρα· στη δεύτερη, τα σώματα, τα υλικά και τα μέσα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως φραγμοί. Η μεταφορά θερμότητας θα συμβεί σε περιπτώσεις όπου ένα σύστημα που αποτελείται από δύο ή περισσότερα σώματα δεν βρίσκεται σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας. Δηλαδή, ένα από τα αντικείμενα έχει υψηλότερη ή χαμηλότερη θερμοκρασία σε σύγκριση με το άλλο. Εδώ γίνεται η μεταφορά θερμικής ενέργειας. Είναι λογικό να υποθέσουμε ότι θα τελειώσει πότεόταν το σύστημα έρχεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ή θερμικής ισορροπίας. Η διαδικασία συμβαίνει αυθόρμητα, όπως μπορεί να μας πει ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής.
Προβολές
Η μεταφορά θερμότητας είναι μια διαδικασία που μπορεί να χωριστεί σε τρεις τρόπους. Θα έχουν βασικό χαρακτήρα, αφού μέσα τους διακρίνονται πραγματικές υποκατηγορίες, έχοντας τα δικά τους χαρακτηριστικά γνωρίσματα μαζί με γενικά μοτίβα. Μέχρι σήμερα, είναι συνηθισμένο να διακρίνουμε τρεις τύπους μεταφοράς θερμότητας. Αυτά είναι η αγωγιμότητα, η μεταφορά και η ακτινοβολία. Ας ξεκινήσουμε με το πρώτο, ίσως.
Μέθοδοι μεταφοράς θερμότητας. Θερμική αγωγιμότητα
Αυτό είναι το όνομα της ιδιότητας ενός υλικού σώματος να πραγματοποιεί τη μεταφορά ενέργειας. Ταυτόχρονα, μεταφέρεται από το πιο ζεστό μέρος στο πιο κρύο. Αυτό το φαινόμενο βασίζεται στην αρχή της χαοτικής κίνησης των μορίων. Αυτή είναι η λεγόμενη κίνηση Brown. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σώματος, τόσο πιο ενεργά κινούνται τα μόρια σε αυτό, αφού έχουν περισσότερη κινητική ενέργεια. Τα ηλεκτρόνια, τα μόρια, τα άτομα συμμετέχουν στη διαδικασία της αγωγιμότητας της θερμότητας. Εκτελείται σε σώματα, διαφορετικά μέρη των οποίων έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες.
Αν μια ουσία είναι ικανή να μεταφέρει θερμότητα, μπορούμε να μιλήσουμε για την παρουσία ενός ποσοτικού χαρακτηριστικού. Σε αυτή την περίπτωση, ο ρόλος του διαδραματίζεται από τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας. Αυτό το χαρακτηριστικό δείχνει πόση θερμότητα θα περάσει από μοναδιαίους δείκτες μήκους και εμβαδού ανά μονάδα χρόνου. Σε αυτήν την περίπτωση, η θερμοκρασία του σώματος θα αλλάξει ακριβώς κατά 1 Κ.
Προηγουμένως πίστευαν ότι η ανταλλαγή θερμότητας σεδιάφορα σώματα (συμπεριλαμβανομένης της μεταφοράς θερμότητας των δομών που περικλείουν) οφείλεται στο γεγονός ότι οι λεγόμενες θερμίδες ρέουν από το ένα μέρος του σώματος στο άλλο. Ωστόσο, κανείς δεν βρήκε σημάδια της πραγματικής ύπαρξής του, και όταν η μοριακή-κινητική θεωρία αναπτύχθηκε σε ένα ορισμένο επίπεδο, όλοι ξέχασαν να σκεφτούν τις θερμίδες, αφού η υπόθεση αποδείχθηκε αβάσιμη.
Συναγωγή. Μεταφορά θερμότητας νερού
Αυτή η μέθοδος ανταλλαγής θερμικής ενέργειας νοείται ως μεταφορά μέσω εσωτερικών ροών. Ας φανταστούμε ένα μπρίκι με νερό. Όπως γνωρίζετε, τα θερμότερα ρεύματα αέρα ανεβαίνουν στην κορυφή. Και κρύα, πιο βαριά βυθίζονται. Γιατί λοιπόν το νερό να είναι διαφορετικό; Ακριβώς το ίδιο συμβαίνει και με αυτήν. Και στη διαδικασία ενός τέτοιου κύκλου, όλα τα στρώματα νερού, ανεξάρτητα από το πόσα είναι, θα θερμανθούν μέχρι να εμφανιστεί μια κατάσταση θερμικής ισορροπίας. Υπό ορισμένες προϋποθέσεις, φυσικά.
Ακτινοβολία
Αυτή η μέθοδος βασίζεται στην αρχή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Προέρχεται από εσωτερική ενέργεια. Δεν θα μπούμε πολύ στη θεωρία της θερμικής ακτινοβολίας, απλώς θα σημειώσουμε ότι ο λόγος εδώ έγκειται στη διάταξη των φορτισμένων σωματιδίων, ατόμων και μορίων.
Απλά προβλήματα αγωγιμότητας θερμότητας
Ας μιλήσουμε τώρα για το πώς φαίνεται στην πράξη ο υπολογισμός της μεταφοράς θερμότητας. Ας λύσουμε ένα απλό πρόβλημα που σχετίζεται με την ποσότητα της θερμότητας. Ας πούμε ότι έχουμε μάζα νερού ίση με μισό κιλό. Αρχική θερμοκρασία νερού - 0 βαθμοίΚελσίου, τελικό - 100. Ας βρούμε την ποσότητα θερμότητας που ξοδεύουμε για να θερμάνουμε αυτήν τη μάζα ύλης.
Για αυτό χρειαζόμαστε τον τύπο Q=cm(t2-t1), όπου Q είναι η ποσότητα θερμότητας, c είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού, m είναι η μάζα της ουσίας, t1 είναι η αρχική θερμοκρασία, t2 είναι η τελική θερμοκρασία. Για το νερό, η τιμή του c είναι πίνακας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα θα είναι ίση με 4200 J / kgC. Τώρα αντικαθιστούμε αυτές τις τιμές στον τύπο. Παίρνουμε ότι η ποσότητα της θερμότητας θα είναι ίση με 210000 J, ή 210 kJ.
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής
Η θερμοδυναμική και η μεταφορά θερμότητας συνδέονται μεταξύ τους με ορισμένους νόμους. Βασίζονται στη γνώση ότι οι αλλαγές στην εσωτερική ενέργεια μέσα σε ένα σύστημα μπορούν να επιτευχθούν με δύο τρόπους. Το πρώτο είναι η μηχανική εργασία. Το δεύτερο είναι η επικοινωνία μιας ορισμένης ποσότητας θερμότητας. Παρεμπιπτόντως, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής βασίζεται σε αυτήν την αρχή. Εδώ είναι η διατύπωσή του: εάν μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας μεταδόθηκε στο σύστημα, θα δαπανηθεί για την εκτέλεση εργασιών σε εξωτερικά σώματα ή για την αύξηση της εσωτερικής του ενέργειας. Μαθηματικός συμβολισμός: dQ=dU + dA.
Πλεονεκτήματα ή μειονεκτήματα;
Απολύτως όλες οι ποσότητες που περιλαμβάνονται στη μαθηματική σημειογραφία του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής μπορούν να γραφτούν τόσο με πρόσημο «συν» όσο και με πρόσημο «μείον». Επιπλέον, η επιλογή τους θα υπαγορευτεί από τις συνθήκες της διαδικασίας. Ας υποθέσουμε ότι το σύστημα λαμβάνει κάποια ποσότητα θερμότητας. Σε αυτή την περίπτωση, τα σώματα σε αυτό θερμαίνονται. Επομένως, υπάρχει μια διαστολή του αερίου, που σημαίνει ότιγίνονται εργασίες. Ως αποτέλεσμα, οι τιμές θα είναι θετικές. Εάν αφαιρεθεί η ποσότητα θερμότητας, το αέριο ψύχεται και γίνεται εργασία σε αυτό. Οι τιμές θα αντιστραφούν.
Εναλλακτική διατύπωση του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε κάποια διακοπτόμενη μηχανή. Σε αυτό, το σώμα εργασίας (ή το σύστημα) εκτελεί μια κυκλική διαδικασία. Συνήθως ονομάζεται κύκλος. Ως αποτέλεσμα, το σύστημα θα επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση. Θα ήταν λογικό να υποθέσουμε ότι σε αυτή την περίπτωση η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας θα είναι ίση με μηδέν. Αποδεικνύεται ότι η ποσότητα θερμότητας θα είναι ίση με την εργασία που έχει γίνει. Αυτές οι διατάξεις μας επιτρέπουν να διατυπώσουμε τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής με διαφορετικό τρόπο.
Από αυτό μπορούμε να καταλάβουμε ότι μια μηχανή αέναης κίνησης πρώτου είδους δεν μπορεί να υπάρξει στη φύση. Δηλαδή, μια συσκευή που όντως λειτουργεί σε μεγαλύτερη ποσότητα σε σύγκριση με την ενέργεια που λαμβάνεται από έξω. Σε αυτήν την περίπτωση, οι ενέργειες πρέπει να εκτελούνται περιοδικά.
Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής για ισοδιεργασίες
Ας ξεκινήσουμε με την ισοχορική διαδικασία. Διατηρεί την ένταση σταθερή. Αυτό σημαίνει ότι η αλλαγή στον όγκο θα είναι μηδέν. Επομένως, το έργο θα είναι επίσης ίσο με μηδέν. Ας απορρίψουμε αυτόν τον όρο από τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, μετά τον οποίο λαμβάνουμε τον τύπο dQ=dU. Αυτό σημαίνει ότι σε μια ισοχορική διαδικασία, όλη η θερμότητα που παρέχεται στο σύστημα πηγαίνει για να αυξήσει την εσωτερική ενέργεια του αερίου ή του μείγματος.
Τώρα ας μιλήσουμε για την ισοβαρική διαδικασία. Η πίεση παραμένει σταθερή. Σε αυτή την περίπτωση, η εσωτερική ενέργεια θα αλλάξει παράλληλα με το έργο. Εδώ είναι ο αρχικός τύπος: dQ=dU + pdV. Μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε τη δουλειά που έγινε. Θα είναι ίσο με την έκφραση uR(T2-T1). Παρεμπιπτόντως, αυτή είναι η φυσική έννοια της καθολικής σταθεράς αερίου. Παρουσία ενός mol αερίου και διαφορά θερμοκρασίας ενός Kelvin, η καθολική σταθερά αερίου θα είναι ίση με το έργο που γίνεται σε μια ισοβαρή διεργασία.
