Σήμερα θα προσπαθήσουμε να βρούμε την απάντηση στην ερώτηση«Η μεταφορά θερμότητας είναι; ..». Στο άρθρο, θα εξετάσουμε ποια είναι η διαδικασία, ποιοι τύποι της υπάρχουν στη φύση και επίσης θα ανακαλύψουμε ποια είναι η σχέση μεταξύ μεταφοράς θερμότητας και θερμοδυναμικής.
Η μεταφορά θερμότητας είναι μια φυσική διαδικασία, η ουσίαπου είναι η μεταφορά θερμικής ενέργειας. Η ανταλλαγή πραγματοποιείται μεταξύ δύο φορέων ή του συστήματός τους. Σε αυτήν την περίπτωση, προϋπόθεση θα είναι η μεταφορά θερμότητας από περισσότερα θερμαινόμενα σώματα σε λιγότερο θερμαινόμενα.
Η μεταφορά θερμότητας είναι το ίδιο είδος φαινομένουπου μπορεί να συμβεί τόσο με άμεση επαφή όσο και με την παρουσία διαχωριστικών κατατμήσεων. Στην πρώτη περίπτωση, όλα είναι ξεκάθαρα, στη δεύτερη, σώματα, υλικά και περιβάλλοντα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εμπόδια. 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 από το άλλο. Στη συνέχεια πραγματοποιείται η μεταφορά θερμικής ενέργειας. Είναι λογικό να υποθέσουμε ότι θα τελειώσει όταν το σύστημα φτάσει σε κατάσταση θερμοδυναμικής ή θερμικής ισορροπίας. Η διαδικασία συμβαίνει αυθόρμητα, καθώς μπορεί να μας πει ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής.
Η μεταφορά θερμότητας είναι μια διαδικασία που μπορείχωρίζεται σε τρεις τρόπους. Θα έχουν βασικό χαρακτήρα, αφού μέσα τους μπορούν να διακριθούν πραγματικές υποκατηγορίες, οι οποίες έχουν τα δικά τους χαρακτηριστικά χαρακτηριστικά μαζί με τα γενικά πρότυπα. Σήμερα, είναι συνηθισμένο να διακρίνουμε τρεις τύπους μεταφοράς θερμότητας. Αυτές είναι θερμική αγωγιμότητα, μεταφορά και ακτινοβολία. Ας ξεκινήσουμε με το πρώτο, ίσως.
Αυτό είναι το όνομα της ιδιοκτησίας αυτού ή αυτούτου υλικού σώματος για μεταφορά ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο, μεταφέρεται από το θερμότερο μέρος στο ψυχρότερο. Αυτό το φαινόμενο βασίζεται στην αρχή της χαοτικής κίνησης των μορίων. Αυτή είναι η λεγόμενη κίνηση του Μπράουν. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σώματος, τόσο πιο ενεργά κινούνται τα μόρια, καθώς έχουν περισσότερη κινητική ενέργεια. Τα ηλεκτρόνια, τα μόρια, τα άτομα εμπλέκονται στη διαδικασία της αγωγής θερμότητας. Διεξάγεται σε σώματα, διαφορετικά μέρη των οποίων έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες.
Εάν η ουσία μπορεί να προκαλέσει θερμότητα, μπορούμεμιλάμε για την παρουσία ενός ποσοτικού χαρακτηριστικού. Σε αυτήν την περίπτωση, ο ρόλος του παίζεται από τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας. Αυτό το χαρακτηριστικό δείχνει πόση θερμότητα θα περάσει από τους δείκτες μονάδας μήκους και περιοχής ανά μονάδα χρόνου. Σε αυτήν την περίπτωση, η θερμοκρασία του σώματος θα αλλάξει κατά ακριβώς 1 Κ.
Πιστεύονταν προηγουμένως ότι η ανταλλαγή θερμότητας σε διάφορασώματα (συμπεριλαμβανομένης της μεταφοράς θερμότητας των εγκλεισμένων δομών) σχετίζεται με το γεγονός ότι οι λεγόμενες θερμίδες ρέουν από το ένα μέρος του σώματος στο άλλο. Ωστόσο, κανείς δεν βρήκε σημάδια για την πραγματική ύπαρξή της, και όταν η μοριακή-κινητική θεωρία εξελίχθηκε σε ένα ορισμένο επίπεδο, όλοι ξέχασαν να σκεφτούν θερμίδες, καθώς η υπόθεση αποδείχθηκε αβάσιμη.
Σύμφωνα με αυτήν τη μέθοδο ανταλλαγής θερμικής ενέργειαςκατανοείται η μετάδοση μέσω εσωτερικών ροών. Ας φανταστούμε ένα βραστήρα νερού. Όπως γνωρίζετε, περισσότερες θερμαινόμενες ροές αέρα ανεβαίνουν προς τα πάνω. Και οι ψυχρότερες, οι βαρύτερες, κατεβαίνουν. Γιατί λοιπόν τα πράγματα πρέπει να είναι διαφορετικά με το νερό; Όλα είναι ακριβώς τα ίδια μαζί της. Και στη διαδικασία ενός τέτοιου κύκλου, όλα τα στρώματα νερού, ανεξάρτητα από το πόσα από αυτά, θα θερμανθούν μέχρι να εμφανιστεί μια κατάσταση θερμικής ισορροπίας. Υπό ορισμένες προϋποθέσεις, φυσικά.
Αυτός ο τρόπος είναι βασικάηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Προκύπτει λόγω εσωτερικής ενέργειας. Δεν θα πάμε βαθιά στη θεωρία της θερμικής ακτινοβολίας, απλώς σημειώνουμε ότι ο λόγος εδώ έγκειται στη διάταξη φορτισμένων σωματιδίων, ατόμων και μορίων.
Τώρα ας μιλήσουμε για το πώς φαίνεται στην πράξηυπολογισμός της μεταφοράς θερμότητας. Ας λύσουμε ένα απλό πρόβλημα που σχετίζεται με την ποσότητα θερμότητας. Ας πούμε ότι έχουμε μια μάζα νερού ίση με μισό κιλό. Η αρχική θερμοκρασία του νερού είναι 0 βαθμοί Κελσίου, η τελική θερμοκρασία είναι 100. Ας βρούμε την ποσότητα θερμότητας που ξοδέψαμε για τη θέρμανση αυτής της μάζας ύλης.
Για αυτό χρειαζόμαστε τον τύπο Q = cm (t2- τ1), όπου Q είναι η ποσότητα θερμότητας, c είναι η ειδική θερμότητα του νερού, m είναι η μάζα μιας ουσίας, t1 - αρχικό, t2 - τελική θερμοκρασία.Για το νερό, η τιμή του c είναι πίνακας. Η ειδική θερμική ικανότητα θα είναι ίση με 4200 J / kg * C. Τώρα αντικαθιστούμε αυτές τις τιμές στον τύπο. Παίρνουμε ότι η ποσότητα θερμότητας θα είναι ίση με 210.000 J, ή 210 kJ.
Η θερμοδυναμική και η μεταφορά θερμότητας σχετίζονταιμερικοί νόμοι. Βασίζονται στη γνώση ότι οι αλλαγές στην εσωτερική ενέργεια μέσα στο σύστημα μπορούν να επιτευχθούν με δύο τρόπους. Το πρώτο είναι η μηχανική εργασία. Το δεύτερο είναι η επικοινωνία ορισμένης ποσότητας θερμότητας. Παρεμπιπτόντως, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής βασίζεται σε αυτήν την αρχή. Εδώ είναι η διατύπωση του: εάν μια συγκεκριμένη ποσότητα θερμότητας κοινοποιήθηκε στο σύστημα, θα δαπανηθεί για εργασία σε εξωτερικούς φορείς ή για την αύξηση της εσωτερικής του ενέργειας. Μαθηματική σημειογραφία: dQ = dU + dA.
Απολύτως όλες οι ποσότητες που περιλαμβάνονται στομαθηματικό αρχείο του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής, μπορεί να γραφτεί τόσο με το σύμβολο συν όσο και με το σύμβολο μείον. Επιπλέον, η επιλογή τους θα υπαγορεύεται από τους όρους της διαδικασίας. Ας πούμε ότι το σύστημα δέχεται λίγη θερμότητα. Σε αυτήν την περίπτωση, τα σώματα σε αυτό θερμαίνονται. Κατά συνέπεια, το αέριο διαστέλλεται, πράγμα που σημαίνει ότι η εργασία έχει γίνει. Ως αποτέλεσμα, οι τιμές θα είναι θετικές. Εάν αφαιρεθεί η ποσότητα θερμότητας, το αέριο ψύχεται, γίνεται εργασία σε αυτό. Οι τιμές θα αντιστραφούν.
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα συγκεκριμένο περιοδικόλειτουργούσα μηχανή. Σε αυτό, το υγρό 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 αυτήν την περίπτωση, η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια θα είναι ίση με το μηδέν. Αποδεικνύεται ότι η ποσότητα θερμότητας θα γίνει ίση με την τέλεια εργασία. Αυτές οι διατάξεις καθιστούν δυνατή τη διατύπωση του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής με διαφορετικό τρόπο.
Από αυτό μπορούμε να καταλάβουμε ότι στη φύση δεν μπορείυπάρχει μια αέναη μηχανή κίνησης του πρώτου είδους. Δηλαδή, μια συσκευή που εκτελεί εργασία σε μεγαλύτερη ποσότητα σε σύγκριση με την ενέργεια που λαμβάνεται από το εξωτερικό. Σε αυτήν την περίπτωση, οι ενέργειες πρέπει να εκτελούνται περιοδικά.
Ας ξεκινήσουμε με την ισοσορική διαδικασία.Με αυτό, η ένταση παραμένει σταθερή. Αυτό σημαίνει ότι η μεταβολή του όγκου θα είναι μηδενική. Επομένως, η εργασία θα είναι επίσης μηδενική. Ας απορρίψουμε αυτόν τον όρο από τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, μετά τον οποίο παίρνουμε τον τύπο dQ = dU. Αυτό σημαίνει ότι στην ισοσορική διαδικασία, όλη η θερμότητα που παρέχεται στο σύστημα δαπανάται για την αύξηση της εσωτερικής ενέργειας του αερίου ή του μείγματος.
Τώρα ας μιλήσουμε για την ισοβαρική διαδικασία.Η πίεση παραμένει σταθερή σε αυτό. Σε αυτήν την περίπτωση, η εσωτερική ενέργεια θα αλλάξει παράλληλα με την απόδοση της εργασίας. Εδώ είναι ο αρχικός τύπος: dQ = dU + pdV. Μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε την εργασία που γίνεται. Θα είναι ίσο με την έκφραση uR (T2-Τ1).Παρεμπιπτόντως, αυτή είναι η φυσική έννοια της καθολικής σταθεράς αερίου. Παρουσία ενός γραμμομορίου αερίου και διαφοράς θερμοκρασίας ενός Kelvin, η καθολική σταθερά αερίου θα είναι ίση με την εργασία που πραγματοποιείται στην ισοβαρική διαδικασία.
