Astăzi vom încerca să găsim răspunsul la întrebarea „Transferul de căldură este?…”. În articol, vom lua în considerare care este procesul, ce tipuri de acesta există în natură și, de asemenea, vom afla care este relația dintre transferul de căldură și termodinamică.
Definiție
Transferul de căldură este un proces fizic, a cărui esență este transferul de energie termică. Schimbul are loc între două corpuri sau sistemul lor. În acest caz, o condiție prealabilă va fi transferul de căldură de la corpurile mai încălzite la cele mai puțin încălzite.
Funcții de proces
Transferul de căldură este același tip de fenomen care poate apărea atât cu contact direct, cât și cu pereții despărțitori. În primul caz, totul este clar; în al doilea, corpurile, materialele și mediile pot fi folosite ca bariere. Transferul de căldură va avea loc în cazurile în care un sistem format din două sau mai multe corpuri nu se află într-o stare de echilibru termic. Adică unul dintre obiecte are o temperatură mai mare sau mai mică în comparație cu celăl alt. Aici are loc transferul de energie termică. Este logic să presupunem că se va termina cândcând sistemul ajunge într-o stare de echilibru termodinamic sau termic. Procesul are loc spontan, după cum ne poate spune a doua lege a termodinamicii.
Vizualizări
Transferul de căldură este un proces care poate fi împărțit în trei moduri. Vor avea o natură de bază, deoarece în cadrul lor se pot distinge subcategorii reale, având propriile trăsături caracteristice alături de modele generale. Până în prezent, se obișnuiește să se distingă trei tipuri de transfer de căldură. Acestea sunt conducția, convecția și radiația. Să începem cu primul, probabil.
Metode de transfer de căldură. Conductivitate termică
Acesta este numele proprietății unui corp material de a efectua transferul de energie. În același timp, se transferă din partea mai fierbinte în cea mai rece. Acest fenomen se bazează pe principiul mișcării haotice a moleculelor. Aceasta este așa-numita mișcare browniană. Cu cât temperatura corpului este mai mare, cu atât moleculele se mișcă mai activ în el, deoarece au mai multă energie cinetică. Electronii, moleculele, atomii participă la procesul de conducere a căldurii. Se desfășoară în corpuri, ale căror părți diferite au temperaturi diferite.
Dacă o substanță este capabilă să conducă căldura, putem vorbi despre prezența unei caracteristici cantitative. În acest caz, rolul său este jucat de coeficientul de conductivitate termică. Această caracteristică arată câtă căldură va trece prin indicatori de unitate de lungime și suprafață pe unitatea de timp. În acest caz, temperatura corpului se va schimba exact cu 1 K.
Anterior se credea că schimbul de căldură îndiverse corpuri (inclusiv transferul de căldură al structurilor de închidere) se datorează faptului că așa-numitele fluxuri calorice dintr-o parte a corpului în alta. Cu toate acestea, nimeni nu a găsit semne ale existenței sale reale, iar când teoria molecular-cinetică s-a dezvoltat la un anumit nivel, toată lumea a uitat să se gândească la caloric, deoarece ipoteza s-a dovedit a fi insuportabilă.
Convecție. Transfer de căldură cu apă
Această metodă de schimb de energie termică este înțeleasă ca transfer prin intermediul fluxurilor interne. Să ne imaginăm un ibric cu apă. După cum știți, curenții de aer mai fierbinți se ridică în vârf. Iar cele reci, mai grele se scufundă. Deci, de ce ar trebui apa să fie diferită? Este exact la fel cu ea. Și în procesul unui astfel de ciclu, toate straturile de apă, indiferent câte ar fi, se vor încălzi până când apare o stare de echilibru termic. În anumite condiții, desigur.
Radiții
Această metodă se bazează pe principiul radiației electromagnetice. Vine din energia internă. Nu vom intra prea mult în teoria radiațiilor termice, vom observa pur și simplu că motivul aici constă în aranjarea particulelor, atomilor și moleculelor încărcate.
Probleme simple de conducere a căldurii
Acum să vorbim despre cum arată în practică calculul transferului de căldură. Să rezolvăm o problemă simplă legată de cantitatea de căldură. Să presupunem că avem o masă de apă egală cu o jumătate de kilogram. Temperatura inițială a apei - 0 gradeCelsius, final - 100. Să aflăm cantitatea de căldură cheltuită de noi 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 capacitatea termică specifică a apei, m este masa substanței, t1 este temperatura inițială, t2 este temperatura finală. Pentru apă, valoarea lui c este tabelară. Capacitatea termică specifică va fi egală cu 4200 J/kgC. Acum înlocuim aceste valori în formulă. Obținem că cantitatea de căldură va fi egală cu 210000 J sau 210 kJ.
Prima lege a termodinamicii
Termodinamica și transferul de căldură sunt interconectate prin unele legi. Ele se bazează pe cunoașterea faptului că schimbările în energia internă în cadrul unui sistem pot fi realizate în două moduri. Primul este lucrul mecanic. Al doilea este comunicarea unei anumite cantități de căldură. Apropo, prima lege a termodinamicii se bazează pe acest principiu. Iată formula sa: dacă o anumită cantitate de căldură a fost transmisă sistemului, aceasta va fi cheltuită pentru a lucra asupra corpurilor externe sau pentru a crește energia sa internă. Notație matematică: dQ=dU + dA.
Pro sau contra?
Absolut toate mărimile care sunt incluse în notația matematică a primei legi a termodinamicii pot fi scrise atât cu semnul „plus”, cât și cu semnul „minus”. Mai mult, alegerea lor va fi dictată de condițiile procesului. Să presupunem că sistemul primește o anumită cantitate de căldură. În acest caz, corpurile din el se încălzesc. Prin urmare, există o expansiune a gazului, ceea ce înseamnă căse lucrează. Ca urmare, valorile vor fi pozitive. Dacă se ia cantitatea de căldură, gazul se răcește și se lucrează la el. Valorile vor fi inversate.
Formularea alternativă a primei legi a termodinamicii
Să presupunem că avem un motor intermitent. În el, corpul de lucru (sau sistemul) efectuează un proces circular. Este de obicei numit ciclu. Ca urmare, sistemul va reveni la starea inițială. Ar fi logic să presupunem că în acest caz modificarea energiei interne va fi egală cu zero. Se pare că cantitatea de căldură va fi egală cu munca depusă. Aceste prevederi ne permit să formulăm prima lege a termodinamicii într-un mod diferit.
Din aceasta putem înțelege că o mașină cu mișcare perpetuă de primul fel nu poate exista în natură. Adică un dispozitiv care chiar funcționează într-o cantitate mai mare în comparație cu energia primită din exterior. În acest caz, acțiunile trebuie efectuate periodic.
Prima lege a termodinamicii pentru izoprocese
Să începem cu procesul izocor. Mentine volumul constant. Aceasta înseamnă că modificarea volumului va fi zero. Prin urmare, munca va fi, de asemenea, egală cu zero. Să renunțăm la acest termen din prima lege a termodinamicii, după care obținem formula dQ=dU. Aceasta înseamnă că, într-un proces izocor, toată căldura furnizată sistemului merge pentru a crește energia internă a gazului sau a amestecului.
Acum să vorbim despre procesul izobar. Presiunea rămâne constantă. În acest caz, energia internă se va schimba în paralel cu munca. Iată formula originală: dQ=dU + pdV. Putem calcula cu ușurință munca efectuată. Va fi egal cu expresia uR(T2-T1). Apropo, acesta este sensul fizic al constantei universale de gaz. În prezența unui mol de gaz și a unei diferențe de temperatură de un Kelvin, constanta universală a gazului va fi egală cu munca efectuată într-un proces izobar.
