Termodinamika in prenos toplote. Metode prenosa in izračun toplote. Prenos toplote je ...

Danes bomo poskušali najti odgovor na vprašanje "Prenos toplote je ...?". V članku bomo preučili, kakšen je proces, kakšne vrste je v naravi, in tudi izvedeti, kakšen je odnos med prenosom toplote in termodinamiko.

Opredelitev

Prenos toplote je fizični proces, katerega bistvo je v prenosu toplotna energija. Izmenjava poteka med dvema telesoma ali njihovim sistemom. Obvezno stanje bo prenos toplote iz bolj ogrevanih teles na manj ogrevane.

Procesne funkcije

Prenos toplote je vrsta pojava, ki se lahko pojavi v neposrednem stiku in v prisotnosti ločilnih predelnih sten. V prvem primeru je vse jasno, v drugem primeru pa se lahko kot ovira uporabijo telesa, materiali in mediji. Prenos toplote se zgodi v primerih, ko sistem, sestavljen iz dveh ali več teles, ni v stanju toplotnega ravnovesja. To pomeni, da ima eden od predmetov višjo ali nižjo temperaturo kot druga. Potem pride prenos toplotne energije. Logično je domnevati, da se bo končalo, ko sistem pride v stanje termodinamike ali toplotnega ravnovesja. Proces je spontan, kot lahko povemo drugi zakon termodinamike.

Vrste

Prenos toplote je proces, ki ga lahko razdelimo na tri načine. Biti bodo osnovne narave, saj znotraj njih je mogoče identificirati prave podkategorije, ki imajo lastne značilnosti v primerjavi s splošnimi vzorci. Do danes je običajno dodeliti tri vrsta prenosa toplote. To je toplotna prevodnost, konvekcija in sevanja. Začnimo s prvim, morda.

Načini prenos toplote. Toplotna prevodnost.

Tako se zahteva premoženje tega ali drugega materialnega telesa za prenos energije. V tem primeru se prenese iz bolj segretega dela na hladnejši. V središču tega pojava je načelo kaotične gibanja molekul. To je tako imenovano browsko gibanje. Višja je temperatura telesa, bolj aktivni pa se gibljejo v njej, ker imajo več kinetične energije. V procesu toplotne prevodnosti sodelujejo elektrone, molekule in atomi. Izvaja se v telesih, katerih različni deli imajo neenako temperaturo.

Če je snov sposobna izvesti toploto, lahko govorimo o prisotnosti kvantitativne lastnosti. V tem primeru ima njeno vlogo koeficient toplotne prevodnosti. Ta karakteristika prikazuje, koliko toplote prehaja skozi enoto dolžine in površine na enoto časa. V tem primeru se bo temperatura telesa spremenila za točno 1 K.

Prej je veljalo prepričanje, da je za izmenjavo toplote v različnih organih (vključno s toplotno prenosnega okvirja konstrukcij) zaradi dejstva, da iz enega dela telesa na drugega tako imenovane kalorij tokov. Vendar znaki njegovega dejanskega obstoja, nihče ni našel, in ko je molekularno-kinetična teorija razvita na določeni ravni, vse o kalorij in pozabil, da razmišljajo, ker je bila hipoteza ne vzdrži.

Konvekcija. Toplotni prenos vode

S to metodo izmenjave toplotne energije pomeni prenos s pomočjo notranjih tokov. Predstavljajte si kotel z vodo. Kot je znano, se segrevajo zračni tokovi navzgor. In mraz, težji, padejo. Zakaj bi morala biti voda drugačna? Z njo je popolnoma enako. In v procesu takega cikla se bodo vse plasti vode, ne glede na to, koliko od njih, ogrevale pred začetkom stanja toplotnega ravnovesja. Seveda v določenih pogojih.

Sevanje

Ta metoda je sestavljena iz načela elektromagnetnega sevanja. To je posledica notranje energije. Močno pojdite v teorijo toplotno sevanje ne vemo, da je tukaj razlog razporeditev nabitih delcev, atomov in molekul.

Preprosti problemi toplotne prevodnosti

Zdaj se pogovorimo o tem, kako v praksi izgleda izračun toplotnega transferja. Rešimo preprosto nalogo, povezano s količino toplote. Predpostavimo, da imamo maso vode, ki je enaka pol kilogramu. Začetna temperatura vode je 0 stopinj Celzija, končna temperatura je 100. Najdemo količino toplote, ki smo jo porabili za segrevanje te mase snovi.

Za to potrebujemo formulo Q = cm (t₂-t₁), kjer je Q količina toplote, c je specifična toplotna zmogljivost vode, m je masa snovi, t₁ - začetno, t₂ Je končna temperatura. Za vodo je vrednost c tabelasta. Specifična toplotna kapaciteta bo 4200 J / kg * C. Te vrednosti nadomestimo v formuli. Ugotovimo, da bo količina toplote enaka 210000 J ali 210 kJ.

Prvi zakon termodinamike

Termodinamika in prenos toplote sta med seboj povezani z določenimi zakoni. Temelji na znanju, da se lahko spremembe v notranji energiji znotraj sistema dosežejo na dva načina. Prvi je provizija mehaničnega dela. Druga je sporočilo o določeni količini toplote. Mimogrede, to načelo temelji na prvem zakonu termodinamike. Tukaj je njegova formulacija: če je sistem obveščen o določeni količini toplote, se bo porabil za delo na zunanjih telesih ali za povečanje njegove notranje energije. Matematična notacija: dQ = dU + dA.

Pros ali slabosti?

Absolutno vse količine, ki vstopajo v matematično notacijo prvega zakona termodinamike, lahko zapišemo s znakom plus ali z znakom minus. In njihova izbira bodo narekovali pogoji procesa. Recimo, da sistem prejme določeno količino toplote. V tem primeru se telesa v njem segrejejo. Posledično gre za širitev plina, kar pomeni, da je delo opravljeno. Posledično bodo vrednosti pozitivne. Če se količina toplote odvzame, se plin ohladi, delo nad njim. Vrednosti bodo imele nasprotne vrednosti.

Alternativna formulacija prvega zakona termodinamike

Recimo, da imamo periodično delujoči motor. V njej delovno telo (ali sistem) izvaja krožni proces. Običajno se imenuje cikel. Posledično se bo sistem vrnil v prvotno stanje. Logično bi bilo domnevati, da bo v tem primeru sprememba notranje energije enaka nič. Izkazalo se je, da bo količina toplote enako popolnemu delu. Te določbe omogočajo drugačen način oblikovanja prvega zakona termodinamike.

Iz nje lahko razberemo, da v naravi ne more obstajati večni stroj za prvo vožnjo. To pomeni, da naprava, ki dela več dela v primerjavi z zunanjo energijo. V tem primeru je treba ukrepe izvajati občasno.

Prvi zakon termodinamike za izprocese

Najprej preuči izohorični proces. Z njim ostane glasnost konstantna. Torej, sprememba obsega bo nič. Zato bo delo tudi nič. Ta izraz spustimo iz prvega zakona termodinamike, po katerem dobimo formulo dQ = dU. Zato v izohoričnem procesu vsa toplota, ki se prenaša v sistem, poveča notranjo energijo plina ali mešanice.

Zdaj pa govorimo o isobaričnem procesu. Konstantna vrednost v njej ostaja pritisk. V tem primeru se bo notranja energija spreminjala vzporedno z delom. Tukaj je izvirna formula: dQ = dU + pdV. Z lahkoto lahko izračunamo opravljeno delo. To bo enako izrazu uR (T₂-T₁). Mimogrede, to je fizični pomen univerzalne plinske konstante. V prisotnosti ene mol plina in temperaturne razlike enega Kelvinja bo univerzalna plinska konstanta enaka delovanju v izobaričnem procesu.