Termodynamik och värmeöverföring. Metoder för värmeöverföring och beräkning. Värmeöverföring är ...

Idag ska vi försöka hitta svaret på frågan "Värmeöverföring är ...?". I artikeln kommer vi att överväga vad processen är, vilka slags det finns i naturen, och också lära oss vad förhållandet mellan värmeöverföring och termodynamik är.

definition

Värmeöverföring är en fysisk process, vars huvudsakliga betydelse är överföringen av värmeenergi. Utbyte sker mellan två organ eller deras system. Samtidigt är överföringen av värme från varmare kroppar till mindre uppvärmda kroppar en förutsättning.

Processegenskaper

Värmeöverföring är den typ av fenomen som kan uppstå både i direktkontakt och i närvaro av uppdelade skiljeväggar. I det första fallet är allt klart, i det andra fallet kan kroppar, material och media användas som hinder. Värmeöverföring sker i fall där ett system som består av två eller flera kroppar inte befinner sig i ett tillstånd av termisk jämvikt. Det vill säga en av föremålen har en högre eller lägre temperatur än den andra. Då sker överföringen av värmeenergi. Det är logiskt att anta att det kommer att sluta när systemet kommer till ett tillstånd av termodynamisk eller termisk jämvikt. Processen är spontan, eftersom vi kan berätta om termodynamikens andra lag.

typer

Värmeöverföring är en process som kan delas in på tre sätt. De kommer att vara av grundläggande karaktär, eftersom inom dem kan man skilja riktiga underkategorier, som har sina egna karakteristiska särdrag på nivå med allmänna lagar. Hittills är det vanligt att skilja mellan tre typer av värmeöverföring. Detta är värmeledningsförmåga, konvektion och strålning. Låt oss börja med den första, kanske.

Vägar för värmeöverföring. Värmeledningsförmåga.

Så här är egenskapen hos den här eller den materiella kroppen kallad för att utföra överföring av energi. I detta fall överförs den från den mer uppvärmda delen till den som är kallare. Kärnan i detta fenomen ligger principen om kaotisk rörelse av molekyler. Det här är den så kallade bruniska rörelsen. Ju högre kroppstemperatur, desto mer aktiv rör molekylerna i den, eftersom de har mer kinetisk energi. Under processen med värmeledningsförmåga deltar elektroner, molekyler och atomer. Det utförs i kroppar, vars olika delar har en ojämn temperatur.

Om ämnet kan leda värme kan vi prata om förekomsten av en kvantitativ egenskap. I detta fall spelas dess roll av värmeledningsförmågaens koefficient. Denna egenskap visar hur mycket värme som kommer att passera genom längdenheten och området per tidsenhet. I detta fall kommer kroppstemperaturen att förändras med exakt 1 K.

Tidigare troddes det att värmeväxling i olika kroppar (inklusive värmeöverföringen av de inneslutande strukturerna) beror på det faktum att en del av kroppen till en annan flyter så kallad värme. Men ingen hittade någonsin några tecken på hans verkliga existens, och när molekylkinetisk teori utvecklades till en viss nivå glömde alla att tänka på värmen, eftersom hypotesen visade sig vara ohållbar.

Konvektion. Värmeöverföring av vatten

Med denna metod för värmeväxling förstås överföring av inre flöden. Låt oss föreställa oss en vattenkokare. Som det är känt stiger mer uppvärmda luftflöden uppåt. Och den kalla, tyngre faller ner. Så varför skulle vattnet vara annorlunda? Det är absolut detsamma med henne. Och nu under processen av en sådan cykel kommer alla vattenlagor, oavsett hur många, att värma upp före tillståndet av termisk jämvikt. Under vissa förhållanden, förstås.

strålning

Denna metod består i principen om elektromagnetisk strålning. Det beror på intern energi. Vi kommer inte att gå in i teorin om termisk strålning , vi noterar bara att anledningen till här är arrangemanget av laddade partiklar, atomer och molekyler.

Enkla problem med värmeledning

Låt oss nu prata om hur värmeöverföringsberäkning ser ut i praktiken. Låt oss lösa en enkel uppgift relaterad till mängden värme. Låt oss säga att vi har en massa vatten som är lika med en halv kilo. Den ursprungliga vattentemperaturen är 0 grader Celsius, den slutliga temperaturen är 100. Låt oss hitta den mängd värme vi spenderade för att värma denna massa av materia.

För detta behöver vi formeln Q = cm (t ₂ -t ₁ ), där Q är mängden värme, c är den specifika värmen av vatten, m är substansens massa, t ₁ är initialen, t ₂ är sluttemperaturen. För vatten är c-värdet tabulärt. Den specifika värmekapaciteten kommer att vara 4200 J / kg * C. Nu ersätt dessa värden i formeln. Låt oss få det att mängden värme kommer att vara lika med 210000 J eller 210 kJ.

Den första lagen om termodynamik

Termodynamik och värmeöverföring är relaterade till varandra enligt vissa lagar. De är baserade på kunskapen om att förändringar i intern energi inom systemet kan uppnås med två metoder. Den första - uppfyllandet av mekaniskt arbete. Den andra är meddelandet om en viss mängd värme. Förresten är denna princip baserad på termodynamikens första lag. Här är hans ordalydelse: om systemet har blivit informerat om en viss mängd värme, kommer det att spenderas på att arbeta på externa kroppar eller på att öka sin inre energi. Matematisk notering: dQ = dU + dA.

Fördelar eller nackdelar?

Absolut alla kvantiteter som går in i den matematiska notationen av termodynamikens första lag kan skrivas med både ett plustecken och ett minustecken. Och deras val kommer att dikteras av villkoren för processen. Antag att systemet får en viss mängd värme. I detta fall upphettas kropparna i det. Följaktligen sker gasutbyggnad, vilket innebär att arbetet utförs. Som ett resultat kommer värdena att vara positiva. Om mängden värme tas bort svalnar gasen, arbetet utförs ovanför det. Värden kommer att ta motsatta värden.

Alternativ formulering av termodynamikens första lag

Antag att vi har en periodiskt fungerande motor. I den utför arbetsorganet (eller systemet) en cirkulär process. Det brukar kallas en cykel. Som ett resultat kommer systemet att återgå till sitt ursprungliga tillstånd. Det vore logiskt att anta att i detta fall kommer förändringen i intern energi att vara noll. Det visar sig att mängden värme kommer att motsvara det perfekta arbetet. Dessa bestämmelser gör det möjligt att formulera termodynamikens första lag på ett annat sätt.

Från det kan vi förstå att det i naturen inte finns någon evigvarvsmaskin av den första typen. Det vill säga en enhet som fungerar mer i jämförelse med den energi som mottas från utsidan. I det här fallet måste åtgärder utföras regelbundet.

Den första lagen om termodynamik för isoprocesser

Låt oss först överväga den isokoriska processen. Med den är volymen konstant. Så kommer volymförändringen att vara noll. Följaktligen kommer arbetet också att vara noll. Vi släpper denna term från termodynamikens första lag, varefter vi får formeln dQ = dU. I en isokorisk process går således all den värme som tillförs systemet för att öka gasens eller blandningens inre energi.

Låt oss nu prata om isobariska processen. Det konstanta värdet i det förblir trycket. I detta fall kommer den interna energin att förändras parallellt med arbetet. Här är den ursprungliga formeln: dQ = dU + pdV. Vi kan enkelt beräkna det arbete som utförts. Det kommer att vara lika med uttrycket uR (T2-T1). Förresten, det här är den fysiska betydelsen av universalgaskonstanten. I närvaro av en mol gas och en temperaturskillnad på en Kelvin kommer universellgaskonstanten att vara lika med det arbete som utförs i isobariska processen.