Термодинамика и топлопренос. Методи за пренос и изчисление на топлината. Топлопреминаването е ...

Днес ще се опитаме да намерим отговора на въпроса "Трансферът на топлината е ...?". В статията ще разгледаме какъв е процесът, какви видове съществуват в природата, както и как се разбира връзката между топлопреминаването и термодинамиката.

дефиниция

Топлопреносът е физически процес, чиято същност се крие в предаването топлинна енергия. Обменът се осъществява между две тела или тяхната система. Задължителното условие е прехвърлянето на топлина от по-отопляеми тела към по-малко отоплявани.

Функции на процеса

Трансферът на топлина е вид феномен, който може да се появи както в пряк контакт, така и в присъствието на разделящи се прегради. В първия случай всичко е ясно, във втория случай тела, материали и медии могат да се използват като бариери. Топлинният трансфер ще настъпи в случаите, когато система, състояща се от две или повече тела, не е в състояние на термично равновесие. Това означава, че един от обектите има по-висока или по-ниска температура от другата. След това се извършва пренос на топлинна енергия. Логично е да се приеме, че ще свърши, когато системата достигне състояние на термодинамично или топлинно равновесие. Процесът е спонтанен, както можем да кажем вторият закон на термодинамиката.

видове

Топлопреносът е процес, който може да бъде разделен на три начина. Те ще бъдат от основно естество, тъй като в тях е възможно да се идентифицират реални подкатегории, които имат свои собствени характеристики на равна нога с общи модели. Към днешна дата е обичайно да се разпределят три вид пренос на топлина. Това е топлинна проводимост, конвекция и радиация. Да започнем с първия, може би.

средства топлопреминаване. Топлопроводимост.

Така се призова собствеността на това или онова материално тяло да изпълни трансфера на енергия. В този случай тя се прехвърля от по-нагрятата част на тази, която е по-студена. В основата на това явление е принципът на хаотичното движение на молекулите. Това е така нареченото брауново движение. Колкото по-висока е телесната температура, толкова по-активни се движат молекулите в нея, тъй като те имат повече кинетична енергия. В процеса на термична проводимост участват електрони, молекули и атоми. Тя се извършва в тела, различни части от които имат неравномерна температура.

Ако веществото е способно да провежда топлина, можем да говорим за наличието на количествена характеристика. В този случай неговата роля се изпълнява от коефициента на топлопроводимост. Тази характеристика показва колко топлина ще премине през единицата дължина и площ за единица време. В този случай температурата на тялото ще се промени с точно 1 К.

По-рано се вярваше, че обмяната на топлина в различни тела (включително топлопренасянето на обграждащите структури) се дължи на факта, че така наречената топлина тече от една част на тялото в друга. Никой обаче не открил признаци за истинското му съществуване и когато молекулярната кинетична теория се развиваше до определено ниво, всеки забрави да мисли за топлината, тъй като хипотезата се оказа несъстоятелна.

Конвекция. Топлопредаване на вода

Чрез този метод за обмен на топлинна енергия се разбира трансфер чрез вътрешни потоци. Нека си представим кана с вода. Както е известно, по-високият въздушен поток се покачва нагоре. И студът, по-тежък, пада. Защо водата да е различна? Същото е и с нея. И в процеса на такъв цикъл, всички слоеве на водата, независимо колко от тях, ще се затоплят преди началото на състоянието на топлинното равновесие. При определени условия, разбира се.

радиация

Този метод се състои в принципа на електромагнитното излъчване. Това се дължи на вътрешната енергия. Влез в теорията топлинно излъчване не, просто отбележете, че причината тук е разположението на заредени частици, атоми и молекули.

Прости проблеми при топлопроводимостта

Сега нека поговорим как изглежда изчислението на топлопреноса на практика. Нека решим проста задача, свързана с количеството топлина. Да приемем, че имаме маса вода, равна на половин килограм. Началната температура на водата е 0 градуса по Целзий, крайната температура е 100. Да открием количеството топлина, което прекарахме, за да нагрява тази маса от материя.

За това имаме нужда от формулата Q = cm (t₂-т₁), където Q е количеството топлина, с е специфичната топлинна мощност на водата, m е масата на веществото, т.е.₁ - първоначално, т.е.₂ Крайната температура е. За водата стойността на c е таблична. Специфичният топлинен капацитет ще бъде 4200 J / kg * C. Сега заменете тези стойности във формулата. Да приемем, че количеството топлина ще бъде равно на 210000 J, или 210 kJ.

Първият закон на термодинамиката

Термодинамиката и преносът на топлина са свързани помежду си чрез определени закони. Те се основават на знанието, че промените във вътрешната енергия в системата могат да бъдат постигнати по два начина. Първото е извършването на механична работа. Второто е посланието за определено количество топлина. Между другото, този принцип се основава на първия закон на термодинамиката. Ето неговата формулировка: ако системата е била информирана за определено количество топлина, тя ще бъде изразходвана за извършване на работа върху външни тела или за увеличаване на нейната вътрешна енергия. Математическа нотация: dQ = dU + dA.

Плюсове или минуси?

Абсолютно всички количества, които влизат в математическата нотация на първия закон на термодинамиката, могат да бъдат написани с знак плюс или знак минус. И изборът им ще бъде продиктуван от условията на процеса. Да предположим, че системата получава определено количество топлина. В този случай телата в него се нагряват. Следователно има разширяване на газа, което означава, че се работи. В резултат на това стойностите ще бъдат положителни. Ако количеството топлина се отнема, газът се охлажда, работата се извършва над него. Стойностите ще имат противоположни стойности.

Алтернативна формулировка на първия закон за термодинамиката

Да предположим, че имаме периодично действащ двигател. В него работният орган (или системата) изпълнява кръгов процес. Обикновено се нарича цикъл. В резултат системата ще се върне в първоначалното си състояние. Би било логично да се приеме, че в този случай промяната във вътрешната енергия ще бъде нула. Оказва се, че количеството топлина ще се равнява на перфектната работа. Тези разпоредби дават възможност да се формулира първият закон на термодинамиката по различен начин.

От него можем да разберем, че в природата не може да съществува вечна машина за движение от първия вид. Това е устройство, което прави повече работа в сравнение с енергията, получена отвън. В този случай трябва да се предприемат периодични действия.

Първият закон на термодинамиката за изопроцесите

Нека първо разгледаме изокоричния процес. С него обемът остава постоянен. Така че промяната на обема ще бъде нула. Следователно работата ще бъде нула. Прекъсваме този термин от първия закон на термодинамиката, след което получаваме формулата dQ = dU. Следователно, в изохорния процес, цялата топлина, подадена в системата, води до увеличаване на вътрешната енергия на газа или сместа.

Сега нека поговорим за исбарския процес. Константната стойност в нея остава натиск. В този случай вътрешната енергия ще се промени успоредно с работата. Тук е оригиналната формула: dQ = dU + pdV. Можем лесно да изчислим извършената работа. То ще бъде равно на израз uR (T₂-T₁). Между другото, това е физическото значение на универсалната газова константа. В присъствието на един мол газ и температурна разлика на един Келвин, универсалната газова константа ще бъде равна на работата, извършена в изобарния процес.