Termodynamika a přenos tepla. Metody přenosu tepla a výpočtu. Přenos tepla je ...

Dnes se pokusíme najít odpověď na otázku "Přenos tepla je ...?". V článku budeme uvažovat, jaký je proces, jaké druhy v přírodě existují, a také zjistit, jaký je vztah mezi přenosem tepla a termodynamikou.

Definice

Přenos tepla je fyzický proces, jehož podstatou je přenos tepelná energie. K výměně dochází mezi dvěma těly nebo jejich systémem. Povinnou podmínkou bude přenos tepla z více vyhřívaných těles na méně ohřáté.

Funkce procesu

Přenos tepla je druh fenoménu, který se může vyskytnout jak v přímém kontaktu, tak v přítomnosti dělících oddílů. V prvním případě je vše jasné, ve druhém případě mohou být jako bariéry použity těla, materiály a média. Přenos tepla se vyskytne v případech, kdy systém sestávající ze dvou nebo více těles není ve stavu tepelné rovnováhy. To znamená, že jeden z objektů má vyšší nebo nižší teplotu než druhé. Poté dochází k přenosu tepelné energie. Je logické předpokládat, že skončí, když se systém dostane do stavu termodynamické nebo tepelné rovnováhy. Proces je spontánní, jak můžeme říct druhý termodynamický zákon.

Typy

Přenos tepla je proces, který lze rozdělit na tři způsoby. Budou mít základní charakter, protože v nich je možné identifikovat reálné podkategorie, které mají své vlastní charakteristiky na stejné úrovni jako obecné vzorce. K dnešnímu dni je obvyklé přidělit tři typ přenosu tepla. Jedná se o tepelnou vodivost, konvekci a záření. Začněme s první, možná.

Způsoby přenos tepla. Tepelná vodivost.

Takto je vlastnost tohoto nebo toho hmotného těla volána k přenosu energie. V tomto případě se přenáší z ohřívané části na chladnější část. Jádrem tohoto jevu spočívá princip chaotického pohybu molekul. Jedná se o takzvaný Brownův pohyb. Čím vyšší je tělesná teplota, tím aktivnější jsou molekuly, protože mají větší kinetickou energii. V procesu tepelné vodivosti se účastní elektrony, molekuly a atomy. Provádí se v tělech, jejichž různé části mají nerovnou teplotu.

Je-li látka schopna tepla, můžeme mluvit o přítomnosti kvantitativní charakteristiky. V tomto případě hraje roli koeficient tepelné vodivosti. Tato charakteristika udává, kolik tepla projde jednotkou délky a plochy za jednotku času. V takovém případě se teplota těla změní přesně o 1 K.

Dříve se předpokládalo, že výměna tepla v různých orgánech (včetně přenosu tepla rámových konstrukcí), vzhledem k tomu, že z jedné části těla do jiného tzv kalorické toky. Nicméně, příznaky jeho skutečnou existenci, nikdo nenašel, a když molekulárně kinetická teorie vyvinula na určitou úroveň, vše o kalorický a zapomněl si myslet, protože hypotéza byla neudržitelná.

Konvekce. Přenos tepla vody

Tímto způsobem výměny tepelné energie se rozumí přenos pomocí vnitřních toků. Představme si rychlovarnou konvici s vodou. Jak je známo, více proudů ohřátého vzduchu stoupá nahoru. A chlad, těžší, padnou dolů. Tak proč by se měla voda lišit? Je to naprosto stejné s ní. A v průběhu takového cyklu se všechny vrstvy vody, bez ohledu na to, kolik z nich, zahřejí před nástupem stavu tepelné rovnováhy. Za jistých podmínek samozřejmě.

Radiace

Tato metoda spočívá v principu elektromagnetického záření. Je to kvůli vnitřní energii. Silně se do teorie tepelné záření nemůžeme jen poznamenat, že důvodem je uspořádání nabitých částic, atomů a molekul.

Jednoduché problémy s vedením tepla

Nyní mluvte o tom, jak vypadá výpočet přenosu tepla v praxi. Vyřešíme jednoduchý úkol týkající se množství tepla. Předpokládejme, že máme hmotnost vody rovnající se půl kilogramu. Počáteční teplota vody je 0 stupňů Celsia, konečná teplota je 100. Podívejme se na množství tepla, které jsme vynaložili na zahřátí této hmoty.

K tomu potřebujeme vzorec Q = cm (t₂-t₁), kde Q je množství tepla, c je specifické tepelná kapacita vody, m je hmotnost látky, t₁ - počáteční, t₂ Je konečná teplota. U vody je hodnota c tabulková. Specifická tepelná kapacita bude 4200 J / kg * C. Nyní nahrazte tyto hodnoty ve vzorci. Zjistíme, že množství tepla se rovná 210000 J nebo 210 kJ.

První zákon termodynamiky

Termodynamika a přenos tepla jsou navzájem propojeny určitými zákony. Jsou založeny na poznatcích, že změny vnitřní energie v systému lze dosáhnout dvěma způsoby. První je provést mechanickou práci. Druhá je zpráva o určitém množství tepla. Mimochodem, tento princip je založen na prvním termodynamickém zákonu. Zde je jeho formulace: pokud byl systém informován o určitém množství tepla, bude vynaložen na práci na vnějších tělech nebo na zvyšování jeho vnitřní energie. Matematická notace: dQ = dU + dA.

Pro nebo proti?

Absolutně všechny hodnoty, které jsou součástí matematického nahrávání prvního termodynamického zákona může být zapsán jako s „plus“ a s „minus“ podepsat. A jejich volba bude diktována podmínkami procesu. Předpokládejme, že systém obdrží určité množství tepla. V tomto případě se těla v něm zahřívají. V důsledku toho dochází k expanzi plynu, což znamená, že se pracuje. V důsledku toho budou hodnoty kladné. Pokud se odvádí množství tepla, plyn se ochladí, práce se provádí nad ním. Hodnoty budou mít opačné hodnoty.

Alternativní formulace prvního termodynamického zákona

Předpokládejme, že máme pravidelně působící motor. Pracovní orgán (nebo systém) v něm provádí kruhový proces. Obvykle se nazývá cyklus. V důsledku toho se systém vrátí do původního stavu. Bylo by logické předpokládat, že v tomto případě změna vnitřní energie bude nulová. Ukazuje se, že množství tepla se bude rovnat perfektní práci. Tato ustanovení umožňují formulovat první zákon termodynamiky jiným způsobem.

Z toho můžeme pochopit, že v přírodě nemůže existovat věčný pohybový stroj prvního druhu. To je zařízení, které dělá více práce ve srovnání s energií přijatou zvenčí. V tomto případě je nutno pravidelně provádět akce.

První termodynamický zákon pro isoprocesy

Pojďme nejprve za izochorický proces. S tímto objemem zůstává konstantní. Takže změna hlasitosti bude nula. Následně bude práce také nulová. Tímto termínem odpadáme z prvního termodynamického zákona, po němž získáme vzorec dQ = dU. Proto v izochorickém procesu se veškeré teplo přiváděné do systému zvyšuje vnitřní energií plynu nebo směsi.

Teď promluvíme o izobarickém procesu. Konstantní hodnota v něm zůstává tlakem. V tomto případě se vnitřní energie změní souběžně s prací. Zde je původní vzorec: dQ = dU + pdV. Můžeme snadno vypočítat provedenou práci. Bude rovno výrazu uR (T₂-T₁). Mimochodem, toto je fyzický význam univerzální plynové konstanty. Za přítomnosti jednoho mólu plynu a teplotního rozdílu jednoho Kelvina se bude konstanta univerzálního plynu rovnat práci provedené v izobarickém procesu.