Danas ćemo pokušati pronaći odgovor na pitanje “Prenos topline je?..”. U članku ćemo razmotriti šta je proces, koje vrste postoje u prirodi, a također ćemo saznati kakav je odnos između prijenosa topline i termodinamike.
Definicija
Prenos toplote je fizički proces čija je suština prenos toplotne energije. Razmjena se odvija između dva tijela ili njihovog sistema. U ovom slučaju, preduvjet će biti prijenos topline sa više zagrijanih tijela na manje zagrijana.
Funkcije procesa
Prenos toplote je isti tip fenomena koji se može javiti i sa direktnim kontaktom i sa odvajajućim pregradama. U prvom slučaju sve je jasno, u drugom se kao barijere mogu koristiti tijela, materijali i mediji. Prijenos topline će se dogoditi u slučajevima kada sistem koji se sastoji od dva ili više tijela nije u stanju termičke ravnoteže. To jest, jedan od objekata ima višu ili nižu temperaturu u odnosu na drugi. Ovdje se odvija prijenos toplotne energije. Logično je pretpostaviti da će se završiti kadakada sistem dođe u stanje termodinamičke ili termičke ravnoteže. Proces se odvija spontano, kao što nam može reći drugi zakon termodinamike.
Pregledi
Prenos topline je proces koji se može podijeliti na tri načina. One će imati osnovnu prirodu, jer se unutar njih mogu razlikovati stvarne potkategorije, koje imaju svoje karakteristične karakteristike zajedno sa opštim obrascima. Do danas je uobičajeno razlikovati tri vrste prijenosa topline. To su provodljivost, konvekcija i zračenje. Počnimo s prvim, možda.
Metode prenosa toplote. Toplotna provodljivost
Ovo je naziv svojstva materijalnog tijela da izvrši prijenos energije. Istovremeno se prenosi iz toplijeg dijela u hladniji. Ovaj fenomen se zasniva na principu haotičnog kretanja molekula. Ovo je takozvano Brownovo kretanje. Što je temperatura tijela viša, to se molekuli aktivnije kreću u njemu, jer imaju više kinetičke energije. U procesu provođenja toplote učestvuju elektroni, molekuli, atomi. Izvodi se u tijelima, čiji različiti dijelovi imaju različite temperature.
Ako je supstanca sposobna da provodi toplotu, možemo govoriti o prisustvu kvantitativne karakteristike. U ovom slučaju njegovu ulogu igra koeficijent toplinske provodljivosti. Ova karakteristika pokazuje koliko će topline proći kroz jedinične indikatore dužine i površine po jedinici vremena. U ovom slučaju, tjelesna temperatura će se promijeniti tačno za 1 K.
Ranije se verovalo da razmena toplote uraznih tijela (uključujući prijenos topline ogradnih konstrukcija) je zbog činjenice da takozvani kalorijski tokovi iz jednog dijela tijela u drugi. Međutim, niko nije pronašao znakove njegovog stvarnog postojanja, a kada se molekularno-kinetička teorija razvila do određenog nivoa, svi su zaboravili da razmišljaju o kalorijama, pošto se hipoteza pokazala neodrživom.
Konvekcija. Prijenos topline vode
Ovaj metod razmene toplotne energije podrazumeva se kao prenos pomoću unutrašnjih tokova. Zamislimo čajnik vode. Kao što znate, toplije vazdušne struje se dižu do vrha. A hladni, teži tonu. Pa zašto bi voda bila drugačija? Sa njom je potpuno isto. I u procesu takvog ciklusa, svi slojevi vode, bez obzira koliko ih ima, će se zagrijati dok ne dođe do stanja toplinske ravnoteže. Pod određenim uslovima, naravno.
Zračenje
Ova metoda se zasniva na principu elektromagnetnog zračenja. Dolazi iz unutrašnje energije. Nećemo puno ulaziti u teoriju toplotnog zračenja, samo ćemo primijetiti da razlog ovdje leži u rasporedu nabijenih čestica, atoma i molekula.
Jednostavni problemi s provođenjem toplote
Sada razgovarajmo o tome kako proračun prijenosa topline izgleda u praksi. Rešimo jednostavan problem vezan za količinu toplote. Recimo da imamo masu vode jednaku pola kilograma. Početna temperatura vode - 0 stepeniCelzijus, konačno - 100. Hajde da pronađemo količinu toplote koju trošimo da zagrejemo ovu masu materije.
Za ovo nam je potrebna formula Q=cm(t2-t1), gdje je Q količina topline, c je specifični toplotni kapacitet vode, m je masa supstance, t1 je početna temperatura, t2 je konačna temperatura. Za vodu, vrijednost c je tabela. Specifični toplinski kapacitet bit će jednak 4200 J / kgC. Sada zamjenjujemo ove vrijednosti u formulu. Dobijamo da će količina toplote biti jednaka 210000 J, odnosno 210 kJ.
Prvi zakon termodinamike
Termodinamika i prijenos topline su međusobno povezani nekim zakonima. Oni se zasnivaju na saznanju da se promjene unutrašnje energije unutar sistema mogu postići na dva načina. Prvi je mehanički rad. Druga je komunikacija određene količine topline. Inače, prvi zakon termodinamike zasniva se na ovom principu. Evo njegove formulacije: ako je određena količina toplote prenesena u sistem, ona će se potrošiti na rad na vanjskim tijelima ili na povećanje njegove unutrašnje energije. Matematička notacija: dQ=dU + dA.
Za ili protiv?
Apsolutno sve veličine koje su uključene u matematičku notaciju prvog zakona termodinamike mogu se napisati i sa znakom “plus” i sa znakom “minus”. Štaviše, njihov izbor će biti diktiran uslovima procesa. Pretpostavimo da sistem prima određenu količinu toplote. U ovom slučaju, tijela u njemu se zagrijavaju. Dakle, dolazi do ekspanzije gasa, što znači daposao se obavlja. Kao rezultat toga, vrijednosti će biti pozitivne. Ako se količina toplote oduzme, gas se hladi i na njemu se radi. Vrijednosti će biti obrnute.
Alternativna formulacija prvog zakona termodinamike
Pretpostavimo da imamo neki motor s prekidima. U njemu radno tijelo (ili sistem) obavlja kružni proces. Obično se naziva ciklus. Kao rezultat, sistem će se vratiti u prvobitno stanje. Logično bi bilo pretpostaviti da će u ovom slučaju promjena unutrašnje energije biti jednaka nuli. Ispada da će količina topline biti jednaka obavljenom radu. Ove odredbe nam omogućavaju da formulišemo prvi zakon termodinamike na drugačiji način.
Iz njega možemo shvatiti da perpetualni motor prve vrste ne može postojati u prirodi. Odnosno, uređaj koji radi u većoj količini u odnosu na energiju primljenu izvana. U ovom slučaju, radnje se moraju izvoditi periodično.
Prvi zakon termodinamike za izoprocese
Počnimo sa izohoričnim procesom. Održava jačinu zvuka konstantnom. To znači da će promjena volumena biti nula. Dakle, rad će takođe biti jednak nuli. Odbacimo ovaj pojam iz prvog zakona termodinamike, nakon čega dobijamo formulu dQ=dU. To znači da u izohoričnom procesu, sva toplota dovedena u sistem ide na povećanje unutrašnje energije gasa ili smeše.
Sada razgovarajmo o izobaričnom procesu. Pritisak ostaje konstantan. U ovom slučaju, unutrašnja energija će se mijenjati paralelno s radom. Evo originalne formule: dQ=dU + pdV. Lako možemo izračunati obavljeni posao. To će biti jednako izrazu uR(T2-T1). Usput, ovo je fizičko značenje univerzalne plinske konstante. U prisustvu jednog mola gasa i temperaturne razlike od jednog Kelvina, univerzalna gasna konstanta će biti jednaka radu obavljenom u izobaričnom procesu.
