Termodünaamika ja soojusülekanne. Soojusülekande ja arvutamise meetodid. Soojusülekanne on ...

Täna püüame leida vastuse küsimusele "Soojusülekanne on ...?". Artiklis vaatleme välja, milline on protsess, millised need on looduses, samuti teada, mis on soojusülekande ja termodünaamika vaheline suhe.

Määratlus

Soojusülekanne on füüsiline protsess, mille põhiolemus on soojusenergia ülekandmine . Börs toimub kahe organi või nende süsteemi vahel. Samal ajal on eeltingimuseks kuumuse ülekandmine soojematest keretest vähem kuumutatud keretesse.

Protsessi omadused

Soojusülekanne on selline nähtus, mis võib esineda nii otseses kokkupuutes kui ka jagamisosade olemasolul. Esimesel juhul on kõik selge, teisel juhul saab tõkketena kasutada kehasid, materjale ja meediat. Soojusülekanne toimub juhtudel, kui kahe või enama keha moodustav süsteem ei ole termilise tasakaalu seisundis. See tähendab, et ühel objektil on kõrgem või madalam temperatuur kui teisel. Siis toimub soojusenergia ülekanne. On loogiline eeldada, et see lõpeb, kui süsteem jõuab termodünaamilise või termilise tasakaalu seisundile. Protsess on spontaanne, nagu me saame öelda termodünaamika teise seaduse.

Tüübid

Soojusülekanne on protsess, mida saab jagada kolmel viisil. Need on põhiomadused, kuna nende sees saab eristada tõelisi alamkategooriaid, millel on oma iseloomulikud tunnused üldiste seaduste järgi. Praeguseks on tavaline eristada kolme tüüpi soojusülekannet. See on soojusjuhtivus, konvektsioon ja kiirgus. Alustame esimesest, võib-olla.

Soojusülekande viisid . Soojusjuhtivus.

Nii on selle või selle materiaalse keha vara kutsutud energia ülekandmiseks. Sellisel juhul viiakse see kuumutatud osast külmemaks. Selle nähtuse südames peitub molekulide kaootilise liikumise põhimõte. See on nn Browni algatus. Mida kõrgem on kehatemperatuur, seda aktiivsemad molekulid liiguvad, kuna neil on suurem kineetiline energia. Soojusjuhtivuse protsessis osalevad elektronid, molekulid ja aatomid. See viiakse läbi kehaosades, mille eri osades on ebavõrdne temperatuur.

Kui aine on suuteline kuumust kandma, võime rääkida kvantitatiivse tunnuse olemasolust. Sellisel juhul mängib selle rolli soojusjuhtivuse koefitsient. See tunnus näitab, kui palju soojust läbib pikkus ja pindala ühiku kohta. Sellisel juhul muutub keha temperatuur täpselt 1 K.

Varem eeldati, et soojusvahetus erinevates kehades (kaasa arvatud ümbritsevate struktuuride soojusülekanne) tuleneb asjaolust, et niinimetatud soojus voolab keha ühelt osalt teisele. Kuid keegi pole kunagi leidnud ühtegi märke tema tegeliku eksistentsi olemasolust, ja kui molekulaarkuine teooria arenes teatud tasemeni, kõik unustasid kuumusest mõelda, sest hüpotees osutus ebamõistlikuks.

Konvektsioon. Vee soojusülekanne

Sellise soojusvahetuse meetodi abil saab aru saada sisemise voolu kaudu edastamisest. Kujutleme veekeetja veega. Nagu teada, soojenevad õhuvoolud tõusevad ülespoole. Ja külm, raskem, langevad. Miks peaks vesi olema erinev? See on temaga täiesti sama. Ja nüüd, niisuguse tsükli protsessis, soojendatakse enne soojus tasakaalu seisundi kõik veekihid, ükskõik kui paljud neist. Teatud tingimustel, muidugi.

Kiirgus

See meetod seisneb elektromagnetilise kiirguse põhimõttes. See on tingitud sisemisest energiast. Me ei lähe termilise kiirguse teooriasse, me lihtsalt märkame, et siin on siin laetud osakeste, aatomite ja molekulide paigutus.

Lihtsad soojusjuhtivuse probleemid

Nüüd räägime sellest, kuidas soojusülekande arvutus praktikas välja näeb. Lahendame lihtsa ülesande, mis on seotud soojushulgaga. Ütleme, et meil on poole kilogrammist vesi. Esialgne vee temperatuur on 0 ° C, lõplik temperatuur on 100. Leiame selle materjali massi kuumutamiseks kasutatud kuumuse koguse.

Selleks on vaja valemit Q = cm (t ₂ -t ₁ ), kus Q on kuumuse kogus, c on vee erikasutus, m on aine mass, t ₁ on algne, t ₂ on lõplik temperatuur. Vesi puhul on väärtus c tabelina. Konkreetne soojusmaht on 4200 J / kg * C. Nüüd asenda need väärtused valemisse. Pange nii, et soojushulk on 210000 J või 210 kJ.

Termodünaamika esimene seadus

Termodünaamika ja soojusülekanne on seotud mõne teise seadusega. Need põhinevad teadmisel, et sisemise energia muutusi süsteemis saab saavutada kahe meetodi abil. Esimene - mehaanilise töö teostamine. Teine on teade teatud koguse soojusenergia kohta. Muide, see põhimõte põhineb termodünaamika esimesel seadusel. Siin on tema sõnastus: kui süsteemi on teavitatud teatavast soojushulgast, kulutatakse selleks, et teha tööd väliskestest või suurendada oma sisemist energiat. Matemaatiline märkus: dQ = dU + dA.

Plussid või miinused?

Täiesti kõik termodünaamika esimese seaduse matemaatilise tähisega hõlmatud kogused võivad olla kirjutatud plussmärgi ja miinusmärgiga. Ja nende valikut juhivad protsessi tingimused. Oletame, et süsteem saab teatud koguse kuumust. Sellisel juhul soojendatakse selle kehasid. Järelikult toimub gaasi laienemine, mis tähendab, et töö on tehtud. Selle tulemusena on väärtused positiivsed. Kui soojahulk eemaldatakse, gaas jahtub ja tööd tehakse selle kohal. Väärtused võtavad vastupidiseid väärtusi.

Termodünaamika esimese seaduse alternatiivne sõnastus

Oletame, et meil on perioodiliselt toimiv mootor. Selles töötav asutus (või süsteem) teostab ümmarguse protsessi. Tavaliselt nimetatakse seda tsüklina. Selle tulemusena läheb süsteem tagasi oma algsesse olekusse. Oleks loogiline eeldada, et antud juhul muutub sisemine energia nulliks. Selgub, et soojushulk võrdub täiusliku tööga. Need sätted võimaldavad termodünaamika esimese seaduse sõnastamist teistsugusel viisil sõnastada.

Selle põhjal saame aru, et looduses ei saa olla esimest tüüpi igavene liikumapaneel. See on seade, mis teeb rohkem tööd võrreldes väljastpoolt saadud energiaga. Sellisel juhul tuleb toiminguid teha perioodiliselt.

Isoprotsesside termodünaamika esimene seadus

Olgem kõigepealt isochoric protsessi. Sellega jääb helitugevus püsima. Seega on helitugevuse muutmine null. Järelikult on töö ka null. Me loobume selle terminist termodünaamika esimesest seadusest, mille järel saame valemi dQ = dU. Seega on isohorilises protsessis kogu süsteemile tarnitud soojus suureneb gaasi või segu sisemine energia.

Nüüd räägime isobarilises protsessis. Konstantne väärtus jääb rõhuks. Sellisel juhul muutub sisemine energia paralleelselt tööga. Siin on algne valem: dQ = dU + pdV. Me saame kerge välja arvutada tehtud töö. See on võrdne väljendiga uR (T ₂ -T ₁ ). Muide, see on universaalse gaasikonstandi füüsiline tähendus. Ühe mooli gaasi ja temperatuuri erinevuse ühe Kelvini juuresolekul võrdub universaalne gaasikonstant isobaarse protsessiga tehtud tööga.