Dnes se pokusíme najít odpověď na otázku „Přenos tepla je?…“. V článku se zamyslíme nad tím, co je to za proces, jaké typy existují v přírodě a také zjistíme, jaký je vztah mezi přenosem tepla a termodynamikou.
Definice
Přenos tepla je fyzikální proces, jehož podstatou je přenos tepelné energie. Výměna probíhá mezi dvěma tělesy nebo jejich soustavou. Předpokladem v tomto případě bude přenos tepla z více zahřátých těles na méně zahřátá.
Funkce procesu
Přenos tepla je stejný typ jevu, který může nastat jak při přímém kontaktu, tak při oddělování přepážek. V prvním případě je vše jasné, ve druhém lze jako bariéry použít tělesa, materiály a média. K přenosu tepla dojde 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 ve srovnání s druhým. Zde dochází k přenosu tepelné energie. Je logické předpokládat, že to skončí, kdyžkdyž se systém dostane do stavu termodynamické nebo tepelné rovnováhy. Tento proces probíhá spontánně, jak nám může říci druhý termodynamický zákon.
Zobrazení
Přenos tepla je proces, který lze rozdělit do tří způsobů. Budou mít základní povahu, protože v nich lze rozlišit skutečné podkategorie, které mají své vlastní charakteristické rysy spolu s obecnými vzory. K dnešnímu dni je obvyklé rozlišovat tři typy přenosu tepla. Jedná se o vedení, proudění a záření. Začněme možná tím prvním.
Metody přenosu tepla. Tepelná vodivost
Toto je název vlastnosti hmotného těla provádět přenos energie. Zároveň se přenáší z teplejší části do chladnější. Tento jev je založen na principu chaotického pohybu molekul. Jedná se o tzv. Brownův pohyb. Čím vyšší je teplota tělesa, tím aktivněji se v něm molekuly pohybují, protože mají větší kinetickou energii. Elektrony, molekuly, atomy se účastní procesu vedení tepla. Provádí se v tělech, jejichž různé části mají různé teploty.
Pokud je látka schopna vést teplo, můžeme mluvit o přítomnosti kvantitativní charakteristiky. V tomto případě hraje roli součinitel tepelné vodivosti. Tato charakteristika ukazuje, kolik tepla projde jednotkovými ukazateli délky a plochy za jednotku času. V tomto případě se tělesná teplota změní přesně o 1 K.
Dříve se věřilo, že výměna tepla vrůzných těles (včetně přenosu tepla obklopujících struktur) je způsobeno tím, že tzv. kalorické toky z jedné části těla do druhé. Nikdo však nenašel známky jeho skutečné existence, a když se molekulárně-kinetická teorie rozvinula na určitou úroveň, všichni zapomněli myslet na kalorické, protože hypotéza se ukázala jako neudržitelná.
Konvekce. Přenos tepla vodou
Tento způsob výměny tepelné energie je chápán jako přenos pomocí vnitřních toků. Představme si konvici s vodou. Jak víte, proudy teplejšího vzduchu stoupají nahoru. A studené, těžší klesají dolů. Proč by tedy měla být voda jiná? S ní je to úplně stejné. A v procesu takového cyklu se všechny vrstvy vody, bez ohledu na to, kolik jich je, zahřejí, dokud nenastane stav tepelné rovnováhy. Samozřejmě za určitých podmínek.
Záření
Tato metoda je založena na principu elektromagnetického záření. Pochází z vnitřní energie. Nebudeme se moc zabývat teorií tepelného záření, jen poznamenáme, že důvod zde spočívá v uspořádání nabitých částic, atomů a molekul.
Jednoduché problémy s vedením tepla
Nyní si povíme, jak vypadá výpočet prostupu tepla v praxi. Vyřešme jednoduchý problém související s množstvím tepla. Řekněme, že máme hmotnost vody rovnou půl kilogramu. Počáteční teplota vody - 0 stupňůCelsia, konečná - 100. Pojďme zjistit množství tepla, které jsme spotřebovali na zahřátí této hmoty hmoty.
Potřebujeme k tomu vzorec Q=cm(t2-t1), kde Q je množství tepla, c je měrná tepelná kapacita vody, m je hmotnost látky, t1 je počáteční teplota, t2 je konečná teplota. Pro vodu je hodnota c tabulková. Měrná tepelná kapacita se bude rovnat 4200 J / kgC. Nyní tyto hodnoty dosadíme do vzorce. Dostaneme, že množství tepla se bude rovnat 210 000 J, neboli 210 kJ.
První zákon termodynamiky
Termodynamika a přenos tepla jsou propojeny některými zákony. Vycházejí z poznatku, že změn vnitřní energie v systému lze dosáhnout dvěma způsoby. První je mechanická práce. Druhým je sdělení určitého množství tepla. Mimochodem, na tomto principu je založen první termodynamický zákon. Zde je jeho formulace: pokud bylo systému předáno určité množství tepla, bude vynaloženo na práci na vnějších tělesech nebo na zvýšení jeho vnitřní energie. Matematický zápis: dQ=dU + dA.
Pro nebo proti?
Naprosto všechny veličiny, které jsou zahrnuty v matematickém zápisu prvního zákona termodynamiky, lze zapsat jak se znaménkem „plus“, tak se znaménkem „mínus“. Jejich výběr bude navíc dán podmínkami procesu. Předpokládejme, že systém přijímá určité množství tepla. V tomto případě se tělesa v něm zahřívají. Proto dochází k expanzi plynu, což znamená, žepracuje se. V důsledku toho budou hodnoty kladné. Pokud se odebere množství tepla, plyn se ochladí a pracuje se na něm. Hodnoty budou obráceny.
Alternativní formulace prvního zákona termodynamiky
Předpokládejme, že máme nějaký přerušovaný motor. V něm pracovní orgán (nebo systém) provádí kruhový proces. Běžně se tomu říká cyklus. V důsledku toho se systém vrátí do původního stavu. Bylo by logické předpokládat, že v tomto případě bude změna vnitřní energie rovna nule. Ukazuje se, že množství tepla se bude rovnat vykonané práci. Tato ustanovení nám umožňují formulovat první termodynamický zákon jiným způsobem.
Z toho můžeme pochopit, že perpetum mobile prvního druhu nemůže v přírodě existovat. Tedy zařízení, které pracuje ve větším množství ve srovnání s energií přijímanou zvenčí. V tomto případě musí být akce prováděny pravidelně.
První termodynamický zákon pro izoprocesy
Začněme izochorickým procesem. Udržuje konstantní objem. To znamená, že změna objemu bude nulová. Proto bude práce také rovna nule. Vynechme tento termín z prvního zákona termodynamiky, po kterém dostaneme vzorec dQ=dU. To znamená, že v izochorickém procesu veškeré teplo dodávané do systému zvyšuje vnitřní energii plynu nebo směsi.
Nyní si promluvme o izobarickém procesu. Tlak zůstává konstantní. V tomto případě se vnitřní energie bude měnit paralelně s prací. Zde je původní vzorec: dQ=dU + pdV. Odvedenou práci si snadno spočítáme. Bude se rovnat výrazu uR(T2-T1). Mimochodem, toto je fyzikální význam univerzální plynové konstanty. V přítomnosti jednoho molu plynu a teplotním rozdílu jednoho Kelvina bude univerzální plynová konstanta rovna práci vykonané v izobarickém procesu.
