Днес ще се опитаме да намерим отговора на въпроса “Преносът на топлина е?..”. В статията ще разгледаме какво представлява процесът, какви видове той съществува в природата, а също така ще разберем каква е връзката между топлопреминаването и термодинамиката.
Определение
Преносът на топлина е физически процес, чиято същност е преносът на топлинна енергия. Обменът се осъществява между две тела или тяхната система. В този случай предпоставка ще бъде преносът на топлина от по-нагрети тела към по-малко нагрети.
Процесни функции
Преносът на топлина е същият тип явление, което може да възникне както при директен контакт, така и при разделящи се прегради. В първия случай всичко е ясно, във втория телата, материалите и медиите могат да се използват като бариери. Пренос на топлина ще се случи в случаите, когато система, състояща се от две или повече тела, не е в състояние на топлинно равновесие. Тоест, един от обектите има по-висока или по-ниска температура в сравнение с другия. Тук се осъществява преносът на топлинна енергия. Логично е да се предположи, че ще свърши когакогато системата дойде в състояние на термодинамично или термично равновесие. Процесът протича спонтанно, както може да ни каже вторият закон на термодинамиката.
Прегледи
Преносът на топлина е процес, който може да бъде разделен на три начина. Те ще имат основен характер, тъй като в тях могат да се разграничат реални подкатегории, които имат свои собствени характерни черти, заедно с общи модели. Към днешна дата е обичайно да се разграничават три вида топлопреминаване. Това са проводимост, конвекция и излъчване. Нека започнем с първото, може би.
Методи за пренос на топлина. Топлопроводимост
Това е името на свойството на материалното тяло да извършва пренос на енергия. В същото време се прехвърля от по-горещата част към по-студената. Това явление се основава на принципа на хаотичното движение на молекулите. Това е така нареченото Брауново движение. Колкото по-висока е температурата на тялото, толкова по-активно се движат молекулите в него, тъй като имат повече кинетична енергия. В процеса на топлопроводимост участват електрони, молекули, атоми. Извършва се в тела, чиито различни части имат различни температури.
Ако веществото е способно да провежда топлина, можем да говорим за наличието на количествена характеристика. В този случай ролята му се играе от коефициента на топлопроводимост. Тази характеристика показва колко топлина ще премине през единични индикатори за дължина и площ за единица време. В този случай телесната температура ще се промени точно с 1 K.
По-рано се смяташе, че топлообменът вразлични тела (включително топлопреминаването на ограждащите конструкции) се дължи на факта, че така наречените калорични потоци от една част на тялото към друга. Никой обаче не откри признаци за реалното му съществуване и когато молекулярно-кинетичната теория се развие до определено ниво, всички забравиха да мислят за калоричността, тъй като хипотезата се оказа несъстоятелна.
Конвекция. Топлопренос на вода
Този метод за обмен на топлинна енергия се разбира като пренос чрез вътрешни потоци. Нека си представим чайник с вода. Както знаете, по-горещите въздушни течения се издигат до върха. И студените, по-тежките потъват. Така че защо водата трябва да е различна? При нея е абсолютно същото. И в процеса на такъв цикъл всички слоеве вода, без значение колко има, ще се нагреят, докато настъпи състояние на топлинно равновесие. При определени условия, разбира се.
радиация
Този метод се основава на принципа на електромагнитното излъчване. Идва от вътрешна енергия. Няма да навлизаме много в теорията на топлинното излъчване, просто ще отбележим, че причината тук се крие в подреждането на заредените частици, атоми и молекули.
Прости проблеми с топлопроводимостта
Сега нека поговорим как изглежда изчислението на топлопреминаването на практика. Нека решим една проста задача, свързана с количеството топлина. Да кажем, че имаме маса вода, равна на половин килограм. Начална температура на водата - 0 градусаЦелзий, крайно - 100. Нека намерим количеството топлина, изразходено от нас, за да загреем тази маса от материя.
За това се нуждаем от формулата Q=cm(t2-t1), където Q е количеството топлина, c е специфичният топлинен капацитет на водата, m е масата на веществото, t1 е началната температура, t2 е крайната температура. За водата стойността на c е таблична. Специфичният топлинен капацитет ще бъде равен на 4200 J / kgC. Сега заместваме тези стойности във формулата. Получаваме, че количеството топлина ще бъде равно на 210 000 J, или 210 kJ.
Първият закон на термодинамиката
Термодинамиката и топлопреминаването са взаимосвързани от някои закони. Те се основават на знанието, че промените във вътрешната енергия в системата могат да бъдат постигнати по два начина. Първият е механична работа. Второто е предаването на определено количество топлина. Между другото, първият закон на термодинамиката се основава на този принцип. Ето нейната формулировка: ако на системата е предадено определено количество топлина, тя ще бъде изразходвана за извършване на работа върху външни тела или за увеличаване на вътрешната й енергия. Математическа нотация: dQ=dU + dA.
За или против?
Абсолютно всички количества, които са включени в математическата нотация на първия закон на термодинамиката, могат да бъдат записани както със знак „плюс”, така и със знак „минус”. Освен това изборът им ще бъде продиктуван от условията на процеса. Да приемем, че системата получава известно количество топлина. В този случай телата в него се нагряват. Следователно има разширяване на газа, което означава, чеработи се. В резултат на това стойностите ще бъдат положителни. Ако количеството топлина се отдели, газът се охлажда и се работи върху него. Стойностите ще бъдат обърнати.
Алтернативна формулировка на първия закон на термодинамиката
Да предположим, че имаме двигател с прекъсвания. В него работното тяло (или система) извършва кръгов процес. Обикновено се нарича цикъл. В резултат на това системата ще се върне в първоначалното си състояние. Логично би било да се предположи, че в този случай промяната на вътрешната енергия ще бъде равна на нула. Оказва се, че количеството топлина ще бъде равно на извършената работа. Тези разпоредби ни позволяват да формулираме първия закон на термодинамиката по различен начин.
От него можем да разберем, че в природата не може да съществува вечен двигател от първия вид. Тоест устройство, което работи в по-голямо количество в сравнение с енергията, получена отвън. В този случай действията трябва да се извършват периодично.
Първи закон на термодинамиката за изопроцеси
Нека започнем с изохорния процес. Поддържа обема постоянен. Това означава, че промяната в обема ще бъде нула. Следователно работата също ще бъде равна на нула. Нека изхвърлим този термин от първия закон на термодинамиката, след което получаваме формулата dQ=dU. Това означава, че в изохорния процес цялата топлина, подадена към системата, отива за увеличаване на вътрешната енергия на газа или сместа.
Сега нека поговорим за изобарния процес. Налягането остава постоянно. В този случай вътрешната енергия ще се промени успоредно с работата. Ето оригиналната формула: dQ=dU + pdV. Можем лесно да изчислим извършената работа. Той ще бъде равен на израза uR(T2-T1). Между другото, това е физическият смисъл на универсалната газова константа. При наличие на един мол газ и температурна разлика от един Келвин, универсалната газова константа ще бъде равна на работата, извършена в изобарен процес.
