Dzisiaj postaramy się znaleźć odpowiedź na pytanie „Przenikanie ciepła to?..”. W artykule zastanowimy się, czym jest ten proces, jakie jego rodzaje występują w przyrodzie, a także dowiemy się, jaki jest związek między przenoszeniem ciepła a termodynamiką.
Definicja
Przenikanie ciepła to proces fizyczny, którego istotą jest przenoszenie energii cieplnej. Wymiana odbywa się między dwoma ciałami lub ich układem. W takim przypadku warunkiem wstępnym będzie przenoszenie ciepła z bardziej nagrzanych ciał do mniej nagrzanych.
Funkcje procesu
Przenikanie ciepła to ten sam rodzaj zjawiska, które może wystąpić zarówno przy bezpośrednim kontakcie, jak i przy przegrodach oddzielających. W pierwszym przypadku wszystko jest jasne, w drugim jako bariery mogą posłużyć ciała, materiały i media. Przenoszenie ciepła nastąpi w przypadkach, gdy układ składający się z dwóch lub więcej ciał nie znajduje się w stanie równowagi termicznej. Oznacza to, że jeden z obiektów ma wyższą lub niższą temperaturę w porównaniu z drugim. To tutaj odbywa się transfer energii cieplnej. Logiczne jest założenie, że skończy się, gdykiedy układ dochodzi do stanu równowagi termodynamicznej lub termicznej. Proces zachodzi spontanicznie, jak mówi nam druga zasada termodynamiki.
Wyświetlenia
Przenoszenie ciepła to proces, który można podzielić na trzy sposoby. Będą one miały charakter podstawowy, gdyż można w nich wyróżnić podkategorie realne, posiadające własne cechy charakterystyczne wraz z ogólnymi wzorami. Do tej pory zwyczajowo rozróżnia się trzy rodzaje wymiany ciepła. Są to przewodzenie, konwekcja i promieniowanie. Zacznijmy może od pierwszego.
Metody wymiany ciepła. Przewodność cieplna
To jest nazwa właściwości ciała materialnego do wykonywania transferu energii. Jednocześnie jest przenoszony z cieplejszej części do zimniejszej. Zjawisko to opiera się na zasadzie chaotycznego ruchu cząsteczek. Jest to tak zwany ruch Browna. Im wyższa temperatura ciała, tym aktywniej poruszają się w nim cząsteczki, ponieważ mają więcej energii kinetycznej. Elektrony, cząsteczki, atomy uczestniczą w procesie przewodzenia ciepła. Odbywa się w ciałach, których różne części mają różne temperatury.
Jeśli substancja jest zdolna do przewodzenia ciepła, możemy mówić o obecności cechy ilościowej. W tym przypadku jego rolę odgrywa współczynnik przewodności cieplnej. Ta cecha pokazuje, ile ciepła przejdzie przez jednostki wskaźników długości i powierzchni na jednostkę czasu. W takim przypadku temperatura ciała zmieni się dokładnie o 1 K.
Wcześniej uważano, że wymiana ciepła wróżne ciała (w tym przenoszenie ciepła otaczających struktur) wynika z faktu, że tak zwana kaloryczność przepływa z jednej części ciała do drugiej. Nikt jednak nie znalazł oznak jego rzeczywistego istnienia, a gdy teoria molekularno-kinetyczna rozwinęła się do pewnego poziomu, wszyscy zapomnieli pomyśleć o kaloryczności, ponieważ hipoteza okazała się nie do utrzymania.
Konwekcja. Przenoszenie ciepła przez wodę
Ta metoda wymiany energii cieplnej jest rozumiana jako transfer za pomocą przepływów wewnętrznych. Wyobraźmy sobie czajnik z wodą. Jak wiecie, cieplejsze prądy powietrza wznoszą się do góry. A zimne, cięższe opadają. Dlaczego więc woda miałaby być inna? Z nią jest dokładnie tak samo. A w trakcie takiego cyklu wszystkie warstwy wody, bez względu na ich liczbę, będą się nagrzewać, aż nastąpi stan równowagi termicznej. Oczywiście pod pewnymi warunkami.
Promieniowanie
Ta metoda opiera się na zasadzie promieniowania elektromagnetycznego. Pochodzi z energii wewnętrznej. Nie będziemy zbytnio zagłębiać się w teorię promieniowania cieplnego, po prostu zauważymy, że przyczyna leży tutaj w układzie naładowanych cząstek, atomów i cząsteczek.
Proste problemy z przewodnictwem ciepła
Porozmawiajmy teraz o tym, jak w praktyce wygląda obliczanie wymiany ciepła. Rozwiążmy prosty problem związany z ilością ciepła. Powiedzmy, że mamy masę wody równą pół kilograma. Początkowa temperatura wody - 0 stopniCelsjusz, końcowy - 100. Znajdźmy ilość ciepła zużywanego przez nas do ogrzania tej masy materii.
W tym celu potrzebujemy wzoru Q=cm(t2-t1), gdzie Q jest ilością ciepła, c to właściwa pojemność cieplna wody, m to masa substancji, t1 to temperatura początkowa, t2 to temperatura końcowa. W przypadku wody wartość c jest tabelaryczna. Ciepło właściwe będzie równe 4200 J/kgC. Teraz podstawiamy te wartości do wzoru. Otrzymujemy, że ilość ciepła będzie równa 210000 J, czyli 210 kJ.
Pierwsza zasada termodynamiki
Termodynamika i wymiana ciepła są ze sobą powiązane przez pewne prawa. Opierają się na wiedzy, że zmiany energii wewnętrznej w systemie można osiągnąć na dwa sposoby. Pierwsza to praca mechaniczna. Drugi to przekazywanie pewnej ilości ciepła. Nawiasem mówiąc, na tej zasadzie opiera się pierwsza zasada termodynamiki. Oto jego sformułowanie: jeśli pewna ilość ciepła została przekazana do systemu, zostanie wydana na wykonywanie pracy na ciałach zewnętrznych lub na zwiększenie jego energii wewnętrznej. Notacja matematyczna: dQ=dU + dA.
Wady czy zalety?
Absolutnie wszystkie wielkości zawarte w zapisie matematycznym pierwszej zasady termodynamiki można zapisać zarówno ze znakiem „plus”, jak i ze znakiem „minus”. Co więcej, ich wybór będzie podyktowany warunkami procesu. Załóżmy, że system otrzymuje pewną ilość ciepła. W tym przypadku ciała w nim się nagrzewają. W związku z tym następuje ekspansja gazu, co oznacza, żepraca jest wykonywana. W rezultacie wartości będą dodatnie. Jeśli ilość ciepła zostanie odebrana, gaz ochładza się i wykonuje się nad nim prace. Wartości zostaną odwrócone.
Alternatywne sformułowanie pierwszej zasady termodynamiki
Załóżmy, że mamy jakiś przerywany silnik. W nim ciało robocze (lub system) wykonuje proces okrężny. Powszechnie nazywa się to cyklem. W rezultacie system powróci do swojego pierwotnego stanu. Logiczne byłoby założenie, że w tym przypadku zmiana energii wewnętrznej będzie równa zeru. Okazuje się, że ilość ciepła będzie równa wykonanej pracy. Te zapisy pozwalają nam sformułować pierwszą zasadę termodynamiki w inny sposób.
Z tego możemy zrozumieć, że perpetuum mobile pierwszego rodzaju nie może istnieć w naturze. Czyli urządzenie, które działa w większej ilości w porównaniu z energią otrzymywaną z zewnątrz. W takim przypadku czynności należy wykonywać okresowo.
Pierwsza zasada termodynamiki dla izoprocesów
Zacznijmy od procesu izochorycznego. Utrzymuje stałą objętość. Oznacza to, że zmiana głośności wyniesie zero. Dlatego praca będzie również równa zeru. Odrzućmy ten termin z pierwszej zasady termodynamiki, po której otrzymujemy wzór dQ=dU. Oznacza to, że w procesie izochorycznym całe ciepło dostarczane do systemu idzie na zwiększenie energii wewnętrznej gazu lub mieszaniny.
Teraz porozmawiajmy o procesie izobarycznym. Ciśnienie pozostaje stałe. W takim przypadku energia wewnętrzna będzie się zmieniać równolegle z pracą. Oto oryginalna formuła: dQ=dU + pdV. Możemy łatwo obliczyć wykonaną pracę. Będzie równa wyrażeniu uR(T2-T1). Nawiasem mówiąc, to jest fizyczne znaczenie uniwersalnej stałej gazowej. W obecności jednego mola gazu i różnicy temperatur wynoszącej jeden kelwin uniwersalna stała gazowa będzie równa pracy wykonanej w procesie izobarycznym.
