Termodinamika i prijenos topline. Metode prijenosa topline i proračuna. Prijenos topline je ...

Danas ćemo pokušati pronaći odgovor na pitanje "Prijenos topline ...?". U članku ćemo razmotriti što je proces, kakve vrste postoje u prirodi, a također saznati koji je odnos između prijenosa topline i termodinamike.

definicija

Prijelaz topline je fizički proces, bit čega je prijenos toplinske energije. Razmjena dolazi između dva tijela ili njihovog sustava. Istodobno, preduvjet je prijenos topline od toplijih tijela do manje zagrijanih tijela.

Značajke procesa

Prijelaz topline je vrsta fenomena koja se može pojaviti kako u izravnom kontaktu tako iu prisutnosti pregradnih particija. U prvom slučaju, sve je jasno, u drugom slučaju, tijela, materijali i mediji mogu se koristiti kao prepreke. Prijelaz topline će se dogoditi u slučajevima kada sustav koji se sastoji od dva ili više tijela nije u stanju termalne ravnoteže. To jest, jedan od objekata ima višu ili nižu temperaturu od druge. Tada dolazi do prijenosa toplinske energije. Logično je pretpostaviti da će završiti kada sustav dođe do stanja termodinamičke ili toplinske ravnoteže. Proces je spontan, kao što možemo reći drugom zakonu termodinamike.

vrste

Prijenos topline je proces koji se može podijeliti na tri načina. Oni će biti osnovne prirode, jer unutar njih može se razlikovati prave potkategorije, koje imaju svoje karakteristične značajke usporedno s općim zakonima. Do danas je uobičajeno razlikovati tri tipa prijenosa topline. To je toplinska vodljivost, konvekcija i zračenje. Počnimo s prvom, možda.

Načini prijenosa topline. Toplinska vodljivost.

Ovako je vlasništvo ovog ili onog materijalnog tijela pozvano za prijenos energije. U tom slučaju, ona se prenosi s grijanog dijela na onu koja je hladnija. U srcu ovog fenomena leži princip kaotičnog gibanja molekula. Ovo je tzv. Brownian pokret. Što je veća tjelesna temperatura, to su aktivnije molekule koje se kreću u njemu, budući da imaju više kinetičke energije. U procesu toplinske provodljivosti sudjeluju elektroni, molekule i atomi. To se provodi u tijelima, čiji različiti dijelovi imaju nejednake temperature.

Ako je tvar sposobna provoditi toplinu, možemo govoriti o prisutnosti kvantitativne osobine. U ovom slučaju njegova uloga ima koeficijent toplinske vodljivosti. Ova karakteristika pokazuje koliko će topline proći kroz jedinicu duljine i površine po jedinici vremena. U tom se slučaju temperatura tijela mijenja za točno 1 K.

Prethodno se vjerovalo da je razmjena topline u različitim tijelima (uključujući i prijenos topline zatvorenih struktura) zbog činjenice da od jednog dijela tijela do drugog tijek takozvana toplina. Međutim, nitko nikada nije pronašao znakove njegova stvarnog postojanja, a kada se molekularno-kinetička teorija razvila na određenu razinu, svi su zaboravili razmišljati o toplini, jer je hipoteza pokazala neodrživom.

Konvekcija. Prijelaz topline vode

Ovom metodom izmjene topline, razumijeva se prijenos unutarnjim tijekovima. Zamislimo čajnik s vodom. Kao što je poznato, grijani zračni tokovi rastu prema gore. A hladna, teža, pada. Pa zašto bi voda drugačije? To je apsolutno isto s njom. A sada u procesu takvog ciklusa, sve slojeve vode, bez obzira koliko će se zagrijati prije početka stanje termalne ravnoteže. U određenim uvjetima, naravno.

zračenje

Ova metoda se sastoji od načela elektromagnetskog zračenja. To je zbog unutarnje energije. Nećemo ući u teoriju toplinskog zračenja , jednostavno napominjemo da je razlog ovdje raspored nabijenih čestica, atoma i molekula.

Jednostavni problemi provođenja topline

Sada razgovarajmo o načinu na koji se izračunavanje transfera topline u praksi izgleda. Neka riješi jednostavan zadatak koji se odnosi na količinu topline. Recimo da imamo mase vode jednaku pola kilograma. Početna temperatura vode je 0 Celzijevih stupnjeva, konačna temperatura je 100. Nađimo količinu topline koju smo potrošili za grijanje ove mase tvari.

Za to nam je potrebna formula Q = cm (t ₂ -t ₁ ), gdje je Q količina topline, c je specifična toplina vode, m je masa tvari, t ₁ je početno, t2 je konačna temperatura. Za vodu, vrijednost c je tablična. Specifični toplinski kapacitet iznosi 4200 J / kg * C. Zamijenite te vrijednosti u formuli. Uzmimo da će količina topline biti jednaka 210000 J ili 210 kJ.

Prvi zakon termodinamike

Termodinamika i prijenos topline su međusobno povezani određenim zakonima. Temelji se na znanju da se promjene unutarnje energije unutar sustava mogu postići dvjema metodama. Prvi - ispunjenje mehaničkog rada. Drugi je poruka određene količine topline. Usput, ovo se načelo temelji na prvom zakonu termodinamike. Evo njegovih riječi: ako je sustav obaviješten o određenoj količini topline, potrošit će se na rad na vanjskim tijelima ili na povećanje njegove unutarnje energije. Matematička oznaka: dQ = dU + dA.

Pro ili kontra?

Apsolutno sve količine koje ulaze u matematičku notaciju prvog zakona termodinamike mogu se napisati s plus znakom ili minus znakom. A njihov izbor će biti uvjetovan uvjetima procesa. Pretpostavimo da sustav prima određenu količinu topline. U tom slučaju tijela se zagrijavaju. Posljedično, dogodi se ekspanzija plina, što znači da se radi. Kao rezultat toga, vrijednosti će biti pozitivne. Ako se količina topline odvede, plin se hladi, rad se vrši iznad njega. Vrijednosti će imati suprotne vrijednosti.

Alternativna formulacija prvog zakona termodinamike

Pretpostavimo da imamo motor koji djeluje povremeno. U njemu radno tijelo (ili sustav) obavlja kružni proces. Obično se zove ciklus. Kao rezultat toga, sustav će se vratiti u prvobitno stanje. Bilo bi logično pretpostaviti da će u ovom slučaju promjena unutarnje energije biti nula. Ispada da će količina topline biti jednaka savršenom radu. Ove odredbe omogućuju formuliranje prvog zakona termodinamike na drugačiji način.

Iz nje možemo shvatiti da u prirodi ne postoji postojani pokretni stroj prve vrste. To jest, uređaj koji više radi u usporedbi s energijom primljenom izvana. U tom slučaju, radnje se moraju provoditi povremeno.

Prvi zakon termodinamike za izoprocese

Prvo razmotrimo izohorejski proces. Uz to, glasnoća ostaje konstantna. Dakle, promjena glasnoće bit će nula. Posljedično, posao će također biti nula. Ispustimo ovaj pojam iz prvog zakona termodinamike, nakon čega dobivamo formulu dQ = dU. Dakle, u izohoreznom procesu, sva toplina koja se isporučuje u sustav povećava unutarnju energiju plina ili mješavine.

Sada razgovarajmo o isobarskom procesu. Stalna vrijednost u njemu ostaje pritisak. U tom će slučaju unutarnja energija paralelno s radom. Ovdje je izvornu formulu: dQ = dU + pdV. Lako možemo izračunati obavljeni posao. To će biti jednak izrazuR (T2-T1). Usput, ovo je fizičko značenje univerzalne konstante plina. U prisutnosti jednog molnog plina i temperaturnom razlikom od jednog Kelvina, univerzalna konstanta plina bit će jednaka radu koji se obavlja u izobrijskom procesu.