Šodien mēģināsim rast atbildi uz jautājumu “Siltuma pārnese ir?..”. Rakstā apskatīsim, kas ir process, kādi tā veidi pastāv dabā, kā arī uzzināsim, kāda ir siltuma pārneses un termodinamiku saikne.
Definīcija
Siltuma pārnese ir fizisks process, kura būtība ir siltumenerģijas pārnese. Apmaiņa notiek starp diviem ķermeņiem vai to sistēmu. Šajā gadījumā priekšnoteikums būs siltuma pārnešana no vairāk uzkarsētiem ķermeņiem uz mazāk sakarsušiem.
Procesa līdzekļi
Siltuma pārnese ir tāda paša veida parādība, kas var rasties gan tiešā saskarē, gan ar atdalošām starpsienām. Pirmajā gadījumā viss ir skaidrs, otrajā gadījumā ķermeņus, materiālus un medijus var izmantot kā barjeras. Siltuma pārnese notiks gadījumos, kad sistēma, kas sastāv no diviem vai vairākiem ķermeņiem, nav termiskā līdzsvara stāvoklī. Tas ir, vienam no objektiem ir augstāka vai zemāka temperatūra salīdzinājumā ar otru. Šeit notiek siltumenerģijas pārnešana. Ir loģiski pieņemt, ka tas beigsies, kadkad sistēma nonāk termodinamiskā vai termiskā līdzsvara stāvoklī. Process notiek spontāni, kā to var pateikt otrais termodinamikas likums.
Skatījumi
Siltuma pārnese ir process, ko var iedalīt trīs veidos. Tiem būs pamata raksturs, jo tajās var izdalīt reālas apakškategorijas, kurām ir savas raksturīgās iezīmes, kā arī vispārīgi modeļi. Līdz šim ir ierasts atšķirt trīs siltuma pārneses veidus. Tie ir vadītspēja, konvekcija un starojums. Varbūt sāksim ar pirmo.
Siltuma pārneses metodes. Siltumvadītspēja
Šis ir materiāla ķermeņa īpašības nosaukums, lai veiktu enerģijas pārnesi. Tajā pašā laikā tas tiek pārnests no karstākās daļas uz aukstāko. Šīs parādības pamatā ir molekulu haotiskas kustības princips. Šī ir tā sauktā Brauna kustība. Jo augstāka ir ķermeņa temperatūra, jo aktīvāk tajā pārvietojas molekulas, jo tām ir lielāka kinētiskā enerģija. Siltuma vadīšanas procesā piedalās elektroni, molekulas, atomi. To veic ķermeņos, kuru dažādām daļām ir atšķirīga temperatūra.
Ja viela spēj vadīt siltumu, mēs varam runāt par kvantitatīvā raksturlieluma klātbūtni. Šajā gadījumā tā lomu spēlē siltumvadītspējas koeficients. Šis raksturlielums parāda, cik daudz siltuma laika vienībā izies cauri garuma un platības vienības indikatoriem. Šajā gadījumā ķermeņa temperatūra mainīsies tieši par 1 K.
Iepriekš tika uzskatīts, ka siltuma apmaiņa iekšādažādi ķermeņi (ieskaitot norobežojošo konstrukciju siltuma pārnesi) ir saistīts ar to, ka tā saucamās kalorijas plūst no vienas ķermeņa daļas uz otru. Tomēr neviens neatrada pazīmes, kas liecinātu par tās faktisko pastāvēšanu, un, kad molekulāri kinētiskā teorija attīstījās līdz noteiktam līmenim, visi aizmirsa domāt par kaloriju daudzumu, jo hipotēze izrādījās nepieņemama.
Konvekcija. Ūdens siltuma pārnese
Šo siltumenerģijas apmaiņas metodi saprot kā pārnešanu ar iekšējo plūsmu palīdzību. Iedomāsimies ūdens tējkannu. Kā zināms, uz augšu paceļas karstākas gaisa straumes. Un aukstās, smagākas nogrimst. Tātad, kāpēc ūdenim vajadzētu atšķirties? Ar viņu ir tieši tāpat. Un šāda cikla procesā visi ūdens slāņi, neatkarīgi no tā, cik daudz to ir, uzkarsēs, līdz iestāsies termiskā līdzsvara stāvoklis. Noteiktos apstākļos, protams.
Radiācija
Šīs metodes pamatā ir elektromagnētiskā starojuma princips. Tas nāk no iekšējās enerģijas. Mēs daudz neiedziļināsimies termiskā starojuma teorijā, vienkārši atzīmēsim, ka iemesls šeit ir lādētu daļiņu, atomu un molekulu izvietojums.
Vienkāršas siltuma vadīšanas problēmas
Tagad parunāsim par to, kā siltuma pārneses aprēķins izskatās praksē. Atrisināsim vienkāršu problēmu, kas saistīta ar siltuma daudzumu. Pieņemsim, ka mums ir ūdens masa, kas vienāda ar puskilogramu. Sākotnējā ūdens temperatūra - 0 grādiCelsija skala, galīgā - 100. Noskaidrosim siltuma daudzumu, ko mēs patērējam šīs vielas masas sildīšanai.
Tam vajadzīga formula Q=cm(t2-t1), kur Q ir siltuma daudzums, c ir ūdens īpatnējā siltumietilpība, m ir vielas masa, t1 ir sākotnējā temperatūra, t2 ir beigu temperatūra.. Ūdenim c vērtība ir tabulas veidā. Īpatnējā siltuma jauda būs vienāda ar 4200 J / kgC. Tagad mēs aizstājam šīs vērtības formulā. Mēs iegūstam, ka siltuma daudzums būs vienāds ar 210 000 J jeb 210 kJ.
Pirmais termodinamikas likums
Termodinamika un siltuma pārnese ir savstarpēji saistīti ar dažiem likumiem. Tie ir balstīti uz zināšanām, ka izmaiņas iekšējā enerģijā sistēmā var panākt divos veidos. Pirmais ir mehāniskais darbs. Otrais ir noteikta siltuma daudzuma komunikācija. Starp citu, pirmais termodinamikas likums ir balstīts uz šo principu. Šeit ir tā formulējums: ja sistēmai tika nodots noteikts siltuma daudzums, tas tiks tērēts darbam ar ārējiem ķermeņiem vai iekšējās enerģijas palielināšanai. Matemātiskais apzīmējums: dQ=dU + dA.
Par vai mīnusi?
Pilnīgi visus lielumus, kas ir iekļauti termodinamikas pirmā likuma matemātiskajā apzīmējumā, var rakstīt gan ar “plus” zīmi, gan ar “mīnusa” zīmi. Turklāt viņu izvēli noteiks procesa apstākļi. Pieņemsim, ka sistēma saņem noteiktu siltuma daudzumu. Šajā gadījumā tajā esošie ķermeņi uzsilst. Tāpēc notiek gāzes izplešanās, kas nozīmē, kadarbs tiek darīts. Rezultātā vērtības būs pozitīvas. Ja siltuma daudzums tiek noņemts, gāze atdziest, un tiek strādāts pie tās. Vērtības tiks apgrieztas.
Pirmā termodinamikas likuma alternatīva formulēšana
Pieņemsim, ka mums ir kāds neregulārs dzinējs. Tajā darba ķermenis (vai sistēma) veic apļveida procesu. To parasti sauc par ciklu. Tā rezultātā sistēma atgriezīsies sākotnējā stāvoklī. Būtu loģiski pieņemt, ka šajā gadījumā iekšējās enerģijas izmaiņas būs vienādas ar nulli. Izrādās, ka siltuma daudzums būs vienāds ar paveikto darbu. Šie noteikumi ļauj formulēt pirmo termodinamikas likumu savādāk.
No tā mēs varam saprast, ka pirmā veida mūžīgā kustība dabā nevar pastāvēt. Tas ir, ierīce, kas darbojas lielākā daudzumā, salīdzinot ar enerģiju, kas tiek saņemta no ārpuses. Šajā gadījumā darbības ir jāveic periodiski.
Pirmais termodinamikas likums izoprocesiem
Sāksim ar izohorisko procesu. Tas saglabā nemainīgu skaļumu. Tas nozīmē, ka skaļuma izmaiņas būs nulle. Tāpēc arī darbs būs vienāds ar nulli. Izmetīsim šo terminu no pirmā termodinamikas likuma, pēc kura iegūstam formulu dQ=dU. Tas nozīmē, ka izohoriskā procesā viss sistēmai piegādātais siltums tiek novirzīts gāzes vai maisījuma iekšējās enerģijas palielināšanai.
Tagad parunāsim par izobārisko procesu. Spiediens paliek nemainīgs. Šajā gadījumā iekšējā enerģija mainīsies paralēli darbam. Šeit ir sākotnējā formula: dQ=dU + pdV. Mēs varam viegli aprēķināt paveikto darbu. Tas būs vienāds ar izteiksmi uR(T2-T1). Starp citu, šī ir universālās gāzes konstantes fiziskā nozīme. Viena mola gāzes klātbūtnē un viena Kelvina temperatūras starpībā universālā gāzes konstante būs vienāda ar izobāriskā procesā veikto darbu.
