Danas ćemo pokušati pronaći odgovor na pitanje “Prijenos topline je?..”. U članku ćemo razmotriti što je proces, koje vrste postoje u prirodi, a također ćemo saznati kakav je odnos između prijenosa topline i termodinamike.
Definicija
Prijenos topline je fizički proces čija je bit prijenos toplinske energije. Razmjena se odvija između dva tijela ili njihovog sustava. U ovom slučaju, preduvjet će biti prijenos topline s više zagrijanih tijela na manje zagrijana.
Procesne značajke
Prijenos topline je isti tip fenomena koji se može dogoditi i kod izravnog kontakta i kod odvajajućih pregrada. U prvom slučaju sve je jasno, u drugom se tijela, materijali i mediji mogu koristiti kao barijere. Prijenos topline će se dogoditi u slučajevima kada sustav koji se sastoji od dva ili više tijela nije u stanju toplinske ravnoteže. To jest, jedan od objekata ima višu ili nižu temperaturu u odnosu na drugi. Ovdje se odvija prijenos toplinske energije. Logično je pretpostaviti da će završiti kadakada sustav dođe u stanje termodinamičke ili toplinske ravnoteže. Proces se događa spontano, kao što nam može reći drugi zakon termodinamike.
Pregledi
Prijenos topline je proces koji se može podijeliti na tri načina. Oni će imati osnovnu prirodu, budući da se unutar njih mogu razlikovati stvarne potkategorije, koje imaju svoje karakteristične značajke zajedno s općim obrascima. Do danas je uobičajeno razlikovati tri vrste prijenosa topline. To su kondukcija, konvekcija i zračenje. Počnimo s prvim, možda.
Metode prijenosa topline. Toplinska vodljivost
Ovo je naziv svojstva materijalnog tijela da izvrši prijenos energije. Istovremeno se prenosi iz toplijeg dijela u hladniji. Taj se fenomen temelji na principu kaotičnog gibanja molekula. Ovo je takozvano Brownovo gibanje. Što je temperatura tijela viša, to se molekule aktivnije kreću u njemu, budući da imaju više kinetičke energije. U procesu provođenja topline sudjeluju elektroni, molekule, atomi. Izvodi se u tijelima čiji različiti dijelovi imaju različite temperature.
Ako je tvar sposobna provoditi toplinu, možemo govoriti o prisutnosti kvantitativne karakteristike. U ovom slučaju, njegovu ulogu igra koeficijent toplinske vodljivosti. Ova karakteristika pokazuje koliko će topline proći kroz jedinične pokazatelje duljine i površine po jedinici vremena. U ovom slučaju, tjelesna temperatura će se promijeniti točno za 1 K.
Prije se vjerovalo da izmjena topline uraznih tijela (uključujući prijenos topline ograđenih struktura) je zbog činjenice da takozvani kalorijski tokovi iz jednog dijela tijela u drugi. Međutim, nitko nije pronašao znakove njegovog stvarnog postojanja, a kada se molekularno-kinetička teorija razvila do određene razine, svi su zaboravili razmišljati o kalorijama, jer se hipoteza pokazala neodrživom.
Konvekcija. Prijenos topline vode
Ova metoda razmjene toplinske energije podrazumijeva se kao prijenos pomoću unutarnjih tokova. Zamislimo kotlić vode. Kao što znate, toplije zračne struje dižu se do vrha. A hladni, teži tonu. Pa zašto bi voda bila drugačija? S njom je potpuno isto. I u procesu takvog ciklusa svi će se slojevi vode, bez obzira koliko ih ima, zagrijavati dok ne nastupi stanje toplinske ravnoteže. Pod određenim uvjetima, naravno.
Zračenje
Ova metoda temelji se na principu elektromagnetskog zračenja. Dolazi iz unutarnje energije. Nećemo puno ulaziti u teoriju toplinskog zračenja, samo ćemo primijetiti da razlog ovdje leži u rasporedu nabijenih čestica, atoma i molekula.
Jednostavni problemi s provođenjem topline
Sada razgovarajmo o tome kako izračun prijenosa topline izgleda u praksi. Riješimo jednostavan problem vezan uz količinu topline. Recimo da imamo masu vode jednaku pola kilograma. Početna temperatura vode - 0 stupnjevaCelzijus, konačno - 100. Nađimo količinu topline koju smo potrošili za zagrijavanje ove mase materije.
Za to nam je potrebna formula Q=cm(t2-t1), gdje je Q količina topline, c je specifični toplinski kapacitet vode, m je masa tvari, t1 je početna temperatura, t2 je konačna temperatura. Za vodu vrijednost c je tablična. Specifični toplinski kapacitet bit će jednak 4200 J / kgC. Sada te vrijednosti zamjenjujemo u formulu. Dobivamo da će količina topline biti jednaka 210000 J, odnosno 210 kJ.
Prvi zakon termodinamike
Termodinamika i prijenos topline međusobno su povezani nekim zakonima. Temelje se na spoznaji da se promjene unutarnje energije unutar sustava mogu postići na dva načina. Prvi je mehanički rad. Druga je komunikacija određene količine topline. Inače, prvi zakon termodinamike temelji se na ovom principu. Evo njegove formulacije: ako je određena količina topline prenesena u sustav, ona će se potrošiti na rad na vanjskim tijelima ili na povećanje njegove unutarnje energije. Matematički zapis: dQ=dU + dA.
Za ili protiv?
Apsolutno sve veličine koje su uključene u matematičku notaciju prvog zakona termodinamike mogu se napisati i sa znakom "plus" i sa znakom "minus". Štoviše, njihov izbor ovisit će o uvjetima procesa. Pretpostavimo da sustav prima određenu količinu topline. U ovom slučaju, tijela u njemu se zagrijavaju. Stoga dolazi do ekspanzije plina, što znači daradi se. Kao rezultat toga, vrijednosti će biti pozitivne. Ako se količina topline oduzme, plin se hladi, a na njemu se radi. Vrijednosti će biti obrnute.
Alternativna formulacija prvog zakona termodinamike
Pretpostavimo da imamo neki motor s prekidima. U njemu radno tijelo (ili sustav) obavlja kružni proces. Obično se naziva ciklus. Kao rezultat toga, sustav će se vratiti u prvobitno stanje. Logično bi bilo pretpostaviti da će u ovom slučaju promjena unutarnje energije biti jednaka nuli. Ispada da će količina topline biti jednaka obavljenom radu. Ove odredbe nam omogućuju da formuliramo prvi zakon termodinamike na drugačiji način.
Iz njega možemo shvatiti da vječni motor prve vrste ne može postojati u prirodi. Odnosno, uređaj koji radi u većoj količini u odnosu na energiju primljenu izvana. U tom slučaju, radnje se moraju izvoditi povremeno.
Prvi zakon termodinamike za izoprocese
Počnimo s izohoričnim procesom. Održava glasnoću konstantnom. To znači da će promjena volumena biti nula. Stoga će rad također biti jednak nuli. Odbacimo ovaj pojam iz prvog zakona termodinamike, nakon čega dobivamo formulu dQ=dU. To znači da u izohoričnom procesu sva toplina dovedena u sustav ide na povećanje unutarnje energije plina ili smjese.
Sada razgovarajmo o izobaričnom procesu. Pritisak ostaje konstantan. U tom slučaju, unutarnja energija će se mijenjati paralelno s radom. Ovdje je izvorna formula: dQ=dU + pdV. Lako možemo izračunati obavljeni posao. Bit će jednak izrazu uR(T2-T1). Usput, ovo je fizičko značenje univerzalne plinske konstante. U prisutnosti jednog mola plina i temperaturne razlike od jednog Kelvina, univerzalna plinska konstanta bit će jednaka radu obavljenom u izobaričnom procesu.
