Šiandien pabandysime rasti atsakymą į klausimą „Šilumos perdavimas yra?..“. Straipsnyje mes apsvarstysime, kas yra procesas, kokie jo tipai egzistuoja gamtoje, taip pat išsiaiškinsime, koks yra šilumos perdavimo ir termodinamikos ryšys.
Apibrėžimas
Šilumos perdavimas yra fizinis procesas, kurio esmė – šilumos energijos perdavimas. Keitimasis vyksta tarp dviejų kūnų arba jų sistemos. Šiuo atveju būtina sąlyga bus šilumos perdavimas iš labiau įkaitintų kūnų į mažiau įkaitusius.
Proceso funkcijos
Šilumos perdavimas yra tokio paties tipo reiškinys, kuris gali atsirasti tiek esant tiesioginiam sąlyčiui, tiek atskiriant pertvaras. Pirmuoju atveju viskas aišku, antruoju kūnai, medžiagos ir laikmenos gali būti naudojamos kaip kliūtys. Šilumos perdavimas įvyks tais atvejais, kai sistema, susidedanti iš dviejų ar daugiau kūnų, nėra šiluminės pusiausvyros būsenoje. Tai yra, vieno iš objektų temperatūra yra aukštesnė arba žemesnė, palyginti su kitu. Čia vyksta šilumos energijos perdavimas. Logiška manyti, kad kada tai baigsiskai sistema patenka į termodinaminės arba šiluminės pusiausvyros būseną. Šis procesas vyksta spontaniškai, kaip gali pasakyti antrasis termodinamikos dėsnis.
Peržiūros
Šilumos perdavimas yra procesas, kurį galima suskirstyti į tris būdus. Jie turės pagrindinį pobūdį, nes juose galima išskirti tikras subkategorijas, turinčias savo būdingus bruožus ir bendrus modelius. Iki šiol įprasta išskirti tris šilumos perdavimo tipus. Tai laidumas, konvekcija ir spinduliuotė. Galbūt pradėkime nuo pirmojo.
Šilumos perdavimo būdai. Šilumos laidumas
Tai yra materialaus kūno savybės atlikti energijos perdavimą pavadinimas. Tuo pačiu metu jis perkeliamas iš karštesnės dalies į š altesnę. Šis reiškinys pagrįstas chaotiško molekulių judėjimo principu. Tai vadinamasis Brauno judėjimas. Kuo aukštesnė kūno temperatūra, tuo aktyviau jame juda molekulės, nes jos turi daugiau kinetinės energijos. Elektronai, molekulės, atomai dalyvauja šilumos laidumo procese. Tai atliekama kūnuose, kurių skirtingų dalių temperatūra skiriasi.
Jei medžiaga gali praleisti šilumą, galime kalbėti apie kiekybinės charakteristikos buvimą. Šiuo atveju jo vaidmenį atlieka šilumos laidumo koeficientas. Ši charakteristika parodo, kiek šilumos praeis per vienetinius ilgio ir ploto rodiklius per laiko vienetą. Tokiu atveju kūno temperatūra pasikeis tiksliai 1 K.
Anksčiau buvo manoma, kad šilumos mainaiįvairūs kūnai (taip pat ir atitveriančių konstrukcijų šilumos perdavimas) yra dėl to, kad vadinamosios kalorijos teka iš vienos kūno dalies į kitą. Tačiau niekas nerado faktinio jo egzistavimo požymių, o kai molekulinė-kinetinė teorija išsivystė iki tam tikro lygio, visi pamiršo pagalvoti apie kaloringumą, nes hipotezė pasirodė nepagrįsta.
Konvekcija. Vandens šilumos perdavimas
Šis šilumos energijos mainų būdas suprantamas kaip perdavimas vidiniais srautais. Įsivaizduokime vandens virdulį. Kaip žinia, karštesnės oro srovės kyla į viršų. O š alti, sunkesni skęsta žemyn. Taigi kodėl vanduo turėtų būti kitoks? Su ja lygiai tas pats. Ir tokio ciklo metu visi vandens sluoksniai, nesvarbu, kiek jų yra, įkais, kol atsiras šiluminės pusiausvyros būsena. Žinoma, esant tam tikroms sąlygoms.
Radiacija
Šis metodas pagrįstas elektromagnetinės spinduliuotės principu. Jis ateina iš vidinės energijos. Mes nesigilinsime į šiluminės spinduliuotės teoriją, tiesiog pastebėsime, kad priežastis čia slypi įkrautų dalelių, atomų ir molekulių išsidėstymuose.
Paprastos šilumos laidumo problemos
Dabar pakalbėkime apie tai, kaip šilumos perdavimo skaičiavimas atrodo praktiškai. Išspręskime paprastą problemą, susijusią su šilumos kiekiu. Tarkime, kad mūsų vandens masė lygi pusei kilogramo. Pradinė vandens temperatūra – 0 laipsniųCelsijaus, galutinis – 100. Raskime, kiek šilumos sunaudojame šiai medžiagos masei šildyti.
Tam mums reikia formulės Q=cm(t2-t1), kur Q yra šilumos kiekis, c yra savitoji vandens šiluminė talpa, m yra medžiagos masė, t1 yra pradinė temperatūra, t2 yra galutinė temperatūra. Vandeniui c reikšmė yra lentelė. Savitasis šiluminis pajėgumas bus lygus 4200 J / kgC. Dabar mes pakeičiame šias reikšmes į formulę. Gauname, kad šilumos kiekis bus lygus 210 000 J arba 210 kJ.
Pirmasis termodinamikos dėsnis
Termodinamika ir šilumos perdavimas yra tarpusavyje susiję tam tikrais dėsniais. Jie pagrįsti žiniomis, kad vidinės energijos pokyčius sistemoje galima pasiekti dviem būdais. Pirmasis yra mechaninis darbas. Antrasis yra tam tikro šilumos kiekio perdavimas. Beje, šiuo principu pagrįstas pirmasis termodinamikos dėsnis. Štai jo formuluotė: jei sistemai buvo perduotas tam tikras šilumos kiekis, jis bus išleistas darbui su išoriniais kūnais arba vidinei energijai didinti. Matematinis žymėjimas: dQ=dU + dA.
Privalumai ar trūkumai?
Absoliučiai visus dydžius, kurie yra įtraukti į pirmojo termodinamikos dėsnio matematinį žymėjimą, galima užrašyti ir „pliuso“ženklu, ir „minuso“ženklu. Be to, jų pasirinkimą lems proceso sąlygos. Tarkime, kad sistema gauna tam tikrą šilumos kiekį. Tokiu atveju jame esantys kūnai įkaista. Todėl vyksta dujų išsiplėtimas, o tai reiškia, kaddarbai atliekami. Dėl to vertės bus teigiamos. Jei šilumos kiekis atimamas, dujos atvėsta, ir su jais dirbama. Reikšmės bus pakeistos.
Alternatyvi pirmojo termodinamikos dėsnio formuluotė
Tarkime, kad turime su pertrūkiais veikiantį variklį. Joje darbo kūnas (arba sistema) atlieka žiedinį procesą. Paprastai tai vadinama ciklu. Dėl to sistema grįš į pradinę būseną. Logiška būtų manyti, kad šiuo atveju vidinės energijos pokytis bus lygus nuliui. Pasirodo, šilumos kiekis bus lygus atliktam darbui. Šios nuostatos leidžia suformuluoti pirmąjį termodinamikos dėsnį kitaip.
Iš to galime suprasti, kad gamtoje negali egzistuoti pirmosios rūšies amžinasis variklis. Tai yra prietaisas, kuris veikia didesniu kiekiu, palyginti su energija, gaunama iš išorės. Tokiu atveju veiksmai turi būti atliekami periodiškai.
Pirmasis izoprocesų termodinamikos dėsnis
Pradėkime nuo izochorinio proceso. Jis palaiko pastovų garsumą. Tai reiškia, kad tūrio pokytis bus lygus nuliui. Todėl darbas taip pat bus lygus nuliui. Išmeskime šį terminą iš pirmojo termodinamikos dėsnio, po kurio gauname formulę dQ=dU. Tai reiškia, kad izochoriniame procese visa į sistemą tiekiama šiluma padidina dujų arba mišinio vidinę energiją.
Dabar pakalbėkime apie izobarinį procesą. Slėgis išlieka pastovus. Tokiu atveju lygiagrečiai su darbu keisis ir vidinė energija. Čia yra pradinė formulė: dQ=dU + pdV. Nesunkiai galime paskaičiuoti atliktus darbus. Jis bus lygus išraiškai uR(T2-T1). Beje, tokia yra fizinė visuotinės dujų konstantos reikšmė. Esant vienam moliui dujų ir vieno kelvino temperatūros skirtumui, universali dujų konstanta bus lygi darbui, atliktam izobariniame procese.
