Термодинаміка і теплопередача

Сьогодні ми спробуємо знайти відповідь на питання "Теплопередача - це. ". У статті розглянемо, що являє собою процес, які його види існують в природі, а також дізнаємося, як і зв'язок між теплопередачей і термодинаміки.

визначення

Теплопередача - це фізичний процес, суть якого полягає в передачі теплової енергії. Обмін відбувається між двома тілами або їх системою. При цьому обов'язковою умовою буде передача тепла від більш нагрітих тіл до менш нагрітих.

особливості процесу

Теплопередача - це той самий вид явища, який може відбуватися і при прямому контакті, і при наявності роздільних перегородок. У першому випадку все ясно, в другому ж як перешкод можуть бути використані тіла, матеріали, середовища. Теплопередача відбуватиметься у випадках, якщо система, що складається з двох або більше тіл, чи не знаходиться в стані теплової рівноваги. Тобто, один з об'єктів має більшу чи меншу температуру в порівнянні з іншим. Ось тоді відбувається передача теплової енергії. Логічно припустити, що вона завершиться тоді, коли система прийде в стан термодинамічної, або теплового рівноваги. Процес відбувається спонтанно, про що нам може розповісти другий початок термодинаміки.

Способи теплопередачі. Теплопровідність.

Так називається властивість того чи іншого матеріального тіла здійснювати перенесення енергії. При цьому вона переноситься від більш нагрітої частини до тієї, що холодніше. В основі цього явища лежить принцип хаотичного руху молекул. Це так зване броунівський рух. Чим більше температура тіла, тим активніше в ньому рухаються молекули, оскільки вони мають більшу кінетичну енергію. В процесі теплопровідності беруть участь електрони, молекули, атоми. Здійснюється вона в тілах, різні частини яких мають неоднакову температуру.

Якщо речовина здатна проводити тепло, ми можемо говорити про наявність кількісної характеристики. В даному випадку її роль грає коефіцієнт теплопровідності. Ця характеристика показує, яка кількість теплоти пройде через поодинокі показники довжини і площі за одиницю часу. При цьому температура тіла зміниться рівно на 1 К.

Раніше вважалося, що обмін теплом в різних тілах (в тому числі і теплопередача огороджувальних конструкцій) пов'язана з тим, що від однієї частини тіла до іншої перетікає так званий теплород. Однак ознак його дійсного існування ніхто так і не знайшов, а коли молекулярно-кінетична теорія розвинулася до певного рівня, про теплород все і думати забули, оскільки гіпотеза виявилося неспроможною.

Конвекція. теплопередача води

Під цим способом обміну тепловою енергією розуміється передача за допомогою внутрішніх потоків. Давайте уявимо собі чайник з водою. Як відомо, більш нагріті повітряні потоки піднімаються наверх. А холодні, важчі, опускаються вниз. Так чому ж з водою все повинно бути інакше? З нею все абсолютно так само. І ось в процесі такого циклу всі верстви води, скільки б їх не було, нагріються до настання стану теплового рівноваги. У певних умовах, звичайно.

Цей спосіб полягає в принципі електромагнітного випромінювання. Воно виникає завдяки внутрішньої енергії. Сильно вдаватися в теорію теплового випромінювання не станемо, просто відзначимо, що причина тут полягає в пристрої заряджених частинок, атомів і молекул.

Прості завдання на теплопровідність

Зараз поговоримо про те, як на практиці виглядає розрахунок теплопередачі. Давайте вирішимо простеньку задачу, пов'язану з кількість теплоти. Припустимо, що у нас є маса води, що дорівнює половині кілограма. Початкова температура води - 0 градусів за Цельсієм, кінцева - 100. Знайдемо кількість теплоти, витрачений нами для нагрівання цієї маси речовини.

Для цього нам буде потрібно формула Q = cm (t2 -t1), де Q - кількість теплоти, c - питома теплоємність води, m - маса речовини, t1 - початкова, t2 - кінцева температура. Для води значення c носить табличний характер. Питома теплоємність буде дорівнює 4200 Дж / кг * Ц. Тепер підставляємо ці значення в формулу. Отримаємо, що кількість теплоти дорівнюватиме 210000 Дж, або 210 кДж.

Перший початок термодинаміки

Термодинаміка і теплопередача пов'язані між собою деякими законами. В їх основі - знання про те, що зміни внутрішньої енергії всередині системи можна досягти за допомогою двох способів. Перший - вчинення механічної роботи. Другий - повідомлення певної кількості теплоти. На цьому принципі базується, до речі, перший закон термодинаміки. Ось його формулювання: якщо системі було повідомлено деяку кількість теплоти, воно буде витрачено на здійснення роботи над зовнішніми тілами або на приріст її внутрішньої енергії. Математична запис: dQ = dU + dA.

Плюси або мінуси?

Абсолютно всі величини, що входять до математичної запис першого закону термодинаміки, можуть бути записані як зі знаком "плюс", так і зі знаком "мінус". Причому вибір їх буде диктуватися умовами процесу. Припустимо, що система отримує певну кількість теплоти. В такому випадку тіла в ній нагріваються. Отже, відбувається розширення газу, а значить, відбувається робота. У підсумку величини будуть позитивними. Якщо ж кількість теплоти віднімають, газ охолоджується, над ним відбувається робота. Величини візьмуть зворотні значення.

Альтернативна формулювання першого закону термодинаміки

Припустимо, що у нас є якийсь періодично діючий двигун. У ньому робоче тіло (або ж система) здійснюють круговий процес. Його прийнято називати циклом. В результаті система повернеться до початкового стану. Логічно було б припустити, що в такому випадку зміна внутрішньої енергії буде рівним нулю. Виходить, що кількість теплоти стане одно досконалої роботі. Ці положення дозволяють сформулювати перший закон термодинаміки вже по-іншому.

З нього ми можемо зрозуміти, що в природі не може існувати вічний двигун першого роду. Тобто, пристрій, який здійснює роботу в більшій кількості в порівнянні з отриманою ззовні енергією. При цьому дії повинні відбуватися періодично.

Перший початок термодинаміки для ізопроцессов

Розглянемо для початку изохорический процес. При ньому обсяг залишається постійним. А значить, зміна обсягу дорівнюватиме нулю. Отже, робота так само буде дорівнює нулю. Викинемо це доданок з першого початку термодинаміки, після чого отримаємо формулу dQ = dU. Значить, при ізохоричному процесі все тепло, підведене до системи, йде на збільшення внутрішньої енергії газу або суміші.

Тепер поговоримо про ізобаріческом процесі. Постійною величиною в ньому залишається тиск. При цьому внутрішня енергія буде змінюватися паралельно скоєння роботи. Ось первісна формула: dQ = dU + pdV. Ми можемо легко обчислити здійснюються роботу. Вона буде дорівнює висловом uR (T2 -T1). До речі, це є фізичний зміст універсальної газової постійної. При наявності одного благаючи газу і різниці температур, що становить один Кельвін, універсальна газова стала дорівнюватиме роботі, яку здійснюють при ізобаріческом процесі.