Ma megpróbáljuk megtalálni a választ a „Hőátadás?…” kérdésre. A cikkben megvizsgáljuk, mi a folyamat, milyen fajtái léteznek a természetben, és megtudjuk, mi a kapcsolat a hőátadás és a termodinamika között.
Definíció
A hőátadás egy fizikai folyamat, melynek lényege a hőenergia átadása. A csere két test vagy azok rendszere között megy végbe. Ebben az esetben előfeltétel lesz a hő átadása a jobban felhevült testekről a kevésbé fűtött testekre.
Folyamatfunkciók
A hőátadás ugyanolyan típusú jelenség, amely közvetlen érintkezéskor és elválasztó válaszfalak esetén egyaránt előfordulhat. Az első esetben minden világos, a második esetben testek, anyagok és médiák használhatók gátként. A hőátadás olyan esetekben következik be, amikor egy két vagy több testből álló rendszer nincs termikus egyensúlyi állapotban. Vagyis az egyik objektum magasabb vagy alacsonyabb hőmérsékletű a másikhoz képest. Itt történik a hőenergia átadása. Logikus feltételezni, hogy mikor ér végetamikor a rendszer termodinamikai vagy termikus egyensúlyi állapotba kerül. A folyamat spontán módon megy végbe, amint azt a termodinamika második főtétele is megmondhatja.
Megtekintések
A hőátadás háromféleképpen osztható fel. Alapjellegűek lesznek, hiszen bennük valós alkategóriák különíthetők el, amelyeknek megvannak a maguk jellegzetes vonásai az általános minták mellett. A mai napig a hőátadás három típusát szokás megkülönböztetni. Ezek a vezetés, a konvekció és a sugárzás. Kezdjük talán az elsővel.
A hőátadás módszerei. Hővezetőképesség
Ez az anyagi test azon tulajdonságának a neve, hogy végrehajtja az energiaátvitelt. Ugyanakkor a melegebb részről átkerül a hidegebbre. Ez a jelenség a molekulák kaotikus mozgásának elvén alapul. Ez az úgynevezett Brown-mozgás. Minél magasabb a test hőmérséklete, annál aktívabban mozognak benne a molekulák, mivel nagyobb a mozgási energiájuk. Elektronok, molekulák, atomok vesznek részt a hővezetési folyamatban. Testekben hajtják végre, amelyek különböző részei eltérő hőmérsékletűek.
Ha egy anyag hővezetésre képes, akkor kvantitatív jellemző jelenlétéről beszélhetünk. Ebben az esetben a szerepét a hővezetési együttható játssza. Ez a jellemző megmutatja, hogy mennyi hő halad át időegységenként a hossz és terület egységmutatóin. Ebben az esetben a testhőmérséklet pontosan 1 K-val változik.
Korábban azt hitték, hogy a hőcsere bekülönféle testek (beleértve a körülzáró szerkezetek hőátadását is) annak köszönhető, hogy az ún. kalória a test egyik részéből a másikba áramlik. Senki sem találta azonban a tényleges létezésének jeleit, és amikor a molekuláris-kinetikai elmélet egy bizonyos szintre fejlődött, mindenki elfelejtett a kalóriatartalomra gondolni, mivel a hipotézis tarthatatlannak bizonyult.
Konvekció. Víz hőátadás
A hőenergia cseréjének ez a módja a belső áramlások útján történő átvitel. Képzeljünk el egy vízforralót. Tudniillik a forróbb légáramlatok a csúcsra emelkednek. A hidegek, nehezebbek pedig lesüllyednek. Akkor miért lenne más a víz? Pontosan ugyanez van vele. És egy ilyen körfolyamat során minden vízréteg, függetlenül attól, hogy hány van, felmelegszik, amíg a termikus egyensúly be nem következik. Természetesen bizonyos feltételek mellett.
Sugárzás
Ez a módszer az elektromágneses sugárzás elvén alapul. Belső energiából származik. Nem megyünk sokat a hősugárzás elméletébe, egyszerűen megjegyezzük, hogy ennek oka a töltött részecskék, atomok és molekulák elrendezésében rejlik.
Egyszerű hővezetési problémák
Most beszéljünk arról, hogyan néz ki a gyakorlatban a hőátadás számítása. Oldjunk meg egy egyszerű feladatot a hőmennyiséggel kapcsolatban. Tegyük fel, hogy fél kilogrammnak megfelelő víztömegünk van. A víz kezdeti hőmérséklete - 0 fokCelsius, végső - 100. Határozzuk meg, mennyi hőt fordítottunk ennek az anyagtömegnek a felmelegítésére.
Ehhez a Q=cm(t2-t1) képletre van szükségünk, ahol Q a hőmennyiség, c a víz fajlagos hőkapacitása, m az anyag tömege, t1 a kezdeti hőmérséklet, t2 a végső hőmérséklet. Víz esetén c értéke táblázatos. A fajlagos hőkapacitás 4200 J / kgC lesz. Most ezeket az értékeket behelyettesítjük a képletbe. Azt kapjuk, hogy a hőmennyiség 210 000 J vagy 210 kJ lesz.
A termodinamika első főtétele
A termodinamika és a hőátadás bizonyos törvények szerint összefügg egymással. Azon a tudáson alapulnak, hogy a rendszeren belüli belső energia változásait kétféleképpen lehet elérni. Az első a mechanikai munka. A második egy bizonyos mennyiségű hő közlése. Egyébként a termodinamika első főtétele ezen az elven alapul. Íme a megfogalmazása: ha bizonyos mennyiségű hőt juttattak a rendszerbe, akkor azt külső testeken végzett munkára vagy belső energiájának növelésére fordítják. Matematikai jelölés: dQ=dU + dA.
Érvek vagy hátrányok?
A termodinamika első főtételének matematikai jelölésében szereplő mennyiségek mindegyike felírható „plusz” és „mínusz” előjellel is. Sőt, választásukat az eljárás körülményei határozzák meg. Tegyük fel, hogy a rendszer kap bizonyos mennyiségű hőt. Ilyenkor a benne lévő testek felmelegszenek. Ezért van a gáz tágulása, ami azt jelentimunka folyik. Ennek eredményeként az értékek pozitívak lesznek. Ha elviszik a hőmennyiséget, a gáz lehűl, és a munka folyik rajta. Az értékek megfordulnak.
A termodinamika első főtételének alternatív megfogalmazása
Tegyük fel, hogy van valami szaggatott motorunk. Ebben a munkatest (vagy rendszer) körkörös folyamatot hajt végre. Általában ciklusnak nevezik. Ennek eredményeként a rendszer visszaáll az eredeti állapotába. Logikus lenne azt feltételezni, hogy ebben az esetben a belső energia változása nulla lesz. Kiderül, hogy a hőmennyiség megegyezik az elvégzett munkával. Ezek a rendelkezések lehetővé teszik, hogy a termodinamika első főtételét más módon fogalmazzuk meg.
Ebből megérthetjük, hogy a természetben nem létezhet első típusú örökmozgó. Vagyis egy olyan készülék, ami a kívülről kapott energiához képest valóban nagyobb mennyiségben működik. Ebben az esetben a műveleteket rendszeresen el kell végezni.
Az izofolyamatok termodinamikájának első főtétele
Kezdjük az izokhorikus folyamattal. A hangerőt állandóan tartja. Ez azt jelenti, hogy a hangerő változása nulla lesz. Ezért a munka is egyenlő lesz nullával. Hagyjuk ezt a kifejezést a termodinamika első főtételéből, ami után a dQ=dU képletet kapjuk. Ez azt jelenti, hogy egy izokhorikus folyamatban a rendszerbe juttatott összes hő a gáz vagy keverék belső energiájának növelésére megy el.
Most beszéljünk az izobár folyamatról. A nyomás állandó marad. Ebben az esetben a belső energia a munkával párhuzamosan változik. Íme az eredeti képlet: dQ=dU + pdV. Könnyen kiszámolhatjuk az elvégzett munkát. Ez egyenlő lesz az uR(T2-T1) kifejezéssel. Egyébként ez az univerzális gázállandó fizikai jelentése. Egy mól gáz és egy Kelvin hőmérséklet-különbség esetén az univerzális gázállandó megegyezik az izobár folyamatban végzett munkával.
