Püüame täna leida vastuse küsimusele “Soojusülekanne on?..”. Artiklis vaatleme, mis see protsess endast kujutab, mis tüüpi see looduses eksisteerib, ning uurime ka, milline on seos soojusülekande ja termodünaamika vahel.
Definitsioon
Soojusülekanne on füüsiline protsess, mille olemus on soojusenergia ülekandmine. Vahetus toimub kahe keha või nende süsteemi vahel. Sel juhul on eeltingimuseks soojuse ülekandmine rohkem kuumenenud kehadelt vähem kuumutatud kehadele.
Protsessi funktsioonid
Soojusülekanne on sama tüüpi nähtus, mis võib ilmneda nii otsesel kokkupuutel kui ka eraldavate vaheseintega. Esimesel juhul on kõik selge, teisel juhul saab barjäärina kasutada kehasid, materjale ja meediat. Soojusülekanne toimub juhtudel, kui kahest või enamast kehast koosnev süsteem ei ole termilises tasakaalus. See tähendab, et ühel objektil on teisega võrreldes kõrgem või madalam temperatuur. Siin toimub soojusenergia ülekanne. Loogiline on eeldada, et millal see lõpebkui süsteem jõuab termodünaamilise või termilise tasakaalu olekusse. Protsess toimub spontaanselt, nagu termodünaamika teine seadus võib meile öelda.
Vaatused
Soojusülekanne on protsess, mille saab jagada kolmeks. Neil on põhiline olemus, kuna nende sees saab eristada tõelisi alamkategooriaid, millel on oma iseloomulikud tunnused koos üldiste mustritega. Praeguseks on tavaks eristada kolme tüüpi soojusülekannet. Need on juhtivus, konvektsioon ja kiirgus. Alustame ehk esimesest.
Soojusülekande meetodid. Soojusjuhtivus
See on materiaalse keha omaduse nimi energia ülekandmiseks. Samal ajal kandub see kuumemast osast külmemale. See nähtus põhineb molekulide kaootilise liikumise põhimõttel. See on nn Browni liikumine. Mida kõrgem on keha temperatuur, seda aktiivsem alt molekulid selles liiguvad, kuna neil on rohkem kineetiline energia. Elektronid, molekulid, aatomid osalevad soojusjuhtivuse protsessis. Seda tehakse kehades, mille erinevatel osadel on erinev temperatuur.
Kui aine on võimeline soojust juhtima, võime rääkida kvantitatiivse tunnuse olemasolust. Sel juhul mängib selle rolli soojusjuhtivuse koefitsient. See karakteristik näitab, kui palju soojust läbib pikkuse ja pindala ühikunäitajaid ajaühikus. Sel juhul muutub kehatemperatuur täpselt 1 K võrra.
Varem arvati, et soojusvahetus sisseerinevad kehad (sealhulgas ümbritsevate konstruktsioonide soojusülekanne) on tingitud sellest, et nn kalorsus liigub ühest kehaosast teise. Kuid keegi ei leidnud märke selle tegelikust olemasolust ja kui molekulaarkineetiline teooria arenes teatud tasemeni, unustasid kõik kalorite peale mõelda, kuna hüpotees osutus alusetuks.
Konvektsioon. Vee soojusülekanne
Seda soojusenergia vahetamise meetodit mõistetakse ülekandmisena sisevoolude abil. Kujutagem ette veekeetjat. Teatavasti tõusevad kuumemad õhuvoolud tippu. Ja külmad, raskemad vajuvad alla. Miks peaks vesi olema teistsugune? Temaga on täpselt samamoodi. Ja sellise tsükli käigus kuumenevad kõik veekihid, olenemata sellest, kui palju neid on, kuni soojusliku tasakaaluni. Teatud tingimustel muidugi.
Kiirgus
See meetod põhineb elektromagnetilise kiirguse põhimõttel. See tuleb sisemisest energiast. Me ei lasku palju soojuskiirguse teooriasse, märgime lihts alt, et põhjus peitub siin laetud osakeste, aatomite ja molekulide paigutuses.
Lihtsad soojusjuhtivusprobleemid
Räägime nüüd sellest, kuidas soojusülekande arvutamine praktikas välja näeb. Lahendame lihtsa soojushulgaga seotud ülesande. Oletame, et meie vee mass on võrdne poole kilogrammiga. Vee esialgne temperatuur - 0 kraadiCelsiuse järgi, lõplik – 100. Leiame soojushulga, mille kulutame selle ainemassi soojendamiseks.
Selleks vajame valemit Q=cm(t2-t1), kus Q on soojushulk, c on vee erisoojusmahtuvus, m on aine mass, t1 on algtemperatuur, t2 on lõpptemperatuur. Vee puhul on c väärtus tabelina. Erisoojusvõimsus on 4200 J / kgC. Nüüd asendame need väärtused valemiga. Saame, et soojushulk võrdub 210000 J ehk 210 kJ.
Termodünaamika esimene seadus
Termodünaamika ja soojusülekanne on omavahel seotud teatud seadustega. Need põhinevad teadmisel, et muutusi süsteemi sisemises energias on võimalik saavutada kahel viisil. Esimene on mehaaniline töö. Teine on teatud koguse soojuse edastamine. Muide, termodünaamika esimene seadus põhineb sellel põhimõttel. Siin on selle sõnastus: kui süsteemile anti teatud kogus soojust, kulub see väliskehadega töötamiseks või sisemise energia suurendamiseks. Matemaatiline tähistus: dQ=dU + dA.
Pussid või miinused?
Absoluutselt kõik suurused, mis sisalduvad termodünaamika esimese seaduse matemaatilises tähises, saab kirjutada nii pluss- kui miinusmärgiga. Lisaks määravad nende valiku protsessi tingimused. Oletame, et süsteem saab teatud koguse soojust. Sellisel juhul kuumenevad selles olevad kehad. Seetõttu toimub gaasi paisumine, mis tähendab, ettööd tehakse. Selle tulemusena on väärtused positiivsed. Kui soojushulk ära võtta, siis gaas jahtub ja sellega tehakse tööd. Väärtused pööratakse ümber.
Termodünaamika esimese seaduse alternatiivne sõnastus
Oletame, et meil on mingi katkendlik mootor. Selles teostab töökeha (või süsteem) ringikujulist protsessi. Tavaliselt nimetatakse seda tsükliks. Selle tulemusena naaseb süsteem algsesse olekusse. Loogiline oleks eeldada, et sel juhul on siseenergia muutus võrdne nulliga. Selgub, et soojushulk võrdub tehtud tööga. Need sätted võimaldavad meil sõnastada termodünaamika esimese seaduse teistsugusel viisil.
Sellest saame aru, et esimest tüüpi igiliikur ei saa looduses eksisteerida. See tähendab, et seade, mis töötab väljastpoolt saadava energiaga võrreldes suuremas koguses. Sel juhul tuleb toiminguid teha perioodiliselt.
Isoprotsesside termodünaamika esimene seadus
Alustame isohoorilisest protsessist. See hoiab helitugevust konstantsena. See tähendab, et helitugevuse muutus on null. Seetõttu on töö ka võrdne nulliga. Jätame selle termini termodünaamika esimesest seadusest kõrvale, mille järel saame valemi dQ=dU. See tähendab, et isohoorilises protsessis läheb kogu süsteemi antav soojus gaasi või segu siseenergia suurendamiseks.
Räägime nüüd isobaarilisest protsessist. Rõhk jääb konstantseks. Sel juhul muutub siseenergia paralleelselt tööga. Siin on algne valem: dQ=dU + pdV. Saame tehtud tööd lihts alt välja arvutada. See võrdub avaldisega uR(T2-T1). Muide, see on universaalse gaasikonstandi füüsikaline tähendus. Ühe mooli gaasi ja ühe kelvini suuruse temperatuurierinevuse juuresolekul on universaalne gaasikonstant võrdne isobaarises protsessis tehtud tööga.
