Vandaag proberen we het antwoord te vinden op de vraag "Warmteoverdracht is?…". In het artikel zullen we bekijken wat het proces is, welke soorten er in de natuur voorkomen, en ook ontdekken wat de relatie is tussen warmteoverdracht en thermodynamica.
Definitie
Warmteoverdracht is een fysiek proces, waarvan de essentie de overdracht van thermische energie is. De uitwisseling vindt plaats tussen twee lichamen of hun systeem. In dit geval is een eerste vereiste de overdracht van warmte van meer verwarmde lichamen naar minder verwarmde.
Procesfuncties
Warmteoverdracht is hetzelfde type fenomeen dat zowel bij direct contact als bij scheidingswanden kan optreden. In het eerste geval is alles duidelijk, in het tweede geval kunnen lichamen, materialen en media als barrières worden gebruikt. Warmteoverdracht zal optreden in gevallen waarin een systeem bestaande uit twee of meer lichamen niet in een thermisch evenwicht is. Dat wil zeggen, een van de objecten heeft een hogere of lagere temperatuur in vergelijking met de andere. Hier vindt de overdracht van warmte-energie plaats. Het is logisch om aan te nemen dat het zal eindigen wanneerwanneer het systeem in een toestand van thermodynamisch of thermisch evenwicht komt. Het proces vindt spontaan plaats, zoals de tweede wet van de thermodynamica ons kan vertellen.
Beelden
Warmteoverdracht is een proces dat op drie manieren kan worden onderverdeeld. Ze zullen een basiskarakter hebben, aangezien er binnen hen echte subcategorieën kunnen worden onderscheiden, met hun eigen karakteristieke kenmerken en algemene patronen. Tot op heden is het gebruikelijk om drie soorten warmteoverdracht te onderscheiden. Dit zijn geleiding, convectie en straling. Laten we beginnen met de eerste, misschien.
Methoden van warmteoverdracht. Thermische geleidbaarheid
Dit is de naam van de eigenschap van een materieel lichaam om de overdracht van energie uit te voeren. Tegelijkertijd wordt het van het warmere naar het koudere deel overgebracht. Dit fenomeen is gebaseerd op het principe van chaotische beweging van moleculen. Dit is de zogenaamde Brownse beweging. Hoe hoger de temperatuur van het lichaam, hoe actiever de moleculen erin bewegen, omdat ze meer kinetische energie hebben. Elektronen, moleculen, atomen nemen deel aan het proces van warmtegeleiding. Het wordt uitgevoerd in lichamen waarvan de verschillende delen verschillende temperaturen hebben.
Als een stof warmte kan geleiden, kunnen we spreken van de aanwezigheid van een kwantitatief kenmerk. In dit geval wordt zijn rol gespeeld door de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt. Deze eigenschap laat zien hoeveel warmte er per tijdseenheid door eenheidsindicatoren van lengte en oppervlakte gaat. In dit geval zal de lichaamstemperatuur precies 1 K veranderen.
Vroeger werd aangenomen dat warmte-uitwisseling inverschillende lichamen (inclusief de warmteoverdracht van omsluitende structuren) is te wijten aan het feit dat de zogenaamde calorische stromen van het ene deel van het lichaam naar het andere. Niemand vond echter tekenen van het daadwerkelijke bestaan ervan, en toen de moleculair-kinetische theorie zich tot een bepaald niveau ontwikkelde, vergat iedereen na te denken over calorieën, omdat de hypothese onhoudbaar bleek te zijn.
Convectie. Water warmteoverdracht
Deze methode van warmte-energie-uitwisseling wordt opgevat als overdracht door middel van interne stromen. Laten we ons een ketel water voorstellen. Zoals je weet, stijgen de hetere luchtstromen naar de top. En koude, zwaardere zinken naar beneden. Dus waarom zou water anders zijn? Bij haar is het precies hetzelfde. En tijdens zo'n cyclus zullen alle waterlagen, ongeacht hoeveel er zijn, opwarmen totdat een toestand van thermisch evenwicht optreedt. Uiteraard onder bepaalde voorwaarden.
Straling
Deze methode is gebaseerd op het principe van elektromagnetische straling. Het komt van interne energie. We zullen niet veel ingaan op de theorie van thermische straling, we zullen alleen opmerken dat de reden hier ligt in de rangschikking van geladen deeltjes, atomen en moleculen.
Eenvoudige warmtegeleidingsproblemen
Laten we het nu hebben over hoe de berekening van warmteoverdracht er in de praktijk uitziet. Laten we een eenvoudig probleem oplossen met betrekking tot de hoeveelheid warmte. Laten we zeggen dat we een massa water hebben die gelijk is aan een halve kilogram. Initiële watertemperatuur - 0 gradenCelsius, definitief - 100. Laten we de hoeveelheid warmte vinden die door ons is gebruikt om deze massa materie te verwarmen.
Hiervoor hebben we de formule Q=cm(t2-t1) nodig, waarbij Q de hoeveelheid warmte is, c is de soortelijke warmtecapaciteit van water, m is de massa van de stof, t1 is de begintemperatuur, t2 is de eindtemperatuur. Voor water is de waarde van c in tabelvorm. De soortelijke warmtecapaciteit zal gelijk zijn aan 4200 J / kgC. Nu vervangen we deze waarden in de formule. We krijgen dat de hoeveelheid warmte gelijk zal zijn aan 210000 J, of 210 kJ.
De eerste wet van de thermodynamica
Thermodynamica en warmteoverdracht zijn door een aantal wetten met elkaar verbonden. Ze zijn gebaseerd op de wetenschap dat veranderingen in interne energie binnen een systeem op twee manieren kunnen worden bereikt. De eerste is mechanisch werk. De tweede is de communicatie van een bepaalde hoeveelheid warmte. Overigens is de eerste wet van de thermodynamica gebaseerd op dit principe. Hier is de formulering: als een bepaalde hoeveelheid warmte aan het systeem werd gegeven, zal het worden besteed aan het doen van werk aan externe lichamen of aan het verhogen van de interne energie. Wiskundige notatie: dQ=dU + dA.
Voor- of nadelen?
Absoluut alle grootheden die zijn opgenomen in de wiskundige notatie van de eerste wet van de thermodynamica kunnen zowel met een plusteken als met een minteken worden geschreven. Bovendien zal hun keuze worden bepaald door de voorwaarden van het proces. Neem aan dat het systeem een bepaalde hoeveelheid warmte ontvangt. In dit geval worden de lichamen erin warm. Daarom is er een uitzetting van het gas, wat betekent dat:er wordt gewerkt. Als gevolg hiervan zullen de waarden positief zijn. Als de hoeveelheid warmte wordt weggenomen, koelt het gas af en wordt eraan gewerkt. De waarden worden omgekeerd.
Alternatieve formulering van de eerste wet van de thermodynamica
Stel dat we een intermitterende motor hebben. Daarin voert het werkende lichaam (of systeem) een circulair proces uit. Het wordt gewoonlijk een cyclus genoemd. Hierdoor keert het systeem terug naar de oorspronkelijke staat. Het zou logisch zijn om aan te nemen dat in dit geval de verandering in interne energie gelijk zal zijn aan nul. Het blijkt dat de hoeveelheid warmte gelijk zal zijn aan het verrichte werk. Deze bepalingen stellen ons in staat om de eerste wet van de thermodynamica op een andere manier te formuleren.
Hieruit kunnen we begrijpen dat een perpetuum mobile van de eerste soort niet in de natuur kan bestaan. Dat wil zeggen, een apparaat dat in een grotere hoeveelheid werkt in vergelijking met de energie die van buitenaf wordt ontvangen. In dit geval moeten acties periodiek worden uitgevoerd.
Eerste wet van de thermodynamica voor isoprocessen
Laten we beginnen met het isochore proces. Het houdt het volume constant. Dit betekent dat de verandering in volume nul zal zijn. Daarom zal de arbeid ook gelijk zijn aan nul. Laten we deze term uit de eerste wet van de thermodynamica schrappen, waarna we de formule dQ=dU krijgen. Dit betekent dat in een isochoor proces alle warmte die aan het systeem wordt toegevoerd, gaat om de interne energie van het gas of mengsel te verhogen.
Laten we het nu hebben over het isobare proces. De druk blijft constant. In dit geval zal de interne energie parallel met het werk veranderen. Hier is de originele formule: dQ=dU + pdV. Het uitgevoerde werk kunnen we eenvoudig berekenen. Het zal gelijk zijn aan de uitdrukking uR(T2-T1). Dit is trouwens de fysieke betekenis van de universele gasconstante. In de aanwezigheid van één mol gas en een temperatuurverschil van één Kelvin, zal de universele gasconstante gelijk zijn aan de arbeid die wordt verricht in een isobaar proces.
