Termodinàmica i transferència de calor. Mètodes de transferència i càlcul de calor. La transferència de calor és ...

Avui intentarem trobar la resposta a la pregunta "La transferència de calor és ...?". En l'article considerarem quin és el procés, quins tipus existeix a la natura, i també aprenem quina és la relació entre transferència de calor i termodinàmica.

Definició

La transferència de calor és un procés físic, l'essència del qual és la transferència d' energia tèrmica. L'intercanvi es produeix entre dos cossos o el seu sistema. Al mateix temps, la transferència de calor des dels cossos més càlids fins als cossos menys escalfats és un requisit previ.

Característiques del procés

La transferència de calor és el tipus de fenomen que es pot produir tant en contacte directe com en la presència de particions divisòries. En el primer cas, tot és clar, en el segon cas, els cossos, materials i mitjans es poden utilitzar com a barreres. La transferència de calor es produirà en els casos en què un sistema format per dos o més cossos no estigui en un estat d'equilibri tèrmic. És a dir, un dels objectes té una temperatura superior o inferior a l'altra. Després es produeix la transferència d'energia tèrmica. És lògic suposar que acabarà quan el sistema arribi a un estat d'equilibri termodinàmic o tèrmic. El procés és espontani, ja que podem dir la segona llei de la termodinàmica.

Tipus

La transferència de calor és un procés que es pot dividir en tres maneres. Seran de naturalesa bàsica, ja que dins d'elles es poden distingir subcategories reals, que tenen característiques pròpies a la par amb les lleis generals. Fins ara, és habitual distingir tres tipus de transferència de calor. Es tracta de conductivitat tèrmica, convecció i radiació. Comencem amb el primer, potser.

Formes de transferència de calor. Conductivitat tèrmica.

Així és com s'anomena la propietat d'aquest o aquell cos material per realitzar la transferència d'energia. En aquest cas, es transfereix de la part més calenta a la que és més freda. En el fons d'aquest fenomen hi ha el principi del moviment caòtic de les molècules. Aquest és l'anomenat moviment brownià. Com més alta sigui la temperatura del cos, més actiu es mouen les molècules, ja que tenen més energia cinètica. En el procés de conductivitat tèrmica, participen electrons, molècules i àtoms. Es realitza en cossos, diferents parts dels quals tenen una temperatura desigual.

Si la substància és capaç de realitzar calor, podem parlar de la presència d'una característica quantitativa. En aquest cas, el seu paper és el coeficient de conductivitat tèrmica. Aquesta característica mostra la quantitat de calor que passarà a través de la unitat de longitud i àrea per unitat de temps. En aquest cas, la temperatura del cos canviarà exactament per 1 K.

Anteriorment, es creia que l'intercanvi de calor en diversos cossos (inclosa la transferència de calor de les estructures de tancament) es deu al fet que d'una part del cos a l'altre flueix el anomenat calor. No obstant això, ningú no va trobar cap senyal de la seva existència real, i quan la teoria cinètica molecular es va desenvolupar fins a cert nivell, tothom es va oblidar de pensar sobre la calor, ja que la hipòtesi va resultar insostenible.

Convecció. Transferència tèrmica d'aigua

Mitjançant aquest mètode d'intercanvi de calor, s'entén la transmissió per fluxos interns. Imaginem una tetera amb aigua. Com se sap, els fluxos d'aire més escalfats augmenten cap amunt. I el fred, més pesat, cau. Llavors, per què l'aigua hauria de ser diferent? És absolutament igual amb ella. I ara en el procés d'aquest cicle, totes les capes d'aigua, no importa quantes, s'escalfaran abans de l'inici de l'estat de l'equilibri tèrmic. En certes condicions, és clar.

Radiació

Aquest mètode consisteix en el principi de la radiació electromagnètica. Es deu a l'energia interna. No entrarem en la teoria de la radiació tèrmica , només hem de tenir en compte que la raó aquí és l'ordenació de partícules, àtoms i molècules carregades.

Problemes simples de conducció de calor

Ara parlem de com es fa el càlcul de la transferència de calor a la pràctica. Anem a resoldre una tasca senzilla relacionada amb la quantitat de calor. Suposem que tenim una massa d'aigua igual a mig quilogram. La temperatura inicial de l'aigua és de 0 graus Celsius, la temperatura final és de 100. Trobarem la quantitat de calor que gastem per escalfar aquesta massa de matèria.

Per això necessitem la fórmula Q = cm (t ₂ -t ₁ ), on Q és la quantitat de calor, c és la calor específica de l'aigua, m és la massa de la substància, t ₁ és la inicial, t ₂ és la temperatura final. Per a l'aigua, el valor de c és tabular. La capacitat calorífica específica serà de 4200 J / kg * C. Ara substitueu aquests valors a la fórmula. Anem a tenir que la quantitat de calor serà igual a 210000 J, o 210 kJ.

La primera llei de la termodinàmica

La termodinàmica i la transferència de calor estan relacionades entre si mitjançant determinades lleis. Es basen en el coneixement que els canvis en l'energia interna dins del sistema es poden aconseguir mitjançant dos mètodes. El primer: el compliment del treball mecànic. El segon és el missatge d'una certa quantitat de calor. Per cert, aquest principi es basa en la primera llei de la termodinàmica. Heus aquí la seva redacció: si el sistema ha estat informat d'una certa quantitat de calor, es dedicarà a fer treballs en organismes externs oa augmentar la seva energia interna. Notació matemàtica: dQ = dU + dA.

Pros o contres?

Absolutament totes les quantitats que entren en la notació matemàtica de la primera llei de la termodinàmica es poden escriure amb un signe més i un signe menys. I la seva elecció serà dictada per les condicions del procés. Suposem que el sistema rep una certa quantitat de calor. En aquest cas, els cossos en ella s'escalfa. En conseqüència, es produeix l'expansió del gas, el que significa que s'està treballant. Com a resultat, els valors seran positius. Si es treu la quantitat de calor, el gas es refreda, el treball es realitza per sobre d'ell. Els valors tindran valors oposats.

Formulació alternativa de la primera llei de la termodinàmica

Suposem que tenim un motor periòdicament actiu. En ella, el cos o el sistema operatiu realitza un procés circular. Se sol anomenar un cicle. Com a resultat, el sistema tornarà al seu estat original. Seria lògic suposar que en aquest cas el canvi d'energia interna serà zero. Resulta que la quantitat de calor serà igual al treball perfecte. Aquestes disposicions permeten formular de manera diferent la primera llei de la termodinàmica.

A partir d'això, podem comprendre que, en la natura, no hi pot haver una màquina de moviment perpètua de primer tipus. És a dir, un dispositiu que més treballa en comparació amb l'energia rebuda des de fora. En aquest cas, les accions s'han de fer periòdicament.

La primera llei de termodinàmica per a isoprocessos

Considerem primer el procés isoacròpic. Amb ell, el volum roman constant. Així, el canvi de volum serà zero. En conseqüència, el treball també serà zero. Abandonem aquest terme des de la primera llei de la termodinàmica, després de la qual cosa obtenim la fórmula dQ = dU. Per tant, en un procés isoacròpic, tota la calor subministrada al sistema augmenta l'energia interna del gas o la barreja.

Ara parlem del procés isobàric. El valor constant en ell continua sent la pressió. En aquest cas, l'energia interna canviarà paral·lelament al treball. Aquí teniu la fórmula original: dQ = dU + pdV. Es pot calcular fàcilment el treball realitzat. Serà igual a l'expressió uR (T ₂ -T ₁ ). Per cert, aquest és el significat físic de la constant de gas universal. En presència d'una mol de gas i una diferència de temperatura d'un Kelvin, la constant de gas universal serà igual a la del treball realitzat en el procés isobàric.