Термодинаміка і теплопередача. Способи теплопередачі і розрахунок. Теплопередача - це

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, яка зв'язок між теплопередачею і термодинамікою.

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 розділяючих перегородок. У першому випадку все зрозуміло, у другому ж в якості перешкод можуть бути використані тіла, матеріали, середовища. Теплопередача буде відбуватися у випадках, якщо система, що складається з двох або більше тіл, не знаходиться в стані теплової рівноваги. Тобто, один з об'єктів має більшу або меншу температуру порівняно 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 мимовільно, про що нам може розповісти другий початок термодинаміки.

Види

Теплопередача - це процес, який можна розділити на три способу. Вони будуть мати основну природу, оскільки всередині них можна виділити справжні підкатегорії, які мають свої характерні особливості нарівні із загальними закономірностями. На сьогоднішній день прийнято виділяти три види теплопередачі. Це теплопровідність, конвекція і випромінювання. Почнемо з першої, мабуть.

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 володіють більшою кінетичною енергією. 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 відіграє коефіцієнт теплопровідності. Ця характеристика показує, яка кількість теплоти пройде через одиничні 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 теплорода. Проте ознак його дійсного існування ніхто так і не знайшов, а коли молекулярно-кінетична теорія розвинулася до певного рівня, про теплорода все і думати забули, оскільки гіпотеза виявилася 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 нагору. А холодні, більш важкі, опускаються вниз. Так чому ж з водою все має бути інакше? З нею все абсолютно так само. І ось в процесі такого циклу всі шари води, скільки б їх не було, нагріються до настання стану теплової рівноваги. В певних умовах, звичайно.

Випромінювання

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

Прості задачі 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 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 знадобиться формула Q = cm(t 2 -t 1 ), де Q – кількість теплоти, c – питома теплоємність води, m – маса речовини, t 1 – початкова, t 2 – кінцева температура. Для води значення c носить табличний характер. Питома теплоємність дорівнює 4200 Дж/кг*Ц. Тепер підставляємо ці значення в формулу. Одержимо, що кількість теплоти буде одно 210000 Дж, або 210 кДж.

Перше початок термодинаміки

Термодинаміка і теплопередача пов'язані між собою деякими законами. У їх основі - знання про те, що зміни внутрішньої енергії всередині системи можна досягти за допомогою двох способів. Перший - здійснення 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 чи мінуси?

Абсолютно всі величини, які входять у математичну 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 деяку кількість теплоти. У такому разі тіла в ній нагріваються. Отже, відбувається розширення газу, а значить, відбувається робота. У підсумку величини будуть позитивними. Якщо ж кількість теплоти забирають, 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 система) здійснюють круговий процес. Його прийнято називати циклом. У підсумку система повернеться до первісного стану. Логічно було б припустити, що в такому випадку зміна внутрішньої енергії буде рівним нулю. Виходить, що кількість теплоти одно стане досконалою 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, яке здійснює роботу в більшій кількості в порівнянні з отриманої ззовні енергією. При цьому дії повинні відбуватися періодично.

Перше начало термодинаміки для изопроцессов

Розглянемо для початку изохорический процес. При ньому обсяг залишається постійним. А значить, зміна обсягу буде дорівнює нулю. Отже, робота так само буде дорівнює нулю. Викинемо це доданок з першого початку термодинаміки, після чого отримаємо формулу dQ = dU. Отже, при изохорическом процесі все тепло, підведене до системі, йде на збільшення внутрішньої енергії газу або суміші. Тепер поговоримо про ізобаричному 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 чинену роботу. Вона буде дорівнює висловом uR(T 2 -T 1 ). До речі, це є фізичний зміст універсальної газової сталої. При наявності одного моля газу і різниці температур, що становить один Кельвін, універсальна газова стала дорівнює роботі, яка виконується при ізобаричному процесі.