امروز سعی خواهیم کرد پاسخ سوال "انتقال گرما است؟…" را پیدا کنیم. در این مقاله به بررسی این فرآیند خواهیم پرداخت، چه نوع هایی از آن در طبیعت وجود دارد و همچنین خواهیم فهمید که چه رابطه ای بین انتقال حرارت و ترمودینامیک وجود دارد.
تعریف
انتقال حرارت یک فرآیند فیزیکی است که ماهیت آن انتقال انرژی حرارتی است. تبادل بین دو بدن یا سیستم آنها صورت می گیرد. در این صورت، پیش نیاز انتقال گرما از اجسام گرمتر به اجسام با حرارت کمتر خواهد بود.
ویژگی های فرآیند
انتقال حرارت همان نوع پدیده ای است که می تواند هم با تماس مستقیم و هم با جداسازی پارتیشن ها رخ دهد. در حالت اول، همه چیز مشخص است؛ در مورد دوم، بدنه ها، مواد و رسانه ها می توانند به عنوان مانع استفاده شوند. انتقال حرارت در مواردی اتفاق می افتد که سیستمی متشکل از دو یا چند جسم در حالت تعادل حرارتی نباشد. یعنی یکی از اجسام در مقایسه با دیگری دمای بالاتر یا کمتری دارد. این جایی است که انتقال انرژی گرمایی انجام می شود. منطقی است که فرض کنیم چه زمانی تمام می شودهنگامی که سیستم به حالت تعادل ترمودینامیکی یا حرارتی می رسد. همانطور که قانون دوم ترمودینامیک می تواند به ما بگوید، این فرآیند به طور خود به خود اتفاق می افتد.
بازدید
انتقال حرارت فرآیندی است که می توان آن را به سه روش تقسیم کرد. آنها ماهیت اساسی خواهند داشت، زیرا در درون آنها می توان زیرمجموعه های واقعی را متمایز کرد که ویژگی های مشخصه خود را همراه با الگوهای کلی دارند. تا به امروز، مرسوم است که سه نوع انتقال حرارت را تشخیص دهیم. اینها رسانایی، همرفت و تابش هستند. شاید با اولی شروع کنیم.
روشهای انتقال حرارت. هدایت حرارتی
این نام خاصیت یک جسم مادی برای انجام انتقال انرژی است. در عین حال از قسمت گرمتر به قسمت سردتر منتقل می شود. این پدیده بر اساس اصل حرکت آشفته مولکول ها است. این حرکت به اصطلاح براونی است. هر چه دمای بدن بالاتر باشد، مولکول‌ها فعال‌تر در آن حرکت می‌کنند، زیرا انرژی جنبشی بیشتری دارند. الکترون ها، مولکول ها، اتم ها در فرآیند انتقال گرما شرکت می کنند. در اجسامی انجام می‌شود که قسمت‌های مختلف آن دماهای متفاوتی دارند.
اگر ماده ای قادر به هدایت گرما باشد، می توانیم در مورد وجود یک مشخصه کمی صحبت کنیم. در این مورد، نقش آن توسط ضریب هدایت حرارتی ایفا می شود. این مشخصه نشان می دهد که چه مقدار گرما از شاخص های واحد طول و مساحت در واحد زمان عبور می کند. در این حالت دمای بدن دقیقاً 1 K تغییر می کند.
قبلاً اعتقاد بر این بود که تبادل حرارت دراجسام مختلف (از جمله انتقال حرارت ساختارهای محصور) به این دلیل است که به اصطلاح کالری از یک قسمت بدن به قسمت دیگر جریان می یابد. با این حال، هیچ کس نشانه‌هایی از وجود واقعی آن پیدا نکرد، و وقتی نظریه مولکولی-سینتیکی به سطح معینی رسید، همه فراموش کردند که در مورد کالری فکر کنند، زیرا این فرضیه غیرقابل دفاع بود.
همرفت. انتقال حرارت آب
این روش تبادل انرژی گرمایی به عنوان انتقال از طریق جریان های داخلی درک می شود. بیایید یک کتری آب را تصور کنیم. همانطور که می دانید جریان هوای گرمتر به سمت بالا افزایش می یابد. و سرد و سنگین تر فرو می روند. پس چرا آب باید متفاوت باشد؟ در مورد او دقیقاً همین طور است. و در فرآیند چنین چرخه ای، تمام لایه های آب، مهم نیست که چقدر وجود داشته باشد، تا زمانی که یک حالت تعادل حرارتی رخ دهد، گرم می شود. البته تحت شرایط خاصی.
تابش
این روش بر اساس اصل تابش الکترومغناطیسی است. از انرژی درونی می آید. ما زیاد وارد نظریه تابش حرارتی نخواهیم شد، فقط به این نکته اشاره خواهیم کرد که دلیل اینجا در آرایش ذرات باردار، اتم ها و مولکول ها نهفته است.
مشکلات ساده هدایت گرما
حالا بیایید در مورد نحوه محاسبه انتقال حرارت در عمل صحبت کنیم. بیایید یک مشکل ساده مربوط به میزان گرما را حل کنیم. فرض کنید جرم آب برابر با نیم کیلوگرم است. دمای اولیه آب - 0 درجهدرجه سانتیگراد، نهایی - 100. بیایید مقدار گرمای صرف شده توسط ما برای گرم کردن این جرم ماده را پیدا کنیم.
برای این ما به فرمول Q=cm (t2-t1 نیاز داریم)، که در آن Q مقدار گرما است، c ظرفیت گرمایی ویژه آب، m جرم ماده، t1 دمای اولیه، t2 دمای نهایی است.. برای آب، مقدار c به صورت جدولی است. ظرفیت گرمایی ویژه برابر با 4200 J/kgC خواهد بود. اکنون این مقادیر را در فرمول جایگزین می کنیم. دریافت می کنیم که مقدار گرما برابر با 210000 ژول یا 210 کیلوژول خواهد بود.
قانون اول ترمودینامیک
ترمودینامیک و انتقال حرارت توسط برخی قوانین به هم مرتبط هستند. آنها بر اساس این دانش هستند که تغییرات در انرژی داخلی در یک سیستم را می توان به دو روش به دست آورد. اولین مورد کار مکانیکی است. دوم، ارتباط مقدار معینی از گرما است. به هر حال، قانون اول ترمودینامیک بر این اصل استوار است. فرمول آن این است: اگر مقدار معینی گرما به سیستم منتقل شود، صرف انجام کار روی اجسام خارجی یا افزایش انرژی درونی آن می شود. نماد ریاضی: dQ=dU + dA.
مزایا یا معایب؟
کاملاً تمام کمیت هایی که در نماد ریاضی قانون اول ترمودینامیک گنجانده شده اند را می توان هم با علامت "به علاوه" و هم با علامت "منفی" نوشت. علاوه بر این، انتخاب آنها توسط شرایط فرآیند تعیین می شود. فرض کنید که سیستم مقداری گرما دریافت می کند. در این صورت اجسام موجود در آن گرم می شوند. بنابراین، انبساط گاز وجود دارد، به این معنی کهکار در حال انجام است. در نتیجه، مقادیر مثبت خواهند بود. اگر مقدار حرارت از بین برود، گاز خنک می شود و کار روی آن انجام می شود. مقادیر معکوس خواهند شد.
فرمول بندی جایگزین قانون اول ترمودینامیک
فرض کنید یک موتور متناوب داریم. در آن، بدن (یا سیستم) کار یک فرآیند دایره ای را انجام می دهد. معمولاً به آن چرخه می گویند. در نتیجه سیستم به حالت اولیه خود باز خواهد گشت. منطقی است که فرض کنیم در این حالت تغییر انرژی درونی برابر با صفر خواهد بود. معلوم می شود که مقدار گرما برابر با کار انجام شده خواهد بود. این مقررات به ما این امکان را می دهد که قانون اول ترمودینامیک را به روشی متفاوت فرموله کنیم.
از آن می توان فهمید که یک ماشین حرکت دائمی از نوع اول نمی تواند در طبیعت وجود داشته باشد. یعنی دستگاهی که در مقایسه با انرژی دریافتی از خارج، مقدار بیشتری کار می کند. در این مورد، اقدامات باید به صورت دوره ای انجام شوند.
اولین قانون ترمودینامیک برای ایزوفرایندها
بیایید با فرآیند ایزوکوریک شروع کنیم. صدا را ثابت نگه می دارد. این به این معنی است که تغییر در حجم صفر خواهد بود. بنابراین کار نیز برابر با صفر خواهد بود. اجازه دهید این عبارت را از قانون اول ترمودینامیک حذف کنیم، پس از آن فرمول dQ=dU را به دست می آوریم. این بدان معناست که در یک فرآیند ایزوکوریک، تمام گرمای عرضه شده به سیستم برای افزایش انرژی داخلی گاز یا مخلوط می رود.
حالا بیایید در مورد فرآیند ایزوباریک صحبت کنیم. فشار ثابت می ماند.در این صورت انرژی درونی به موازات کار تغییر خواهد کرد. فرمول اصلی اینجاست: dQ=dU + pdV. ما به راحتی می توانیم کار انجام شده را محاسبه کنیم. برابر با عبارت uR (T2-T1) خواهد بود. به هر حال، این معنای فیزیکی ثابت گاز جهانی است. در حضور یک مول گاز و اختلاف دما یک کلوین، ثابت گاز جهانی برابر با کار انجام شده در یک فرآیند همسان خواهد بود.
