วันนี้เราจะพยายามหาคำตอบของคำถามว่า “การถ่ายเทความร้อนคือ?..” ในบทความ เราจะพิจารณาว่ากระบวนการคืออะไร มีประเภทใดในธรรมชาติ และยังหาความสัมพันธ์ระหว่างการถ่ายเทความร้อนกับอุณหพลศาสตร์ได้อย่างไร
คำจำกัดความ
การถ่ายเทความร้อนเป็นกระบวนการทางกายภาพ สาระสำคัญคือการถ่ายเทพลังงานความร้อน การแลกเปลี่ยนเกิดขึ้นระหว่างสองร่างหรือระบบของพวกเขา ในกรณีนี้ ข้อกำหนดเบื้องต้นคือการถ่ายเทความร้อนจากวัตถุที่ให้ความร้อนมากกว่าไปยังวัตถุที่มีความร้อนน้อยกว่า
คุณสมบัติกระบวนการ
การถ่ายเทความร้อนเป็นปรากฏการณ์ประเภทเดียวกันที่สามารถเกิดขึ้นได้ทั้งโดยการสัมผัสโดยตรงและด้วยการแบ่งพาร์ติชัน ในกรณีแรกทุกอย่างชัดเจน ประการที่สอง ร่างกาย วัสดุและสื่อสามารถใช้เป็นอุปสรรคได้ การถ่ายเทความร้อนจะเกิดขึ้นในกรณีที่ระบบที่ประกอบด้วยวัตถุตั้งแต่สองตัวขึ้นไปไม่อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน นั่นคือวัตถุหนึ่งมีอุณหภูมิสูงหรือต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับวัตถุอื่น นี่คือที่ที่เกิดการถ่ายโอนพลังงานความร้อน เป็นตรรกะที่จะถือว่ามันจะจบลงเมื่อเมื่อระบบเข้าสู่สภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์หรือสมดุลทางความร้อน กระบวนการนี้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เนื่องจากกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สามารถบอกเราได้
ดู
การถ่ายเทความร้อนเป็นกระบวนการที่สามารถแบ่งออกเป็นสามวิธี พวกเขาจะมีลักษณะพื้นฐานเนื่องจากภายในหมวดหมู่ย่อยที่แท้จริงสามารถแยกแยะได้โดยมีคุณลักษณะเฉพาะของตนเองพร้อมกับรูปแบบทั่วไป จนถึงปัจจุบัน เป็นเรื่องปกติที่จะแยกแยะความแตกต่างของการถ่ายเทความร้อนสามประเภท คือการนำ การพาความร้อน และการแผ่รังสี เริ่มกันที่อย่างแรกเลยบางที
วิธีการถ่ายเทความร้อน. การนำความร้อน
นี่คือชื่อของคุณสมบัติของวัตถุเพื่อดำเนินการถ่ายโอนพลังงาน ในเวลาเดียวกัน มันถูกถ่ายโอนจากส่วนที่ร้อนกว่าไปยังส่วนที่เย็นกว่า ปรากฏการณ์นี้ขึ้นอยู่กับหลักการของการเคลื่อนที่แบบโกลาหลของโมเลกุล นี่คือการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนที่เรียกว่า ยิ่งอุณหภูมิของร่างกายสูงขึ้น โมเลกุลก็ยิ่งเคลื่อนไหวมากขึ้น เนื่องจากมีพลังงานจลน์มากขึ้น อิเล็กตรอน โมเลกุล อะตอม มีส่วนร่วมในกระบวนการนำความร้อน ดำเนินการในร่างกาย ส่วนต่าง ๆ ซึ่งมีอุณหภูมิแตกต่างกัน
หากสารสามารถนำความร้อนได้ เราสามารถพูดถึงการมีอยู่ของคุณลักษณะเชิงปริมาณได้ ในกรณีนี้ สัมประสิทธิ์การนำความร้อนมีบทบาทมีบทบาท ลักษณะนี้แสดงให้เห็นว่าความร้อนจะไหลผ่านหน่วยวัดความยาวและพื้นที่เท่าใดต่อหน่วยเวลา ในกรณีนี้อุณหภูมิของร่างกายจะเปลี่ยนไป 1 K.
เมื่อก่อนเชื่อกันว่าการแลกเปลี่ยนความร้อนในร่างกายต่างๆ (รวมถึงการถ่ายเทความร้อนของโครงสร้างที่ปิดล้อม) เกิดจากความจริงที่ว่าแคลอรี่ที่เรียกว่าไหลจากส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกายไปยังอีกส่วนหนึ่ง อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีใครพบสัญญาณของการมีอยู่จริงของมัน และเมื่อทฤษฎีโมเลกุล-จลนศาสตร์พัฒนาขึ้นถึงระดับหนึ่ง ทุกคนก็ลืมคิดถึงเรื่องแคลอรี่ เนื่องจากสมมติฐานนั้นไม่สามารถป้องกันได้
พา. การถ่ายเทความร้อนด้วยน้ำ
วิธีการแลกเปลี่ยนพลังงานความร้อนนี้เข้าใจว่าเป็นการถ่ายเทโดยวิธีการไหลภายใน ลองนึกภาพกาต้มน้ำ ดังที่คุณทราบกระแสลมที่ร้อนขึ้นจะลอยขึ้นไปบนสุด และสิ่งที่เย็นกว่าและหนักกว่าก็จมลง เหตุใดน้ำจึงควรแตกต่างกัน มันก็เหมือนกันกับเธอ และในกระบวนการของวัฏจักรดังกล่าว น้ำทุกชั้นไม่ว่าจะมีกี่ชั้นก็จะร้อนขึ้นจนเกิดสภาวะสมดุลทางความร้อน ภายใต้เงื่อนไขบางประการแน่นอน
การแผ่รังสี
วิธีนี้ใช้หลักการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า มันมาจากพลังงานภายใน เราจะไม่พูดถึงทฤษฎีการแผ่รังสีความร้อนมากนัก เราจะสังเกตง่ายๆ ว่าเหตุผลอยู่ที่การจัดเรียงอนุภาค อะตอม และโมเลกุลที่มีประจุ
ปัญหาการนำความร้อนอย่างง่าย
ตอนนี้ เรามาพูดถึงวิธีการคำนวณการถ่ายเทความร้อนในทางปฏิบัติกัน มาแก้ปัญหาง่ายๆ เกี่ยวกับปริมาณความร้อนกัน สมมุติว่าเรามีมวลน้ำเท่ากับครึ่งกิโลกรัม อุณหภูมิน้ำเริ่มต้น - 0 องศาเซลเซียสสุดท้าย - 100 หาปริมาณความร้อนที่เราใช้ในการทำให้มวลนี้ร้อนขึ้น
สำหรับสิ่งนี้ เราต้องการสูตร Q=cm(t2-t1) โดยที่ Q คือปริมาณความร้อน c คือความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ m คือมวลของสาร t1 คืออุณหภูมิเริ่มต้น t2 คืออุณหภูมิสุดท้าย. สำหรับน้ำ ค่าของ c เป็นตาราง ความจุความร้อนจำเพาะจะเท่ากับ 4200 J / kgC ตอนนี้เราแทนที่ค่าเหล่านี้ลงในสูตร เราได้รับปริมาณความร้อนเท่ากับ 210000 J หรือ 210 kJ.
กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์
อุณหพลศาสตร์และการถ่ายเทความร้อนเชื่อมต่อกันโดยกฎหมายบางฉบับ โดยอาศัยความรู้ที่ว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในภายในระบบสามารถทำได้สองวิธี ประการแรกคืองานเครื่องกล ประการที่สองคือการสื่อสารของความร้อนจำนวนหนึ่ง อย่างไรก็ตาม กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ตั้งอยู่บนหลักการนี้ นี่คือสูตร: ถ้าความร้อนจำนวนหนึ่งถูกส่งไปยังระบบ มันจะถูกใช้ไปกับการทำงานกับร่างกายภายนอกหรือเพื่อเพิ่มพลังงานภายใน สัญกรณ์ทางคณิตศาสตร์: dQ=dU + dA.
ข้อดีหรือข้อเสีย
ปริมาณทั้งหมดที่รวมอยู่ในสัญกรณ์ทางคณิตศาสตร์ของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์สามารถเขียนได้ทั้งด้วยเครื่องหมาย "บวก" และด้วยเครื่องหมาย "ลบ" นอกจากนี้ ทางเลือกของพวกเขาจะถูกกำหนดโดยเงื่อนไขของกระบวนการ สมมติว่าระบบได้รับความร้อนจำนวนหนึ่ง ในกรณีนี้ร่างกายจะร้อนขึ้น จึงมีการขยายตัวของแก๊สซึ่งหมายความว่ากำลังดำเนินการ เป็นผลให้ค่าจะเป็นบวก หากนำความร้อนออกไป แก๊สจะเย็นลงและทำงานต่อ ค่าจะถูกย้อนกลับ
สูตรทางเลือกของกฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์
สมมุติว่าเครื่องขัดข้อง ในนั้นหน่วยงาน (หรือระบบ) ที่ทำงานเป็นวงกลม เรียกได้ว่าเป็นวัฏจักร ส่งผลให้ระบบกลับสู่สถานะเดิม น่าจะเป็นตรรกะที่จะสมมติว่าในกรณีนี้การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในจะเท่ากับศูนย์ ปรากฎว่าปริมาณความร้อนจะเท่ากับงานที่ทำ บทบัญญัติเหล่านี้ทำให้เราสามารถกำหนดกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ได้ในทางที่ต่างออกไป
จากนี้ไป เราจะเข้าใจได้ว่าเครื่องจักรเคลื่อนที่ถาวรประเภทแรกไม่มีอยู่จริงในธรรมชาติ นั่นคืออุปกรณ์ที่ทำงานในปริมาณที่มากกว่าเมื่อเทียบกับพลังงานที่ได้รับจากภายนอก ในกรณีนี้ จะต้องดำเนินการเป็นระยะ
กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์สำหรับกระบวนการไอโซโพรเซส
มาเริ่มที่กระบวนการไอโซโคริกกันก่อน มันทำให้ปริมาตรคงที่ ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงในระดับเสียงจะเป็นศูนย์ ดังนั้นงานก็จะเท่ากับศูนย์เช่นกัน ให้เราทิ้งเทอมนี้ออกจากกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ หลังจากนั้นเราจะได้สูตร dQ=dU ซึ่งหมายความว่าในกระบวนการไอโซโคริก ความร้อนทั้งหมดที่จ่ายให้กับระบบจะไปเพิ่มพลังงานภายในของก๊าซหรือของผสม
ตอนนี้เรามาพูดถึงกระบวนการไอโซบาริกกัน ความดันคงที่ในกรณีนี้พลังงานภายในจะเปลี่ยนไปตามการทำงาน นี่คือสูตรดั้งเดิม: dQ=dU + pdV เราสามารถคำนวณงานที่ทำได้อย่างง่ายดาย มันจะเท่ากับนิพจน์ uR(T2-T1) อย่างไรก็ตาม นี่คือความหมายทางกายภาพของค่าคงที่แก๊สสากล เมื่อมีก๊าซหนึ่งโมลและความแตกต่างของอุณหภูมิหนึ่งเคลวิน ค่าคงที่ของก๊าซสากลจะเท่ากับงานที่ทำในกระบวนการไอโซบาริก