Oggi cercheremo di trovare la risposta alla domanda “Il trasferimento di calore è?..”. Nell'articolo considereremo qual è il processo, quali tipi di esso esistono in natura e scopriremo anche qual è la relazione tra trasferimento di calore e termodinamica.
Definizione
Il trasferimento di calore è un processo fisico, la cui essenza è il trasferimento di energia termica. Lo scambio avviene tra due corpi o il loro sistema. In questo caso, un prerequisito sarà il trasferimento di calore da corpi più riscaldati a corpi meno riscaldati.
Caratteristiche del processo
Il trasferimento di calore è lo stesso tipo di fenomeno che può verificarsi sia con il contatto diretto che con le partizioni separatrici. Nel primo caso tutto è chiaro, nel secondo corpi, materiali e media possono essere usati come barriere. Il trasferimento di calore si verificherà nei casi in cui un sistema costituito da due o più corpi non è in uno stato di equilibrio termico. Cioè, uno degli oggetti ha una temperatura maggiore o minore rispetto all' altro. È qui che avviene il trasferimento di energia termica. È logico presumere che finirà quandoquando il sistema raggiunge uno stato di equilibrio termodinamico o termico. Il processo avviene spontaneamente, come può dirci la seconda legge della termodinamica.
Viste
Il trasferimento di calore è un processo che può essere suddiviso in tre modi. Avranno una natura basilare, poiché al loro interno si possono distinguere vere e proprie sottocategorie, aventi caratteristiche proprie insieme a schemi generali. Ad oggi, è consuetudine distinguere tre tipi di trasferimento di calore. Questi sono conduzione, convezione e radiazione. Cominciamo con il primo, forse.
Metodi di trasferimento del calore. Conducibilità termica
Questo è il nome della proprietà di un corpo materiale di effettuare il trasferimento di energia. Allo stesso tempo, viene trasferito dalla parte più calda a quella più fredda. Questo fenomeno si basa sul principio del movimento caotico delle molecole. Questo è il cosiddetto moto browniano. Maggiore è la temperatura del corpo, più le molecole si muovono attivamente al suo interno, poiché hanno più energia cinetica. Elettroni, molecole, atomi partecipano al processo di conduzione del calore. Viene eseguito in corpi, le cui parti diverse hanno temperature diverse.
Se una sostanza è in grado di condurre calore, possiamo parlare di presenza di una caratteristica quantitativa. In questo caso, il suo ruolo è svolto dal coefficiente di conducibilità termica. Questa caratteristica mostra quanto calore passerà attraverso gli indicatori di unità di lunghezza e area per unità di tempo. In questo caso, la temperatura corporea cambierà esattamente di 1 K.
In precedenza si credeva che lo scambio di calore intervenissevari corpi (compreso il trasferimento di calore delle strutture di contenimento) è dovuto al fatto che il cosiddetto calorico scorre da una parte all' altra del corpo. Nessuno però trovò segni della sua effettiva esistenza, e quando la teoria cinetico-molecolare si sviluppò a un certo livello, tutti dimenticarono di pensare al calorico, poiché l'ipotesi si rivelò insostenibile.
Convezione. Trasferimento di calore dell'acqua
Questo metodo di scambio di energia termica è inteso come trasferimento per mezzo di flussi interni. Immaginiamo un bollitore d'acqua. Come sapete, le correnti d'aria più calde salgono verso l' alto. E quelli freddi e pesanti affondano. Allora perché l'acqua dovrebbe essere diversa? È esattamente lo stesso con lei. E nel processo di un tale ciclo, tutti gli strati d'acqua, non importa quanti ce ne siano, si riscalderanno fino a quando non si verificherà uno stato di equilibrio termico. A determinate condizioni, ovviamente.
Radiazioni
Questo metodo si basa sul principio della radiazione elettromagnetica. Proviene dall'energia interna. Non entreremo molto nella teoria della radiazione termica, noteremo semplicemente che la ragione qui risiede nella disposizione delle particelle cariche, degli atomi e delle molecole.
Semplici problemi di conduzione del calore
Ora parliamo di come appare in pratica il calcolo del trasferimento di calore. Risolviamo un semplice problema relativo alla quantità di calore. Diciamo di avere una massa d'acqua pari a mezzo chilogrammo. Temperatura iniziale dell'acqua - 0 gradiCelsius, finale - 100. Troviamo la quantità di calore che abbiamo speso per riscaldare questa massa di materia.
Per questo abbiamo bisogno della formula Q=cm(t2-t1), dove Q è la quantità di calore, c è la capacità termica specifica dell'acqua, m è la massa della sostanza, t1 è la temperatura iniziale, t2 è la temperatura finale. Per l'acqua, il valore di c è tabulare. La capacità termica specifica sarà pari a 4200 J/kgC. Ora sostituiamo questi valori nella formula. Otteniamo che la quantità di calore sarà pari a 210000 J, o 210 kJ.
La prima legge della termodinamica
La termodinamica e il trasferimento di calore sono interconnessi da alcune leggi. Si basano sulla consapevolezza che i cambiamenti nell'energia interna all'interno di un sistema possono essere raggiunti in due modi. Il primo è il lavoro meccanico. Il secondo è la comunicazione di una certa quantità di calore. A proposito, il primo principio della termodinamica si basa su questo principio. Ecco la sua formulazione: se una certa quantità di calore è stata impartita al sistema, sarà spesa per lavorare sui corpi esterni o per aumentarne l'energia interna. Notazione matematica: dQ=dU + dA.
Pro o contro?
Assolutamente tutte le grandezze comprese nella notazione matematica del primo principio della termodinamica si possono scrivere sia con il segno “più” che con il segno “meno”. Inoltre, la loro scelta sarà dettata dalle condizioni del processo. Supponiamo che il sistema riceva una certa quantità di calore. In questo caso, i corpi al suo interno si riscaldano. Pertanto, c'è un'espansione del gas, il che significa cheil lavoro è in corso. Di conseguenza, i valori saranno positivi. Se la quantità di calore viene rimossa, il gas si raffredda e si lavora su di esso. I valori verranno invertiti.
Formulazione alternativa della prima legge della termodinamica
Supponiamo di avere un motore intermittente. In esso, il corpo (o sistema) di lavoro esegue un processo circolare. Viene comunemente chiamato ciclo. Di conseguenza, il sistema tornerà al suo stato originale. Sarebbe logico supporre che in questo caso la variazione di energia interna sia uguale a zero. Si scopre che la quantità di calore sarà uguale al lavoro svolto. Queste disposizioni ci permettono di formulare il primo principio della termodinamica in modo diverso.
Da esso possiamo capire che una macchina a moto perpetuo del primo tipo non può esistere in natura. Cioè, un dispositivo che funziona in quantità maggiore rispetto all'energia ricevuta dall'esterno. In questo caso, le azioni devono essere eseguite periodicamente.
Prima legge della termodinamica per gli isoprocessi
Iniziamo con il processo isocoro. Mantiene costante il volume. Ciò significa che la variazione di volume sarà zero. Pertanto, anche il lavoro sarà uguale a zero. Scartiamo questo termine dalla prima legge della termodinamica, dopo di che otteniamo la formula dQ=dU. Ciò significa che in un processo isocoro, tutto il calore fornito al sistema va ad aumentare l'energia interna del gas o della miscela.
Ora parliamo del processo isobarico. La pressione rimane costante. In questo caso, l'energia interna cambierà parallelamente al lavoro. Ecco la formula originale: dQ=dU + pdV. Possiamo facilmente calcolare il lavoro svolto. Sarà uguale all'espressione uR(T2-T1). A proposito, questo è il significato fisico della costante del gas universale. In presenza di una mole di gas e una differenza di temperatura di un Kelvin, la costante universale del gas sarà uguale al lavoro svolto in un processo isobarico.
