اليوم سنحاول إيجاد إجابة لسؤال "انتقال الحرارة؟..". في المقال ، سننظر في ماهية العملية ، وأنواعها الموجودة في الطبيعة ، ونكتشف أيضًا ما هي العلاقة بين نقل الحرارة والديناميكا الحرارية.
التعريف
نقل الحرارة هو عملية فيزيائية ، وجوهرها هو نقل الطاقة الحرارية. يتم التبادل بين هيئتين أو نظامهما. في هذه الحالة ، سيكون الشرط الأساسي هو نقل الحرارة من أجسام أكثر تسخينًا إلى أجسام أقل تسخينًا.
ميزات العملية
نقل الحرارة هو نفس النوع من الظواهر التي يمكن أن تحدث مع كل من الاتصال المباشر والأقسام المنفصلة. في الحالة الأولى ، كل شيء واضح ؛ في الحالة الثانية ، يمكن استخدام الأجسام والمواد والوسائط كحواجز. يحدث انتقال الحرارة في الحالات التي يكون فيها النظام الذي يتكون من جسمين أو أكثر في حالة عدم توازن حراري. أي أن أحد الكائنات لديه درجة حرارة أعلى أو أقل مقارنة بالآخر. هذا هو المكان الذي يتم فيه نقل الطاقة الحرارية. من المنطقي أن نفترض أنه سينتهي متىعندما يصل النظام إلى حالة توازن حراري أو ديناميكي حراري. تحدث العملية بشكل عفوي ، كما يمكن أن يخبرنا القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
المشاهدات
نقل الحرارة هو عملية يمكن تقسيمها إلى ثلاث طرق. سيكون لها طبيعة أساسية ، حيث يمكن تمييز الفئات الفرعية الحقيقية بداخلها ، ولها سماتها المميزة جنبًا إلى جنب مع الأنماط العامة. حتى الآن ، من المعتاد التمييز بين ثلاثة أنواع من نقل الحرارة. هذه هي التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. لنبدأ بالأول ربما.
طرق نقل الحرارة. الموصلية الحرارية
هذا هو اسم خاصية الجسم المادي للقيام بنقل الطاقة. في الوقت نفسه ، يتم نقله من الجزء الأكثر سخونة إلى الجزء الأكثر برودة. تستند هذه الظاهرة إلى مبدأ الحركة الفوضوية للجزيئات. هذه هي الحركة البراونية المزعومة. كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم ، زادت حركة الجزيئات فيه بنشاط ، لأن لديها طاقة حركية أكبر. تشارك الإلكترونات والجزيئات والذرات في عملية التوصيل الحراري. يتم تنفيذه في أجسام تختلف درجات حرارة أجزاءها المختلفة.
إذا كانت المادة قادرة على توصيل الحرارة ، فيمكننا التحدث عن وجود خاصية كمية. في هذه الحالة ، يتم لعب دورها بواسطة معامل التوصيل الحراري. توضح هذه الخاصية مقدار الحرارة التي ستمر عبر مؤشرات الوحدة للطول والمساحة لكل وحدة زمنية. في هذه الحالة ، ستتغير درجة حرارة الجسم بالضبط بمقدار 1 كلفن
في السابق كان يعتقد أن التبادل الحراري فيالأجسام المختلفة (بما في ذلك نقل الحرارة للهياكل المحيطة) يرجع إلى حقيقة أن ما يسمى بالسعرات الحرارية تتدفق من جزء من الجسم إلى جزء آخر. ومع ذلك ، لم يعثر أحد على علامات على وجودها الفعلي ، وعندما تطورت النظرية الحركية الجزيئية إلى مستوى معين ، نسي الجميع التفكير في السعرات الحرارية ، حيث تبين أن الفرضية لا يمكن الدفاع عنها.
الحمل الحراري. نقل حرارة الماء
تُفهم طريقة تبادل الطاقة الحرارية هذه على أنها نقل عن طريق التدفقات الداخلية. لنتخيل غلاية ماء. كما تعلم ، ترتفع تيارات الهواء الأكثر سخونة إلى القمة. والبرد ، والأثقل تغرق. فلماذا يجب أن يكون الماء مختلفًا؟ إنه بالضبط نفس الشيء معها. وفي عملية مثل هذه الدورة ، ستسخن جميع طبقات الماء ، بغض النظر عن عددها ، حتى حدوث حالة من التوازن الحراري. بشروط معينة طبعا
إشعاع
تعتمد هذه الطريقة على مبدأ الإشعاع الكهرومغناطيسي. يأتي من الطاقة الداخلية. لن ندخل كثيرًا في نظرية الإشعاع الحراري ، بل سنلاحظ ببساطة أن السبب هنا يكمن في ترتيب الجسيمات المشحونة والذرات والجزيئات.
مشاكل التوصيل الحراري البسيطة
الآن دعنا نتحدث عن كيفية ظهور حساب انتقال الحرارة في الممارسة العملية. لنحل مشكلة بسيطة تتعلق بكمية الحرارة. لنفترض أن لدينا كتلة من الماء تساوي نصف كيلوجرام. درجة حرارة الماء الأولية - 0 درجةالدرجة المئوية ، نهائي - 100. دعونا نحسب مقدار الحرارة التي نستهلكها لتسخين هذه الكتلة من المادة.
لهذا نحتاج إلى الصيغة Q=cm (t2-t1) ، حيث Q هي مقدار الحرارة ، c هي السعة الحرارية المحددة للماء ، m هي كتلة المادة ، t1هي درجة الحرارة الأولية ، t2هي درجة الحرارة النهائية. بالنسبة للمياه ، تكون قيمة c جدولية. سوف تكون السعة الحرارية النوعية مساوية لـ 4200 J / kgC. الآن نعوض بهذه القيم في الصيغة. نتوصل إلى أن كمية الحرارة ستكون مساوية لـ 210000 J أو 210 كيلو جول.
القانون الأول للديناميكا الحرارية
ترتبط الديناميكا الحرارية ونقل الحرارة ببعض القوانين. وهي تستند إلى معرفة أن التغييرات في الطاقة الداخلية داخل النظام يمكن تحقيقها بطريقتين. الأول هو العمل الميكانيكي. والثاني هو توصيل كمية معينة من الحرارة. بالمناسبة ، يعتمد القانون الأول للديناميكا الحرارية على هذا المبدأ. ها هي صيغتها: إذا تم نقل كمية معينة من الحرارة إلى النظام ، فسيتم إنفاقها على القيام بعمل على أجسام خارجية أو على زيادة طاقتها الداخلية. التدوين الرياضي: dQ=dU + dA.
إيجابيات أم سلبيات؟
بالتأكيد يمكن كتابة جميع الكميات المضمنة في التدوين الرياضي للقانون الأول للديناميكا الحرارية بعلامة "زائد" وعلامة "ناقص". علاوة على ذلك ، فإن اختيارهم سوف تمليه شروط العملية. افترض أن النظام يتلقى قدرًا من الحرارة. في هذه الحالة ، تسخن الأجسام الموجودة فيه. لذلك ، هناك تمدد للغاز ، مما يعني ذلكيجري العمل. نتيجة لذلك ، ستكون القيم موجبة. إذا تم التخلص من كمية الحرارة ، يبرد الغاز ويتم العمل عليه. سيتم عكس القيم.
صياغة بديلة للقانون الأول للديناميكا الحرارية
افترض أن لدينا محركًا متقطعًا. في ذلك ، يقوم الجسم (أو النظام) العامل بعملية دائرية. يطلق عليه عادة دورة. نتيجة لذلك ، سيعود النظام إلى حالته الأصلية. سيكون من المنطقي أن نفترض أنه في هذه الحالة سيكون التغيير في الطاقة الداخلية مساوياً للصفر. اتضح أن كمية الحرارة ستكون مساوية للشغل المنجز. تسمح لنا هذه الأحكام بصياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية بطريقة مختلفة.
يمكننا أن نفهم منه أن آلة الحركة الدائمة من النوع الأول لا يمكن أن توجد في الطبيعة. بمعنى ، جهاز يعمل بكمية أكبر مقارنة بالطاقة المستلمة من الخارج. في هذه الحالة ، يجب تنفيذ الإجراءات بشكل دوري.
القانون الأول للديناميكا الحرارية للمعالجات المتساوية
لنبدأ بعملية متساوية الصدور. يحافظ على حجم ثابت. هذا يعني أن التغيير في الحجم سيكون صفرًا. إذن ، الشغل سيساوي صفرًا أيضًا. دعونا نتجاهل هذا المصطلح من القانون الأول للديناميكا الحرارية ، وبعد ذلك نحصل على الصيغة dQ=dU. هذا يعني أنه في عملية isochoric ، تذهب كل الحرارة التي يتم توفيرها للنظام لزيادة الطاقة الداخلية للغاز أو الخليط.
الآن دعونا نتحدث عن عملية متساوي الضغط. يظل الضغط ثابتًا.في هذه الحالة ، ستتغير الطاقة الداخلية بالتوازي مع العمل. ها هي الصيغة الأصلية: dQ=dU + pdV. يمكننا بسهولة حساب العمل المنجز. سيكون مساويًا للتعبير uR (T2-T1). بالمناسبة ، هذا هو المعنى المادي لثابت الغاز العالمي. في وجود مول واحد من الغاز وفرق في درجة الحرارة بمقدار واحد كلفن ، سيكون ثابت الغاز العام مساويًا للشغل المنجز في عملية متساوية الضغط.
