Այսօր մենք կփորձենք գտնել «Ջերմային փոխանցում է՞…» հարցի պատասխանը։ Հոդվածում մենք կքննարկենք, թե որն է գործընթացը, դրա ինչ տեսակներ կան բնության մեջ, ինչպես նաև կպարզենք, թե ինչ կապ կա ջերմության փոխանցման և թերմոդինամիկայի միջև:
Սահմանում
Ջերմափոխանակությունը ֆիզիկական գործընթաց է, որի էությունը ջերմային էներգիայի փոխանցումն է։ Փոխանակումը տեղի է ունենում երկու մարմինների կամ նրանց համակարգի միջև։ Այս դեպքում նախապայման կլինի ավելի տաքացած մարմիններից ջերմության փոխանցումը ավելի քիչ տաքացած մարմիններին։
Գործընթացի առանձնահատկությունները
Ջերմության փոխանցումը նույն տեսակի երևույթն է, որը կարող է առաջանալ ինչպես անմիջական շփման, այնպես էլ բաժանվող միջնորմների դեպքում: Առաջին դեպքում ամեն ինչ պարզ է, երկրորդում՝ մարմինները, նյութերը, կրիչները կարող են օգտագործվել որպես խոչընդոտ։ Ջերմային փոխանցումը տեղի կունենա այն դեպքերում, երբ երկու կամ ավելի մարմիններից բաղկացած համակարգը ջերմային հավասարակշռության վիճակում չէ: Այսինքն՝ առարկաներից մեկը մյուսի համեմատ ավելի բարձր կամ ցածր ջերմաստիճան ունի։ Այստեղ տեղի է ունենում ջերմային էներգիայի փոխանցումը։ Տրամաբանական է ենթադրել, որ այն կավարտվի երբերբ համակարգը գալիս է թերմոդինամիկական կամ ջերմային հավասարակշռության վիճակի։ Գործընթացը տեղի է ունենում ինքնաբերաբար, ինչպես մեզ կարող է ասել թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը:
Դիտումներ
Ջերմային փոխանցումը գործընթաց է, որը կարելի է բաժանել երեք եղանակով. Դրանք կունենան հիմնական բնույթ, քանի որ դրանցում կարելի է առանձնացնել իրական ենթակատեգորիաներ՝ ընդհանուր օրինաչափությունների հետ մեկտեղ ունենալով իրենց բնորոշ հատկանիշները։ Մինչ օրս ընդունված է առանձնացնել ջերմության փոխանցման երեք տեսակ. Սրանք են հաղորդունակությունը, կոնվեկցիան և ճառագայթումը: Սկսենք, հավանաբար, առաջինից։
Ջերմային փոխանցման մեթոդներ. Ջերմային հաղորդունակություն
Սա կոչվում է նյութական մարմնի հատկության՝ էներգիայի փոխանցում իրականացնելու համար։ Միաժամանակ այն ավելի տաք հատվածից տեղափոխվում է ավելի սառը։ Այս երեւույթը հիմնված է մոլեկուլների քաոսային շարժման սկզբունքի վրա։ Սա այսպես կոչված Բրոունյան շարժումն է։ Որքան բարձր է մարմնի ջերմաստիճանը, այնքան մոլեկուլներն ավելի ակտիվ են շարժվում դրանում, քանի որ նրանք ավելի շատ կինետիկ էներգիա ունեն։ Ջերմահաղորդման գործընթացին մասնակցում են էլեկտրոնները, մոլեկուլները, ատոմները։ Այն իրականացվում է մարմիններում, որոնց տարբեր մասեր ունեն տարբեր ջերմաստիճան։
Եթե նյութն ընդունակ է ջերմություն փոխանցել, ապա կարող ենք խոսել քանակական հատկանիշի առկայության մասին: Այս դեպքում նրա դերը խաղում է ջերմային հաղորդունակության գործակիցը։ Այս հատկանիշը ցույց է տալիս, թե որքան ջերմություն կանցնի ժամանակի միավորի երկարության և տարածքի միավորի ցուցիչների միջով: Այս դեպքում մարմնի ջերմաստիճանը կփոխվի ուղիղ 1 Կ-ով։
Նախկինում ենթադրվում էր, որ ջերմափոխանակությունը մտարբեր մարմիններ (ներառյալ պարիսպ կառույցների ջերմության փոխանցումը) պայմանավորված է նրանով, որ այսպես կոչված կալորիականությունը հոսում է մարմնի մի մասից մյուսը: Այնուամենայնիվ, ոչ ոք դրա իրական գոյության նշաններ չգտավ, և երբ մոլեկուլային-կինետիկ տեսությունը որոշ մակարդակի հասավ, բոլորը մոռացան մտածել կալորիականության մասին, քանի որ վարկածն անհիմն էր:
Կոնվեկցիա. Ջրի ջերմության փոխանցում
Ջերմային էներգիայի փոխանակման այս մեթոդը հասկացվում է որպես փոխանցում ներքին հոսքերի միջոցով: Եկեք պատկերացնենք մի թեյնիկ ջուր։ Ինչպես գիտեք, ավելի տաք օդային հոսանքները բարձրանում են դեպի վեր: Եվ ցուրտ, ավելի ծանրները սուզվում են: Այսպիսով, ինչու պետք է ջուրը տարբերվի: Դա ճիշտ նույնն է նրա հետ: Իսկ նման ցիկլի ընթացքում ջրի բոլոր շերտերը, որքան էլ որ լինեն, կջերմանան այնքան ժամանակ, քանի դեռ չի առաջացել ջերմային հավասարակշռության վիճակ։ Որոշակի պայմաններում, իհարկե։
Ճառագայթում
Այս մեթոդը հիմնված է էլեկտրամագնիսական ճառագայթման սկզբունքի վրա։ Դա գալիս է ներքին էներգիայից: Մենք շատ չենք խորանա ջերմային ճառագայթման տեսության մեջ, պարզապես նկատենք, որ այստեղ պատճառը լիցքավորված մասնիկների, ատոմների և մոլեկուլների դասավորության մեջ է։
Պարզ ջերմահաղորդման խնդիրներ
Այժմ եկեք խոսենք այն մասին, թե գործնականում ինչպիսի տեսք ունի ջերմության փոխանցման հաշվարկը: Եկեք լուծենք մի պարզ խնդիր՝ կապված ջերմության քանակի հետ. Ենթադրենք, մենք ունենք կես կիլոգրամի ջրի զանգված։ Ջրի սկզբնական ջերմաստիճանը - 0 աստիճանՑելսիուս, վերջնական՝ 100։ Եկեք գտնենք մեր կողմից ծախսված ջերմության քանակը նյութի այս զանգվածը տաքացնելու համար։
Սրա համար մեզ անհրաժեշտ է Q=cm բանաձևը (t2-t1), որտեղ Q-ը ջերմության քանակն է, c-ն ջրի տեսակարար ջերմային հզորությունն է, m-ը նյութի զանգվածն է, t1-ը սկզբնական ջերմաստիճանն է, t2-ը վերջնական ջերմաստիճանն է:. Ջրի համար c-ի արժեքը աղյուսակային է: Հատուկ ջերմային հզորությունը հավասար կլինի 4200 Ջ / կգC: Այժմ մենք փոխարինում ենք այս արժեքները բանաձևի մեջ: Մենք ստանում ենք, որ ջերմության քանակը հավասար կլինի 210000 Ջ կամ 210 կՋ։
Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը
Թերմոդինամիկան և ջերմության փոխանցումը փոխկապակցված են որոշ օրենքներով։ Դրանք հիմնված են այն գիտելիքի վրա, որ համակարգի ներսում ներքին էներգիայի փոփոխությունները կարող են իրականացվել երկու եղանակով: Առաջինը մեխանիկական աշխատանքն է։ Երկրորդը որոշակի քանակությամբ ջերմության հաղորդակցությունն է: Ի դեպ, թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը հիմնված է այս սկզբունքի վրա։ Ահա դրա ձևակերպումը. եթե որոշակի քանակությամբ ջերմություն է փոխանցվել համակարգին, այն կծախսվի արտաքին մարմինների վրա աշխատանք կատարելու կամ նրա ներքին էներգիան ավելացնելու վրա: Մաթեմատիկական նշում՝ dQ=dU + dA։
Կողմ, թե դեմ?
Բացարձակապես բոլոր այն մեծությունները, որոնք ներառված են թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի մաթեմատիկական նշումներում, կարելի է գրել և՛ «գումարած» և «մինուս» նշանով։ Ընդ որում, նրանց ընտրությունը թելադրվելու է գործընթացի պայմաններով։ Ենթադրենք, որ համակարգը ստանում է որոշակի քանակությամբ ջերմություն: Այս դեպքում դրա մեջ գտնվող մարմինները տաքանում են։ Հետեւաբար, կա գազի ընդլայնում, ինչը նշանակում է, որաշխատանքներ են տարվում։ Արդյունքում արժեքները դրական կլինեն։ Եթե ջերմության քանակությունը հանվում է, գազը սառչում է, և դրա վրա աշխատանքներ են տարվում։ Արժեքները կփոխվեն:
Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի այլընտրանքային ձևակերպում
Ենթադրենք, որ մենք ունենք որոշակի ընդհատվող շարժիչ: Դրանում աշխատանքային մարմինը (կամ համակարգը) շրջանաձև գործընթաց է կատարում։ Այն սովորաբար կոչվում է ցիկլ: Արդյունքում համակարգը կվերադառնա իր սկզբնական վիճակին: Տրամաբանական կլինի ենթադրել, որ այս դեպքում ներքին էներգիայի փոփոխությունը հավասար կլինի զրոյի։ Ստացվում է, որ ջերմության քանակությունը հավասար կլինի կատարված աշխատանքին։ Այս դրույթները մեզ թույլ են տալիս այլ կերպ ձևակերպել թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը։
Դրանից մենք կարող ենք հասկանալ, որ առաջին տեսակի հավերժ շարժման մեքենան չի կարող գոյություն ունենալ բնության մեջ: Այսինքն՝ սարք, որն իրոք աշխատում է ավելի մեծ քանակությամբ՝ համեմատած դրսից ստացվող էներգիայի հետ։ Այս դեպքում գործողությունները պետք է պարբերաբար կատարվեն։
Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը իզոպրեսսների համար
Սկսենք իզոխորիկ գործընթացից: Այն կայուն է պահում ծավալը: Սա նշանակում է, որ ծավալի փոփոխությունը կլինի զրո։ Հետեւաբար, աշխատանքը նույնպես հավասար կլինի զրոյի։ Եկեք մերժենք այս տերմինը թերմոդինամիկայի առաջին օրենքից, որից հետո մենք ստանում ենք dQ=dU բանաձևը: Սա նշանակում է, որ իզոխորիկ գործընթացում համակարգին մատակարարվող ողջ ջերմությունը գնում է գազի կամ խառնուրդի ներքին էներգիայի ավելացմանը։
Հիմա խոսենք իզոբարային գործընթացի մասին: Ճնշումը մնում է մշտական:Այս դեպքում աշխատանքին զուգահեռ կփոխվի ներքին էներգիան։ Ահա սկզբնական բանաձևը՝ dQ=dU + pdV: Մենք հեշտությամբ կարող ենք հաշվարկել կատարված աշխատանքը։ Այն հավասար կլինի uR արտահայտությանը (T2-T1): Ի դեպ, սա է համընդհանուր գազի հաստատունի ֆիզիկական իմաստը։ Մեկ մոլ գազի և մեկ Կելվինի ջերմաստիճանի տարբերության առկայության դեպքում գազի համընդհանուր հաստատունը հավասար կլինի իզոբար գործընթացում կատարված աշխատանքին։
