Bugün “Isı transferi nedir?..” sorusunun cevabını bulmaya çalışacağız. Yazıda sürecin ne olduğunu, doğada ne türlerinin bulunduğunu ele alacağız ve ayrıca ısı transferi ile termodinamik arasındaki ilişkinin ne olduğunu öğreneceğiz.
Tanım
Isı transferi, özü termal enerjinin transferi olan fiziksel bir süreçtir. Değişim, iki beden veya onların sistemleri arasında gerçekleşir. Bu durumda, bir ön koşul, daha fazla ısıtılan cisimlerden daha az ısıtılan cisimlere ısı transferi olacaktır.
Süreç Özellikleri
Isı transferi, hem doğrudan temasta hem de ayırıcı bölmelerde meydana gelebilecek aynı türde bir fenomendir. İlk durumda, her şey açıktır; ikincisinde, cisimler, malzemeler ve ortamlar bariyer olarak kullanılabilir. İki veya daha fazla cisimden oluşan bir sistemin termal dengede olmadığı durumlarda ısı transferi gerçekleşir. Yani nesnelerden biri diğerine göre daha yüksek veya daha düşük bir sıcaklığa sahiptir. Isı enerjisinin transferinin gerçekleştiği yer burasıdır. ne zaman biteceğini varsaymak mantıklıdır.sistem termodinamik veya termal denge durumuna geldiğinde. Termodinamiğin ikinci yasasının bize söyleyebileceği gibi, süreç kendiliğinden gerçekleşir.
Görüntüleme
Isı transferi üç şekilde ayrılabilen bir işlemdir. Temel bir yapıya sahip olacaklar, çünkü kendi içlerinde genel kalıplarla birlikte kendi karakteristik özelliklerine sahip olan gerçek alt kategoriler ayırt edilebilir. Bugüne kadar, üç tip ısı transferini ayırt etmek gelenekseldir. Bunlar kondüksiyon, konveksiyon ve radyasyondur. Belki ilkinden başlayalım.
Isı transfer yöntemleri. Termal iletkenlik
Bu, enerji transferini gerçekleştirmek için maddi bir cismin özelliğinin adıdır. Aynı zamanda daha sıcak kısımdan daha soğuk olana aktarılır. Bu fenomen, moleküllerin kaotik hareketi ilkesine dayanmaktadır. Bu sözde Brown hareketidir. Vücudun sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, daha fazla kinetik enerjiye sahip oldukları için moleküller içinde o kadar aktif hareket eder. Elektronlar, moleküller, atomlar ısı iletimi sürecine katılır. Farklı bölgeleri farklı sıcaklıklara sahip vücutlarda gerçekleştirilir.
Bir madde ısı iletebiliyorsa, nicel bir özelliğin varlığından bahsedebiliriz. Bu durumda, rolü termal iletkenlik katsayısı ile oynanır. Bu özellik, birim zaman başına uzunluk ve alan birim göstergelerinden ne kadar ısı geçeceğini gösterir. Bu durumda vücut ısısı tam olarak 1 K değişecektir.
Önceden ısı alışverişininçeşitli gövdeler (kapalı yapıların ısı transferi dahil), sözde kalorinin vücudun bir bölümünden diğerine akması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte, hiç kimse onun gerçek varlığına dair işaretler bulamadı ve moleküler-kinetik teori belirli bir seviyeye ulaştığında, hipotezin savunulamaz olduğu ortaya çıktığı için herkes kaloriyi düşünmeyi unuttu.
Konveksiyon. Su ısı transferi
Bu ısı enerjisi alışverişi yöntemi, iç akışlar yoluyla transfer olarak anlaşılır. Bir su ısıtıcısı düşünelim. Bildiğiniz gibi, daha sıcak hava akımları zirveye çıkar. Ve soğuk, daha ağır olanlar batar. Peki su neden farklı olsun ki? Onunla tamamen aynı. Ve böyle bir döngü sürecinde, kaç tane olursa olsun, tüm su katmanları, bir termal denge durumu oluşana kadar ısınacaktır. Belli koşullar altında tabii.
Radyasyon
Bu yöntem elektromanyetik radyasyon ilkesine dayanmaktadır. İç enerjiden gelir. Termal radyasyon teorisine fazla girmeyeceğiz, sadece buradaki nedenin yüklü parçacıkların, atomların ve moleküllerin dizilişinde yattığını belirteceğiz.
Basit ısı iletim sorunları
Şimdi ısı transferi hesabının pratikte nasıl göründüğünden bahsedelim. Isı miktarıyla ilgili basit bir problemi çözelim. Diyelim ki yarım kilograma eşit bir su kütlemiz var. İlk su sıcaklığı - 0 dereceCelsius, son - 100. Bu madde kütlesini ısıtmak için tarafımızdan harcanan ısı miktarını bulalım.
Bunun için Q=cm(t2-t1) formülüne ihtiyacımız var, burada Q ısı miktarıdır, c suyun özgül ısı kapasitesidir, m maddenin kütlesidir, t1 başlangıç sıcaklığıdır, t2 son sıcaklıktır. Su için c değeri tablo şeklindedir. Özgül ısı kapasitesi 4200 J / kgC'ye eşit olacaktır. Şimdi bu değerleri formülde yerine koyuyoruz. Isı miktarının 210000 J veya 210 kJ'ye eşit olacağını anlıyoruz.
Termodinamiğin birinci yasası
Termodinamik ve ısı transferi bazı yasalarla birbirine bağlıdır. Bir sistem içindeki iç enerjideki değişikliklerin iki yolla elde edilebileceği bilgisine dayanırlar. Birincisi mekanik iş. İkincisi, belirli bir miktarda ısının iletişimidir. Bu arada, termodinamiğin birinci yasası bu prensibe dayanmaktadır. Formülasyonu şudur: Sisteme belirli bir miktar ısı verilirse, dış cisimler üzerinde iş yapmak veya iç enerjisini artırmak için harcanacaktır. Matematiksel gösterim: dQ=dU + dA.
Artıları mı, eksileri mi?
Kesinlikle termodinamiğin birinci yasasının matematiksel gösteriminde yer alan tüm nicelikler hem "artı" işaretiyle hem de "eksi" işaretiyle yazılabilir. Ayrıca, seçimleri sürecin koşullarına göre belirlenecektir. Sistemin bir miktar ısı aldığını varsayalım. Bu durumda içindeki cisimler ısınır. Bu nedenle, gazın genişlemesi vardır, bu da şu anlama gelir:iş yapılıyor. Sonuç olarak, değerler pozitif olacaktır. Isı miktarı alınırsa gaz soğur ve üzerinde iş yapılır. Değerler tersine çevrilir.
Termodinamiğin birinci yasasının alternatif formülasyonu
Aralıklı bir motorumuz olduğunu varsayalım. İçinde çalışma gövdesi (veya sistem) dairesel bir işlem gerçekleştirir. Genellikle döngü olarak adlandırılır. Sonuç olarak, sistem orijinal durumuna geri dönecektir. Bu durumda iç enerjideki değişimin sıfıra eşit olacağını varsaymak mantıklı olacaktır. Isı miktarının yapılan işe eşit olacağı ortaya çıktı. Bu hükümler, termodinamiğin birinci yasasını farklı bir şekilde formüle etmemizi sağlar.
Bundan birinci tür bir sürekli hareket makinesinin doğada var olamayacağını anlayabiliriz. Yani dışarıdan aldığı enerjiye göre daha fazla miktarda çalışan bir cihaz. Bu durumda işlemler periyodik olarak gerçekleştirilmelidir.
İzoprosesler için termodinamiğin birinci yasası
İzokorik süreçle başlayalım. Hacmi sabit tutar. Bu, hacimdeki değişimin sıfır olacağı anlamına gelir. Bu nedenle, iş de sıfıra eşit olacaktır. Bu terimi termodinamiğin birinci yasasından çıkaralım, ardından dQ=dU formülünü elde ederiz. Bu, izokorik bir süreçte sisteme verilen tüm ısının gazın veya karışımın iç enerjisini artırmaya gittiği anlamına gelir.
Şimdi izobarik süreçten bahsedelim. Basınç sabit kalır. Bu durumda iç enerji işe paralel olarak değişecektir. İşte orijinal formül: dQ=dU + pdV. Yapılan işi kolayca hesaplayabiliriz. uR(T2-T1) ifadesine eşit olacaktır. Bu arada, evrensel gaz sabitinin fiziksel anlamı budur. Bir mol gaz ve bir Kelvin sıcaklık farkı varlığında, evrensel gaz sabiti izobarik bir süreçte yapılan işe eşit olacaktır.
