Aujourd'hui, nous allons essayer de trouver la réponse à la question "Le transfert de chaleur est-il ?". Dans l'article, nous examinerons quel est le processus, quels types existent dans la nature, et découvrirons également quelle est la relation entre le transfert de chaleur et la thermodynamique.
Définition
Le transfert de chaleur est un processus physique dont l'essence est le transfert d'énergie thermique. L'échange a lieu entre deux corps ou leur système. Dans ce cas, une condition préalable sera le transfert de chaleur des corps les plus chauffés vers les moins chauffés.
Caractéristiques du processus
Le transfert de chaleur est le même type de phénomène qui peut se produire aussi bien avec un contact direct qu'avec des cloisons séparatrices. Dans le premier cas, tout est clair; dans le second, les corps, les matériaux et les médias peuvent être utilisés comme barrières. Le transfert de chaleur se produira dans les cas où un système composé de deux corps ou plus n'est pas dans un état d'équilibre thermique. C'est-à-dire que l'un des objets a une température supérieure ou inférieure par rapport à l'autre. C'est là que le transfert d'énergie thermique a lieu. Il est logique de supposer qu'il se terminera lorsquelorsque le système arrive à un état d'équilibre thermodynamique ou thermique. Le processus se produit spontanément, comme le deuxième principe de la thermodynamique peut nous le dire.
Vues
Le transfert de chaleur est un processus qui peut être divisé en trois manières. Ils auront une nature fondamentale, car en leur sein, de véritables sous-catégories peuvent être distinguées, ayant leurs propres caractéristiques ainsi que des modèles généraux. A ce jour, il est d'usage de distinguer trois types de transfert de chaleur. Ce sont la conduction, la convection et le rayonnement. Commençons par le premier, peut-être.
Méthodes de transfert de chaleur. Conductivité thermique
C'est le nom de la propriété d'un corps matériel à effectuer le transfert d'énergie. En même temps, il est transféré de la partie la plus chaude à la plus froide. Ce phénomène est basé sur le principe du mouvement chaotique des molécules. C'est ce qu'on appelle le mouvement brownien. Plus la température du corps est élevée, plus les molécules y bougent activement, car elles ont plus d'énergie cinétique. Les électrons, les molécules, les atomes participent au processus de conduction thermique. Elle est réalisée dans des corps dont les différentes parties ont des températures différentes.
Si une substance est capable de conduire la chaleur, on peut parler de la présence d'une caractéristique quantitative. Dans ce cas, son rôle est joué par le coefficient de conductivité thermique. Cette caractéristique indique la quantité de chaleur qui passera à travers les indicateurs d'unité de longueur et de surface par unité de temps. Dans ce cas, la température corporelle changera exactement de 1 K.
Auparavant, on croyait que l'échange de chaleur dansdivers corps (y compris le transfert de chaleur des structures enveloppantes) est dû au fait que le soi-disant flux calorique d'une partie du corps à l'autre. Cependant, personne n'a trouvé de signes de son existence réelle, et lorsque la théorie moléculaire-cinétique s'est développée à un certain niveau, tout le monde a oublié de penser au calorique, car l'hypothèse s'est avérée intenable.
Convection. Transfert de chaleur de l'eau
Cette méthode d'échange d'énergie thermique est comprise comme un transfert au moyen de flux internes. Imaginons une bouilloire d'eau. Comme vous le savez, des courants d'air plus chauds montent vers le haut. Et les plus froids et les plus lourds coulent. Alors pourquoi l'eau devrait-elle être différente ? C'est exactement la même chose avec elle. Et au cours d'un tel cycle, toutes les couches d'eau, quel que soit leur nombre, se réchaufferont jusqu'à ce qu'un état d'équilibre thermique se produise. Sous certaines conditions, bien sûr.
Radiation
Cette méthode est basée sur le principe du rayonnement électromagnétique. Il provient de l'énergie interne. Nous n'entrerons pas beaucoup dans la théorie du rayonnement thermique, nous noterons simplement que la raison réside ici dans l'arrangement des particules chargées, des atomes et des molécules.
Problèmes simples de conduction thermique
Parlons maintenant de ce à quoi ressemble le calcul du transfert de chaleur dans la pratique. Résolvons un problème simple lié à la quantité de chaleur. Disons que nous avons une masse d'eau égale à un demi-kilogramme. Température initiale de l'eau - 0 degrésCelsius, final - 100. Trouvons la quantité de chaleur dépensée par nous pour chauffer cette masse de matière.
Pour cela, nous avons besoin de la formule Q=cm(t2-t1), où Q est la quantité de chaleur, c est la capacité calorifique spécifique de l'eau, m est la masse de la substance, t1 est la température initiale, t2 est la température finale. Pour l'eau, la valeur de c est tabulaire. La capacité calorifique spécifique sera égale à 4200 J/kgC. Maintenant, nous substituons ces valeurs dans la formule. Nous obtenons que la quantité de chaleur sera égale à 210 000 J, soit 210 kJ.
La première loi de la thermodynamique
La thermodynamique et le transfert de chaleur sont liés par certaines lois. Ils sont basés sur la connaissance que les changements d'énergie interne au sein d'un système peuvent être obtenus de deux manières. Le premier est le travail mécanique. La seconde est la communication d'une certaine quantité de chaleur. Soit dit en passant, la première loi de la thermodynamique est basée sur ce principe. Voici sa formulation: si une certaine quantité de chaleur a été transmise au système, elle sera dépensée pour travailler sur des corps externes ou pour augmenter son énergie interne. Notation mathématique: dQ=dU + dA.
Pour ou contre ?
Absolument toutes les quantités qui sont incluses dans la notation mathématique de la première loi de la thermodynamique peuvent être écrites à la fois avec un signe "plus" et avec un signe "moins". De plus, leur choix sera dicté par les conditions du processus. Supposons que le système reçoive une certaine quantité de chaleur. Dans ce cas, les corps qui s'y trouvent se réchauffent. Il y a donc une expansion du gaz, ce qui signifie quedes travaux sont en cours. En conséquence, les valeurs seront positives. Si la quantité de chaleur est retirée, le gaz se refroidit et un travail est effectué dessus. Les valeurs seront inversées.
Formulation alternative de la première loi de la thermodynamique
Supposons que nous ayons un moteur intermittent. Dans ce document, le corps de travail (ou système) effectue un processus circulaire. C'est ce qu'on appelle communément un cycle. En conséquence, le système reviendra à son état d'origine. Il serait logique de supposer que dans ce cas, la variation de l'énergie interne sera égale à zéro. Il s'avère que la quantité de chaleur sera égale au travail effectué. Ces dispositions nous permettent de formuler différemment la première loi de la thermodynamique.
De là, nous pouvons comprendre qu'une machine à mouvement perpétuel du premier type ne peut pas exister dans la nature. C'est-à-dire un appareil qui fonctionne en plus grande quantité par rapport à l'énergie reçue de l'extérieur. Dans ce cas, les actions doivent être effectuées périodiquement.
Première loi de la thermodynamique pour les isoprocessus
Commençons par le processus isochore. Il maintient le volume constant. Cela signifie que la variation de volume sera nulle. Par conséquent, le travail sera également égal à zéro. Écartons ce terme de la première loi de la thermodynamique, après quoi nous obtenons la formule dQ=dU. Cela signifie que dans un processus isochore, toute la chaleur fournie au système va augmenter l'énergie interne du gaz ou du mélange.
Parlons maintenant du processus isobare. La pression reste constante. Dans ce cas, l'énergie interne changera parallèlement au travail. Voici la formule originale: dQ=dU + pdV. Nous pouvons facilement calculer le travail effectué. Il sera égal à l'expression uR(T2-T1). Soit dit en passant, c'est la signification physique de la constante universelle des gaz. En présence d'une mole de gaz et d'une différence de température d'un Kelvin, la constante universelle des gaz sera égale au travail effectué dans un processus isobare.
