Lämpö siirretään , lisää yleisesti kutsutaan lämpöä , on yksi muotoa sisäisen energian vaihtoa kahden järjestelmän , toinen on työ : se on siirto lämpöenergian , joka tapahtuu ulos tasapainon. Termodynamiikan . Lämmönsiirtoa on kolme tyyppiä, jotka voivat esiintyä samanaikaisesti:
Lämmön määrä Q on energian määrä vaihdettiin nämä kolme siirtoja, se ilmaistaan jouleina (J). Vuoteen yleissopimus , Q > 0, jos järjestelmä vastaanottaa energiaa. Termodynamiikka perustuu käsitteeseen lämmön pystyttää ensimmäisen ja toisen termodynamiikan .
Sanan "lämpö" merkitys jokapäiväisessä kielessä on usein epäselvä ja sekava, etenkin lämpötilan kanssa . Vaikka on totta, että spontaanit lämmönsiirrot tapahtuvat korkeamman lämpötilan alueilta matalamman lämpötilan alueille, on silti mahdollista saavuttaa lämmönsiirto kylmästä kappaleesta kuumaan kappaleeseen käyttämällä lämpökonetta , kuten jääkaappia . Lisäksi aikana tilan muutos , esimerkiksi aikana keittämällä , joka on puhdasta ainetta lämpötila ei muutu, kun se vaihtoa energiaa lämmön muodossa.
Yksinkertaisin esimerkki lämmönsiirtoon liittyvästä tilanteesta on kahden ruumiin kosketuksessa eri lämpötilojen kanssa . Kuumempi runko siirtää energiaa kylmempään kehoon johtamalla; sen lämpötila laskee, häiriö, terminen sekoitus vähenee. Vastineeksi kylmän ruumiin lämpötila nousee, lämpöherkkyys lisääntyy sen sisällä.
Lämpö , yleisessä kielenkäytössä, on usein sekoittaa käsitteeseen lämpötila . Vaikka nämä kaksi käsitystä ovatkin hyvin erilaiset tieteellisestä näkökulmasta, ne ovat kaikki samassa yhteydessä toisiinsa, ja termodynamiikan synty on joskus aiheuttanut tämän sekaannuksen. Ilmaisut, kuten "vesi on kuumaa", voivat johtaa väärään uskomukseen, että lämpö on järjestelmän ominaisuus, kun se siirtää energiaa (vedestä, kuumasta, lämpöön). Ympäröivä ympäristö, kylmempi). On myös väärin sanoa "vesi menettää lämpöä", kun se jäähtyy. Ilmaisu "lämmönsiirto" on kuitenkin hyvin laajalle levinnyt pleonasma .
Kunnes XVIII nnen vuosisadan tutkijat ajattelivat, että lämpöä muodostuu nestettä, joka oli nimetty phlogiston (flogiston-teoria).
Vuonna XIX : nnen vuosisadan lämpö käsitellään neste: Tällä kalorien . Kalorimetrian edistyminen ja menestys asettavat tämän teorian XIX - luvun puoliväliin saakka. Tämän käsitteen omaksuu esimerkiksi Sadi Carnot : lämpömoottori voi toimia vain, jos lämpö kiertää korkeamman lämpötilan kehosta alemman lämpötilan kehoon; päättely, joka vastaa analogiaa hydraulisen koneen kanssa, joka saa energiansa kulkemalla vettä korkealta olevasta säiliöstä alemman korkeuden säiliöön.
Vasta tilastollisen termodynamiikan tullessa lämpö määritellään hiukkasten termisen sekoituksen siirtymisenä mikroskooppiselle tasolle . Järjestelmällä, jonka hiukkaset ovat tilastollisesti levottomampia, on korkeampi tasapainolämpötila, joka määritellään makroskooppisella asteikolla. Lämpötila on siis makroskooppinen määrä, joka on hiukkasten kineettisten energioiden tilastollinen heijastus mikroskooppisessa mittakaavassa. Satunnaisten iskujen aikana levottomimmat hiukkaset välittävät liike-energiansa vähemmän levottomille hiukkasille. Näiden mikroskooppisten kineettisten energiansiirtojen tasapaino vastaa lämmönvaihtoa sellaisten järjestelmien välillä, jotka koostuvat hiukkasista, joiden keskimääräinen lämpösekoitus on erilainen.
Lämpötila on intensiivinen tilafunktio, jota käytetään kuvaamaan järjestelmän tasapainotilaa, kun taas lämpö on energiamäärän kaltaisen lämpöherkkyyden siirto , joka liittyy järjestelmän evoluutioon kahden erillisen tai identtisen tilan välillä, jos muutos on syklinen.
Lämmönsiirron perustavat ovat:
Määrällisesti niitä, se on kätevä käyttää lämpövuon , mikä on voima vaihto tapahtuu wattia (W), tai jopa parempi, lämpövuon tiheys (tai pinta lämpövuo) sisään wattia neliömetriä kohti ( W m - 2 ) .
Siirtyminen johtamalla on energianvaihto, joka tapahtuu ilman liikkuvaa ainetta: se koskee siis kiinteitä aineita ja liikkumattomia nesteitä. Tämä siirto voi tapahtua yhdessä ruumiissa tai kahden ruumiin välillä. Lämpöenergia, joka johtuu atomien värähtelystä niiden tasapainotilan ympärillä kiinteässä aineessa, välitetään vaihe vaiheelta: se on diffuusioilmiö. Kiteet syntyy tietty lämpö siirretään toimintatilat hilavärähtelyjen (katso fononi ).
Yksinkertaisimmassa tapauksessa kiinteän seinämän paksuudella e, jonka kahdella alueen S pinnalla on homogeeninen lämpötilaero T 1 - T 2 , lämpövirta riippuu materiaalin lämmönjohtavuudesta λ ( W m −1 K −1 ):
,R th on lämmönjohtavuusvastus .
Syvemmälle tutkimukselle on välttämätöntä hyödyntää Fourierin lakia :
.Se on Fickin lakia muistuttava leviämislaki, joka kuvaa aineen leviämistä.
Lämmönsiirto konvektiolla johtuu molekyylien liikkumisesta, joka aiheuttaa lämpöenergian makroskooppisen liikkeen : se tapahtuu nesteissä ( nesteissä tai kaasuissa ) ja kiinteän aineen ja nesteen rajapinnassa. Kun nämä molekyylit liikkuvat, ne siirtävät lämpöenergiansa toiseen järjestelmän osaan. Voimme erottaa kaksi konvektiotyyppiä.
Yksinkertaisimmassa tapauksessa kiinteän seinän pinta S ja homogeenisen lämpötilan T 1 kosketuksessa nesteen lämpötilassa T 2 suurelle etäisyydelle seinästä, lämpövirta riippuu lämmön konvektio kerroin h materiaalin ( W m - 2 K −1 ):
,R th on konvektion lämpövastus . Muuten kirjoitettu .
Lämmönsiirto voidaan muotoilla Newtonin jäähdytyslailla, joka osoittaa, että se on verrannollinen tutkitun ruumiin ja ympäröivän ympäristön väliseen lämpötilaeroon.
Säteily, jota joskus kutsutaan termiseksi, on sähkömagneettinen säteily. Se liittyy usein infrapunasäteilyyn, koska juuri tämä spektrin osa on useimmiten vallitseva lämmönvaihdossa. Lämpötilasta riippumatta keho säteilee, tämä on enemmän tai vähemmän voimakasta tämän lämpötilan mukaan. Aallonpituus, jolla tätä säteilyä lähtee, riippuu myös tästä lämpötilasta. Siten Auringon lähettämä lämpösäteily sijaitsee pääasiassa näkyvissä. Viileämmät rungot, kuten nisäkkäät, lähettävät infrapunaa . Tämä siirtotapa on ainoa, joka tapahtuu tyhjössä, maapallolle saapuvan auringon säteilyn tapauksessa. Tämä saavutetaan kuitenkin myös läpinäkyvissä materiaaleissa. On tärkeää ottaa tämä huomioon korkeissa lämpötiloissa tai yksinkertaisesti ilman johtumista ja konvektiota.
Musta body on teoreettinen elin, joka pystyy absorboimaan kaikki säteilyn se vastaanottaa. Sillä on ominaisuus noudattaa Planckin lakia ja Wienin siirtolakia määritettäessä päästöspektri lämpötilasta riippuen.
Pinnan lämpövirta, joka vastaa energian ulostuloa , ilmaistaan Stefan-Boltzmannin laissa suhteessa mustan rungon emissioon :
,kanssa
Jos vastaanottava kappale heijastaa tiettyjä aallonpituuksia tai on läpinäkyvä muille, vain absorboidut aallonpituudet vaikuttavat sen lämpö tasapainoon. Jos toisaalta vastaanottava runko on musta runko , toisin sanoen se absorboi kaikki sähkömagneettiset säteilyt, kaikki säteilyt vaikuttavat sen lämpö tasapainoon.
Siirtotila | Siirrä materiaali | Siirtoväliaine | Materiaalikuljetukset |
---|---|---|---|
Johtuminen | Kiinteät aineet ja nesteet | Yhden ruumiin sisällä tai kahden ruumiin välisessä kosketuksessa | Ei |
Konvektio | Nesteet | Yhden nesteen sisällä tai kiinteän aineen ja nesteen välillä | Joo |
Säteily | Kiinteät aineet, nesteet ja tyhjiö | Kehosta, joka säteilee toiseen | Ei |
Energian lämmönsiirto saavutetaan yleensä useiden siirtomoodien yhdistelmällä. Esimerkiksi keskuslämmityksessä yhdistetään peräkkäin konvektio (yleensä pakotettu) nestepiirin lämmittämiseksi kattilasta , sitten johto lämmittimen seinien lämmittämiseksi, mikä vuorostaan lämmittää kosketuksessa olevaa ilmaa, ja lopuksi ilma, joka liittyy säteilijän massan säteilyyn (tästä sen nimi).
Joskus lämmönsiirtoon liittyy materiaalin siirto. Esimerkiksi nesteen kiehumisessa osassa nestettä tapahtuu fyysisen tilan muutos ja näin syntynyt kaasu erottuu nesteestä.
Antaa olla kaksi muotoilematonta objektia A ja B ( 5 W = 0 ), jotka muodostavat eristetyn järjestelmän ( 8 Q = 0 ). Mukaisesti ensimmäisen termodynamiikan , muutos sisäinen energia on yhtä suuri kuin summa lämmön ja työ: δ W + δ Q = d U .
Jos δ Q ja δ Q B ovat vastaavasti ala-lämpöenergiasta välillä vaihdetut objekti ja kohde B , δ Q + δ Q B = δ Q = 0 , näin ollen: δ Q = - δ Q B .
Toinen periaate termodynamiikan mahdollistaa kirjoittamaan seuraava suhde yhdistää entropies esineiden ja B :
,koska järjestelmä on eristetty. Määritelmän mukaan se tulee:
.Jos δ Q <0 ja siksi δ Q B > 0, niin T > T B . Alle sääntö merkkien perusteella päätellään, että kohde luopuu lämpöä esineen B . Kuumin esine siirtää siten lämpöä kylmempään esineeseen.
Ensimmäinen periaate termodynamiikan on periaate säästö. Se esittelee Tilafunktio energian U .
Aikana transformaation suljettu systeemi , kahden tilan välillä I alku- ja F lopullinen, vaihtelu energian johtuu summa:
Mikä tarkoittaa: .
Siksi päätämme muodollisen määritelmän lämmölle pitkin määriteltyä polkua, joka kulkee I: stä F:
.Kaareva kiinteä mahdollistaa laskenta työn painevoimien :, ei ole riippumaton syötön jälkeen siirtyä I ja F , koska työ ei ole funktio tila . Tästä seuraa myös, että lämpö ei ole tilatoiminto ja riippuu sen vuoksi kulkemasta polusta. Varsinkin jos muunnos, joka mahdollistaa ruumiin tuomisen tilasta I tilaan F, suoritetaan kahdella eri tavalla, mukana olevat lämpöt ovat myös a priori erilaiset.
Tietyissä koeolosuhteissa mukana oleva lämpö on kuitenkin yhtä suuri kuin tilatoiminnon vaihtelu. Tässä on joitain esimerkkejä suljetusta järjestelmästä, joka sisältää n moolia ainetta.
Kirjoittamalla sisäisen energian ero
,ja jos : . Määrä on vakiotilavuudessa havaittu lämpökapasiteetti , joka ilmaistaan yksikköinä J K -1 .
Se liittyy vakiotilavuuden molaariseen lämpökapasiteettiin, joka on merkitty ja joka ilmaistaan yksikköinä JK -1 mol -1 , kuten moolille .
.Lopuksi, varten isokoorinen muutos menee tilaan määritelty T tilaan B määritellään T B :
.on T: n funktio . Mutta jos T: n väli ei ole liian suuri (muutama kymmenen tai jopa sataa astetta), sitä voidaan pitää ensimmäisenä likiarvona, sitten:
.ja tila johtaa:
.Määrä on vakiopaineessa havaittu lämpökapasiteetti , joka ilmaistaan yksikköinä J K -1 . Se liittyy molaariseen lämpökapasiteettiin vakiopaineessa, jota merkitään ja joka ilmaistaan JK- 1- mol- 1: na , kuten moolille .
.Lopuksi varten isobaarista muutos menee tilaan määritelty T tilaan B määritellään T B
.on T: n funktio . Mutta jos T: n väli ei ole liian suuri (muutama kymmenen tai jopa sataa astetta), sitä voidaan pitää ensimmäisenä likiarvona. Mistä :
.Näitä ominaisuuksia käytetään kalorimetrialalla, joka suoritetaan kalorimetrillä, joka toimii joko vakiopaineessa tai tasaisella tilavuudella kalorimetrisen pommin tapauksessa .
Toinen periaate termodynamiikan on periaate evoluution. Hän esitteli entropiatilan toiminnon, joka on ainehäiriön mittari. Entropiatoiminto määritellään makroskooppisessa mittakaavassa siten, että sen vaihtelu järjestelmän palautuvan muunnoksen aikana vastaa ulkoisen ympäristön kanssa vaihdetun lämpömäärän suhdetta järjestelmän lämpötilaan:
.Ja äärellisen transformaation vakio lämpötilassa T , menee tilaan I tilaan F tasapainotilaan:
.Lämpö liittyy siten entropian vaihteluun. Kuitenkin mitä enemmän entropiaa on luomista, sitä enemmän muutos on peruuttamatonta ja sitä pienempi hyödynnetty työ on: lämpö on "laadullinen energian hajoaminen" .
"Tällaista energiansiirtoa kutsutaan lämmöksi tai, parempi, lämmönsiirroksi ja huomataan Q."
alaviitteellä, joka selittää:”Sana lämpö on ylivoimaisesti eniten käytetty: se on termodynamiikan perustajien perimä perintö, joka erottuu yksinkertaisuudestaan. Kuuman veden kaltaisten kaavojen yleinen käyttö antaa sanalle lämpö valitettavan epäselvyyden: oletetaan, että lämpö on veden varastoima energian muoto, kun taas lämpö on vain eräänlainen energianvaihto. "