Бүгін біз «Жылу беру дегеніміз?..» деген сұраққа жауап табуға тырысамыз. Мақалада біз бұл процестің не екенін, табиғатта оның қандай түрлері бар екенін қарастырамыз, сонымен қатар жылу алмасу мен термодинамика арасындағы байланыс қандай екенін анықтаймыз.
Анықтама
Жылу беру – физикалық процесс, оның мәні жылу энергиясын беру. Алмасу екі дене немесе олардың жүйесі арасында жүреді. Бұл жағдайда жылуды көбірек қыздырылған денелерден азырақ қыздырылған денелерге беру міндетті шарт болады.
Процесс мүмкіндіктері
Жылу беру - бұл тікелей жанасу кезінде де, бөлетін бөліктерде де болуы мүмкін құбылыстың бір түрі. Бірінші жағдайда бәрі түсінікті, екіншісінде кедергілер ретінде денелер, материалдар және ақпарат құралдары пайдаланылуы мүмкін. Жылу алмасу екі немесе одан да көп денелерден тұратын жүйе жылулық тепе-теңдік күйінде болмаған жағдайда болады. Яғни, объектілердің бірінің температурасы екіншісімен салыстырғанда жоғары немесе төмен. Мұнда жылу энергиясының берілуі орын алады. Бұл қашан аяқталады деп болжау қисындыжүйе термодинамикалық немесе жылулық тепе-теңдік күйіне келгенде. Процесс өздігінен жүреді, өйткені термодинамиканың екінші заңы бізге айта алады.
Көрулер
Жылу беру - бұл үш жолға бөлуге болатын процесс. Олар негізгі сипатқа ие болады, өйткені олардың ішінде жалпы заңдылықтармен бірге өзіндік сипатты белгілері бар нақты ішкі категорияларды ажыратуға болады. Бүгінгі күні жылу берудің үш түрін ажырату әдеттегідей. Бұл өткізгіштік, конвекция және сәулелену. Біріншіден бастайық.
Жылу беру әдістері. Жылу өткізгіштік
Бұл заттық дененің энергияны тасымалдауды жүзеге асыруға арналған қасиетінің атауы. Сонымен бірге ол ыстық бөліктен суыққа ауыстырылады. Бұл құбылыс молекулалардың ретсіз қозғалысы принципіне негізделген. Бұл броундық қозғалыс деп аталады. Дене температурасы неғұрлым жоғары болса, молекулалар соғұрлым белсенді қозғалады, өйткені олардың кинетикалық энергиясы көбірек. Жылу өткізу процесіне электрондар, молекулалар, атомдар қатысады. Ол әртүрлі бөліктерінің температурасы әртүрлі денелерде жүзеге асырылады.
Егер зат жылу өткізуге қабілетті болса, онда сандық сипаттаманың болуы туралы айтуға болады. Бұл жағдайда оның рөлін жылу өткізгіштік коэффициенті атқарады. Бұл сипаттама уақыт бірлігінде ұзындық пен ауданның бірлік көрсеткіштері арқылы қанша жылу өтетінін көрсетеді. Бұл жағдайда дене температурасы дәл 1 К-ға өзгереді.
Бұрын жылу алмасу деп есептелгенәртүрлі денелер (соның ішінде қоршау құрылымдарының жылу беруі) дененің бір бөлігінен екіншісіне калория деп аталатын ағынмен байланысты. Алайда оның нақты өмір сүруінің белгілерін ешкім таппады, ал молекулалық-кинетикалық теория белгілі бір деңгейге жеткенде, бәрі калория туралы ойлауды ұмытып кетті, өйткені гипотеза негізсіз болып шықты.
Конвекция. Судың жылу алмасуы
Бұл жылу энергиясын алмасу әдісі ішкі ағындар арқылы беру деп түсініледі. Шәйнекті суды елестетейік. Өздеріңіз білетіндей, ыстық ауа ағындары жоғары көтеріледі. Ал суық, ауырлары батып кетеді. Ендеше, су неге басқаша болуы керек? Онымен дәл солай. Ал мұндай цикл процесінде судың барлық қабаттары, қанша болса да, жылулық тепе-теңдік күйі пайда болғанша қызады. Белгілі бір жағдайларда, әрине.
Радиация
Бұл әдіс электромагниттік сәулелену принципіне негізделген. Ол ішкі энергиядан келеді. Біз жылулық сәулелену теориясына көп тоқталмаймыз, тек бұл жерде себеп зарядталған бөлшектердің, атомдар мен молекулалардың орналасуында екенін атап өтеміз.
Қарапайым жылуөткізгіштік мәселелері
Енді жылу беруді есептеу іс жүзінде қалай көрінетіні туралы сөйлесейік. Жылу мөлшеріне байланысты қарапайым есепті шығарайық. Бізде жарты килограмм судың массасы бар делік. Судың бастапқы температурасы - 0 градусЦельсий, соңғы – 100. Осы зат массасын қыздыруға жұмсалған жылу мөлшерін табайық.
Ол үшін Q=см(t2-t1 формуласы қажет), мұнда Q – жылу мөлшері, c – судың меншікті жылу сыйымдылығы, m – заттың массасы, t1 – бастапқы температура, t2 – соңғы температура. Су үшін c мәні кестелік. Меншікті жылу сыйымдылығы 4200 Дж / кгC тең болады. Енді осы мәндерді формулаға ауыстырамыз. Біз жылу мөлшері 210000 Дж немесе 210 кДж болатынын аламыз.
Термодинамиканың бірінші заңы
Термодинамика мен жылу алмасу кейбір заңдармен өзара байланысты. Олар жүйедегі ішкі энергияның өзгеруіне екі жолмен жетуге болатын білімге негізделген. Біріншісі - механикалық жұмыс. Екіншісі - белгілі бір жылу мөлшерінің байланысы. Айтпақшы, термодинамиканың бірінші бастамасы осы принципке негізделген. Міне, оның тұжырымы: егер жүйеге белгілі бір жылу мөлшері берілсе, ол сыртқы денелерде жұмыс істеуге немесе оның ішкі энергиясын арттыруға жұмсалады. Математикалық белгілеу: dQ=dU + dA.
Жақсы немесе жаман жақтары?
Термодинамиканың бірінші бастамасының математикалық белгілеуіне кіретін барлық шамаларды «қосу» таңбасымен де, «минус» таңбасымен де жазуға болады. Оның үстіне, олардың таңдауы процестің шарттарымен байланысты болады. Жүйе белгілі бір мөлшерде жылу алады делік. Бұл жағдайда ондағы денелер қызады. Сондықтан газдың кеңеюі бар, бұл дегенімізжұмыстар жүргізілуде. Нәтижесінде мәндер оң болады. Егер жылу мөлшері алынып тасталса, газ салқындап, онымен жұмыс жасалады. Мәндер кері болады.
Термодинамиканың бірінші заңының балама тұжырымы
Бізде үзіліссіз қозғалтқыш бар делік. Онда жұмыс органы (немесе жүйе) айналмалы процесті орындайды. Оны әдетте цикл деп атайды. Нәтижесінде жүйе бастапқы күйіне оралады. Бұл жағдайда ішкі энергияның өзгеруі нөлге тең болады деп есептеу қисынды болар еді. Жылу мөлшері атқарылған жұмысқа тең болады екен. Бұл ережелер термодинамиканың бірінші заңын басқаша тұжырымдауға мүмкіндік береді.
Одан біз бірінші түрдегі мәңгілік қозғалыс машинасының табиғатта болуы мүмкін емес екенін түсінуге болады. Яғни, сырттан алынған энергиямен салыстырғанда үлкен көлемде жұмыс істейтін құрылғы. Бұл жағдайда әрекеттер кезеңді түрде орындалуы керек.
Изопроцестер үшін термодинамиканың бірінші заңы
Изохоралық процесстен бастайық. Ол көлемді тұрақты сақтайды. Бұл көлемнің өзгеруі нөлге тең болады дегенді білдіреді. Демек, жұмыс та нөлге тең болады. Бұл терминді термодинамиканың бірінші заңынан алып тастап, содан кейін dQ=dU формуласын аламыз. Бұл изохоралық процесте жүйеге берілген барлық жылу газдың немесе қоспаның ішкі энергиясын арттыруға кететінін білдіреді.
Енді изобарлық процесс туралы айтайық. Қысым тұрақты болып қалады. Бұл жағдайда ішкі энергия жұмысқа параллель өзгереді. Міне, бастапқы формула: dQ=dU + pdV. Біз орындалған жұмысты оңай есептей аламыз. Ол uR(T2-T1) өрнегіне тең болады. Айтпақшы, бұл әмбебап газ тұрақтысының физикалық мағынасы. Бір моль газ және бір Кельвин температура айырмашылығы болған кезде әмбебап газ тұрақтысы изобарлық процесте жасалған жұмысқа тең болады.
