დღეს შევეცდებით ვიპოვოთ პასუხი კითხვაზე "სითბოს გადაცემა არის?…". სტატიაში განვიხილავთ რა არის პროცესი, რა სახეობები არსებობს ბუნებაში და ასევე გავარკვევთ, რა კავშირია სითბოს გადაცემასა და თერმოდინამიკას შორის.
განმარტება
თბოგადაცემა არის ფიზიკური პროცესი, რომლის არსი თერმული ენერგიის გადაცემაა. გაცვლა ხდება ორ სხეულს ან მათ სისტემას შორის. ამ შემთხვევაში წინაპირობა იქნება სითბოს გადატანა უფრო გახურებული სხეულებიდან ნაკლებად გახურებულებზე.
პროცესის მახასიათებლები
სითბოს გადაცემა არის იგივე ტიპის ფენომენი, რომელიც შეიძლება მოხდეს როგორც პირდაპირი კონტაქტით, ასევე გამყოფი დანაყოფებით. პირველ შემთხვევაში ყველაფერი ნათელია, მეორეში კი ბარიერებად შეიძლება გამოვიყენოთ სხეულები, მასალები და მედია. სითბოს გადაცემა მოხდება იმ შემთხვევებში, როდესაც სისტემა, რომელიც შედგება ორი ან მეტი სხეულისგან, არ არის თერმული წონასწორობის მდგომარეობაში. ანუ ერთ ობიექტს აქვს მეორესთან შედარებით მაღალი ან დაბალი ტემპერატურა. სწორედ აქ ხდება სითბოს ენერგიის გადაცემა. ლოგიკურია ვივარაუდოთ, რომ როდის დასრულდებაროდესაც სისტემა მოდის თერმოდინამიკური ან თერმული წონასწორობის მდგომარეობაში. პროცესი სპონტანურად ხდება, როგორც ამას თერმოდინამიკის მეორე კანონი გვეტყვის.
ნახვები
სითბოს გადაცემა არის პროცესი, რომელიც შეიძლება დაიყოს სამ გზად. მათ ექნებათ ძირითადი ბუნება, რადგან მათში შეიძლება გამოირჩეოდეს რეალური ქვეკატეგორიები, რომლებსაც აქვთ საკუთარი დამახასიათებელი ნიშნები ზოგად შაბლონებთან ერთად. დღეისათვის ჩვეულებრივია განასხვავოთ სითბოს გადაცემის სამი ტიპი. ეს არის გამტარობა, კონვექცია და გამოსხივება. დავიწყოთ ალბათ პირველით.
თბოგადაცემის მეთოდები. თბოგამტარობა
ასე ჰქვია მატერიალური სხეულის თვისებას, განახორციელოს ენერგიის გადაცემა. ამავდროულად, ცხელი ნაწილიდან ცივზე გადადის. ეს ფენომენი ემყარება მოლეკულების ქაოტური მოძრაობის პრინციპს. ეს არის ეგრეთ წოდებული ბრაუნის მოძრაობა. რაც უფრო მაღალია სხეულის ტემპერატურა, მით უფრო აქტიურად მოძრაობენ მასში მოლეკულები, რადგან მათ აქვთ მეტი კინეტიკური ენერგია. სითბოს გამტარობის პროცესში მონაწილეობენ ელექტრონები, მოლეკულები, ატომები. იგი ხორციელდება სხეულებში, რომელთა სხვადასხვა ნაწილს აქვს განსხვავებული ტემპერატურა.
თუ ნივთიერებას შეუძლია სითბოს გატარება, შეგვიძლია ვისაუბროთ რაოდენობრივი მახასიათებლის არსებობაზე. ამ შემთხვევაში მის როლს ასრულებს თბოგამტარობის კოეფიციენტი. ეს მახასიათებელი გვიჩვენებს, თუ რამდენი სითბო გაივლის სიგრძის და ფართობის ერთეულ ინდიკატორებს დროის ერთეულზე. ამ შემთხვევაში სხეულის ტემპერატურა შეიცვლება ზუსტად 1 კ-ით.
ადრე ითვლებოდა, რომ სითბოს გაცვლა ხდებასხვადასხვა ორგანოები (მათ შორის შემომფარველი სტრუქტურების სითბოს გადაცემა) განპირობებულია იმით, რომ ე.წ. კალორიული მიედინება სხეულის ერთი ნაწილიდან მეორეში. თუმცა, ვერავინ იპოვა მისი რეალური არსებობის ნიშნები და როდესაც მოლეკულურ-კინეტიკური თეორია გარკვეულ დონემდე განვითარდა, ყველას დაავიწყდა კალორიაზე ფიქრი, რადგან ჰიპოთეზა უსაფუძვლო აღმოჩნდა.
კონვექცია. წყლის სითბოს გადაცემა
თერმული ენერგიის გაცვლის ეს მეთოდი გაგებულია, როგორც გადაცემა შიდა ნაკადების საშუალებით. წარმოვიდგინოთ წყლის ქვაბი. მოგეხსენებათ, ჰაერის უფრო ცხელი ნაკადები მაღლა იწევს. და ცივი, უფრო მძიმეები იძირებიან. მაშ, რატომ უნდა იყოს წყალი განსხვავებული? ზუსტად იგივეა მასთან. და ასეთი ციკლის პროცესში წყლის ყველა ფენა, რამდენიც არ უნდა იყოს, გაცხელდება თერმული წონასწორობის მდგომარეობამდე. გარკვეულ პირობებში, რა თქმა უნდა.
გამოსხივება
ეს მეთოდი ეფუძნება ელექტრომაგნიტური გამოსხივების პრინციპს. ეს მოდის შინაგანი ენერგიისგან. თერმული გამოსხივების თეორიაში დიდად არ შევალთ, უბრალოდ აღვნიშნავთ, რომ აქ მიზეზი დამუხტული ნაწილაკების, ატომებისა და მოლეკულების განლაგებაშია.
თბოგამტარობის მარტივი პრობლემები
ახლა ვისაუბროთ იმაზე, თუ როგორ გამოიყურება სითბოს გადაცემის გაანგარიშება პრაქტიკაში. მოდით გადავჭრათ მარტივი პრობლემა, რომელიც დაკავშირებულია სითბოს რაოდენობასთან. ვთქვათ, გვაქვს წყლის მასა ნახევარი კილოგრამის ტოლი. წყლის საწყისი ტემპერატურა - 0 გრადუსიცელსიუსი, საბოლოო - 100. ვიპოვოთ ჩვენს მიერ დახარჯული სითბოს რაოდენობა მატერიის ამ მასის გასათბობად.
ამისთვის გვჭირდება ფორმულა Q=სმ(t2-t1), სადაც Q არის სითბოს რაოდენობა, c არის წყლის სპეციფიკური სითბური სიმძლავრე, m არის ნივთიერების მასა, t1 არის საწყისი ტემპერატურა, t2 არის საბოლოო ტემპერატურა. წყლისთვის, c-ის მნიშვნელობა არის ცხრილი. სპეციფიკური სითბოს სიმძლავრე იქნება 4200 ჯ / კგC. ახლა ჩვენ ვანაცვლებთ ამ მნიშვნელობებს ფორმულაში. მივიღებთ, რომ სითბოს რაოდენობა უდრის 210000 J, ანუ 210 kJ.
თერმოდინამიკის პირველი კანონი
თერმოდინამიკა და სითბოს გადაცემა ურთიერთდაკავშირებულია ზოგიერთი კანონით. ისინი ეფუძნება ცოდნას, რომ შიდა ენერგიის ცვლილებები სისტემაში შეიძლება მიღწეული იყოს ორი გზით. პირველი არის მექანიკური მუშაობა. მეორე არის სითბოს გარკვეული რაოდენობის კომუნიკაცია. სხვათა შორის, თერმოდინამიკის პირველი კანონი ამ პრინციპს ეფუძნება. აქ არის მისი ფორმულირება: თუ გარკვეული რაოდენობის სითბო გადაეცემა სისტემას, ის დაიხარჯება გარე სხეულებზე სამუშაოს შესრულებაზე ან მისი შინაგანი ენერგიის გაზრდაზე. მათემატიკური აღნიშვნა: dQ=dU + dA.
დადებითი თუ უარყოფითი მხარეები?
აბსოლუტურად ყველა სიდიდე, რომელიც შედის თერმოდინამიკის პირველი კანონის მათემატიკურ აღნიშვნაში, შეიძლება ჩაიწეროს როგორც „პლუს“ნიშნით, ასევე „მინუს“ნიშნით. უფრო მეტიც, მათი არჩევანი პროცესის პირობებით იქნება ნაკარნახევი. დავუშვათ, რომ სისტემა იღებს სითბოს გარკვეულ რაოდენობას. ამ შემთხვევაში მასში არსებული სხეულები თბება. ამიტომ ხდება გაზის გაფართოება, რაც იმას ნიშნავსმიმდინარეობს მუშაობა. შედეგად, მნიშვნელობები დადებითი იქნება. თუ სითბოს რაოდენობა მოიხსნება, გაზი კლებულობს და მასზე მუშაობა მიმდინარეობს. მნიშვნელობები შეიცვლება.
თერმოდინამიკის პირველი კანონის ალტერნატიული ფორმულირება
დავუშვათ, რომ გვაქვს წყვეტილი ძრავა. მასში სამუშაო სხეული (ან სისტემა) წრიულ პროცესს ასრულებს. მას ჩვეულებრივ ციკლს უწოდებენ. შედეგად, სისტემა უბრუნდება პირვანდელ მდგომარეობას. ლოგიკური იქნება ვივარაუდოთ, რომ ამ შემთხვევაში შიდა ენერგიის ცვლილება ნულის ტოლი იქნება. გამოდის, რომ სითბოს რაოდენობა შესრულებული სამუშაოს ტოლი იქნება. ეს დებულებები საშუალებას გვაძლევს სხვაგვარად ჩამოვაყალიბოთ თერმოდინამიკის პირველი კანონი.
მისგან შეგვიძლია გავიგოთ, რომ პირველი ტიპის მუდმივი მოძრაობის მანქანა ბუნებაში არ შეიძლება არსებობდეს. ანუ მოწყობილობა, რომელიც მუშაობს უფრო დიდი რაოდენობით გარედან მიღებულ ენერგიასთან შედარებით. ამ შემთხვევაში ქმედებები პერიოდულად უნდა შესრულდეს.
თერმოდინამიკის პირველი კანონი იზოპროცესებისთვის
დავიწყოთ იზოქორული პროცესით. ის ინარჩუნებს მოცულობას მუდმივი. ეს ნიშნავს, რომ მოცულობის ცვლილება იქნება ნული. მაშასადამე, ნამუშევარიც ნულის ტოლი იქნება. მოდით გამოვრიცხოთ ეს ტერმინი თერმოდინამიკის პირველი კანონიდან, რის შემდეგაც მივიღებთ ფორმულას dQ=dU. ეს ნიშნავს, რომ იზოქორული პროცესის დროს სისტემას მიეწოდება მთელი სითბო გაზის ან ნარევის შიდა ენერგიის გასაზრდელად.
ახლა ვისაუბროთ იზობარულ პროცესზე. წნევა მუდმივი რჩება.ამ შემთხვევაში, სამუშაოს პარალელურად შეიცვლება შინაგანი ენერგია. აქ არის ორიგინალური ფორმულა: dQ=dU + pdV. ჩვენ შეგვიძლია მარტივად გამოვთვალოთ შესრულებული სამუშაო. ის ტოლი იქნება გამოხატვის uR(T2-T1). სხვათა შორის, ეს არის უნივერსალური გაზის მუდმივის ფიზიკური მნიშვნელობა. ერთი მოლი აირის და ერთი კელვინის ტემპერატურის სხვაობის არსებობისას, უნივერსალური აირის მუდმივი ტოლი იქნება იზობარული პროცესის დროს შესრულებული სამუშაოს.
