Hari ini kita akan mencoba mencari jawaban atas pertanyaan “Perpindahan panas adalah?..”. Dalam artikel ini, kita akan mempertimbangkan apa prosesnya, jenis apa yang ada di alam, dan juga mencari tahu apa hubungan antara perpindahan panas dan termodinamika.
Definisi
Perpindahan panas adalah proses fisik, yang intinya adalah transfer energi panas. Pertukaran terjadi antara dua badan atau sistem mereka. Dalam hal ini, prasyaratnya adalah perpindahan panas dari benda yang lebih panas ke benda yang kurang panas.
Fitur Proses
Perpindahan panas adalah jenis fenomena yang sama yang dapat terjadi baik dengan kontak langsung maupun dengan pemisahan partisi. Dalam kasus pertama, semuanya jelas; di kedua, tubuh, bahan, dan media dapat digunakan sebagai penghalang. Perpindahan panas akan terjadi dalam kasus di mana sistem yang terdiri dari dua atau lebih benda tidak dalam keadaan kesetimbangan termal. Artinya, salah satu benda memiliki suhu yang lebih tinggi atau lebih rendah dibandingkan dengan yang lain. Di sinilah transfer energi panas terjadi. Adalah logis untuk mengasumsikan bahwa itu akan berakhir ketikaketika sistem mencapai keadaan termodinamika atau kesetimbangan termal. Proses ini terjadi secara spontan, sebagaimana hukum kedua termodinamika dapat memberitahu kita.
Tampilan
Perpindahan panas adalah proses yang dapat dibagi menjadi tiga cara. Mereka akan memiliki sifat dasar, karena di dalamnya dapat dibedakan subkategori nyata, memiliki ciri khasnya sendiri bersama dengan pola umum. Sampai saat ini, merupakan kebiasaan untuk membedakan tiga jenis perpindahan panas. Ini adalah konduksi, konveksi dan radiasi. Mari kita mulai dengan yang pertama, mungkin.
Metode perpindahan panas. Konduktivitas termal
Ini adalah nama sifat benda material untuk melakukan transfer energi. Pada saat yang sama, ia dipindahkan dari bagian yang lebih panas ke bagian yang lebih dingin. Fenomena ini didasarkan pada prinsip gerakan kacau molekul. Inilah yang disebut gerak Brown. Semakin tinggi suhu tubuh, semakin aktif molekul bergerak di dalamnya, karena mereka memiliki lebih banyak energi kinetik. Elektron, molekul, atom berpartisipasi dalam proses konduksi panas. Ini dilakukan dalam tubuh, bagian yang berbeda memiliki suhu yang berbeda.
Jika suatu zat mampu menghantarkan panas, kita dapat berbicara tentang keberadaan karakteristik kuantitatif. Dalam hal ini, perannya dimainkan oleh koefisien konduktivitas termal. Karakteristik ini menunjukkan berapa banyak panas yang akan melewati indikator satuan panjang dan luas per satuan waktu. Dalam hal ini, suhu tubuh akan berubah persis sebesar 1 K.
Sebelumnya diyakini bahwa pertukaran panas diberbagai benda (termasuk perpindahan panas dari struktur penutup) disebabkan oleh fakta bahwa apa yang disebut kalori mengalir dari satu bagian tubuh ke bagian lain. Namun, tidak ada yang menemukan tanda-tanda keberadaannya yang sebenarnya, dan ketika teori kinetika molekuler berkembang ke tingkat tertentu, semua orang lupa untuk memikirkan kalori, karena hipotesisnya ternyata tidak dapat dipertahankan.
Konveksi. Perpindahan panas air
Metode pertukaran energi panas ini dipahami sebagai transfer melalui aliran internal. Mari kita bayangkan ketel air. Seperti yang Anda ketahui, arus udara yang lebih panas naik ke atas. Dan yang dingin dan lebih berat tenggelam. Jadi mengapa air harus berbeda? Ini persis sama dengan dia. Dan dalam proses siklus seperti itu, semua lapisan air, berapa pun jumlahnya, akan memanas hingga terjadi keadaan kesetimbangan termal. Dalam kondisi tertentu tentunya.
Radiasi
Metode ini didasarkan pada prinsip radiasi elektromagnetik. Itu berasal dari energi internal. Kita tidak akan banyak membahas teori radiasi termal, kita hanya akan mencatat bahwa alasannya di sini terletak pada susunan partikel, atom, dan molekul bermuatan.
Masalah konduksi panas sederhana
Sekarang mari kita bicara tentang bagaimana perhitungan perpindahan panas terlihat dalam praktik. Mari kita selesaikan masalah sederhana yang berkaitan dengan jumlah panas. Katakanlah kita memiliki massa air sama dengan setengah kilogram. Suhu air awal - 0 derajatCelcius, final - 100. Mari kita cari jumlah panas yang kita keluarkan untuk memanaskan massa materi ini.
Untuk ini kita memerlukan rumus Q=cm(t2-t1), di mana Q adalah jumlah kalor, c adalah kapasitas kalor jenis air, m adalah massa zat, t1 adalah suhu awal, t2 adalah suhu akhir. Untuk air, nilai c adalah tabel. Kapasitas panas spesifik akan sama dengan 4200 J / kgC. Sekarang kita substitusikan nilai-nilai tersebut ke dalam rumus. Kami mendapatkan bahwa jumlah panas akan sama dengan 210000 J, atau 210 kJ.
Hukum pertama termodinamika
Termodinamika dan perpindahan panas saling berhubungan oleh beberapa hukum. Mereka didasarkan pada pengetahuan bahwa perubahan energi internal dalam suatu sistem dapat dicapai dengan dua cara. Yang pertama adalah pekerjaan mekanik. Yang kedua adalah komunikasi sejumlah panas. Omong-omong, hukum pertama termodinamika didasarkan pada prinsip ini. Berikut adalah formulasinya: jika sejumlah panas diberikan ke sistem, itu akan dihabiskan untuk melakukan pekerjaan pada benda eksternal atau untuk meningkatkan energi internalnya. Notasi matematika: dQ=dU + dA.
Pro atau kontra?
Benar-benar semua besaran yang termasuk dalam notasi matematika dari hukum pertama termodinamika dapat ditulis dengan tanda “plus” dan dengan tanda “minus”. Selain itu, pilihan mereka akan ditentukan oleh kondisi proses. Asumsikan bahwa sistem menerima sejumlah panas. Dalam hal ini, tubuh di dalamnya memanas. Oleh karena itu, terjadi pemuaian gas, yang berarti bahwapekerjaan sedang dilakukan. Akibatnya, nilainya akan positif. Jika jumlah panas diambil, gas mendingin, dan pekerjaan dilakukan padanya. Nilai akan dibalik.
Alternatif rumusan hukum pertama termodinamika
Misalkan kita memiliki mesin yang terputus-putus. Di dalamnya, benda kerja (atau sistem) melakukan proses melingkar. Biasanya disebut siklus. Akibatnya, sistem akan kembali ke keadaan semula. Adalah logis untuk mengasumsikan bahwa dalam kasus ini perubahan energi internal akan sama dengan nol. Ternyata jumlah panas akan sama dengan pekerjaan yang dilakukan. Ketentuan ini memungkinkan kita untuk merumuskan hukum pertama termodinamika dengan cara yang berbeda.
Dari sini kita dapat memahami bahwa mesin gerak abadi jenis pertama tidak dapat eksis di alam. Artinya, alat yang bekerja dalam jumlah yang lebih besar dibandingkan dengan energi yang diterima dari luar. Dalam hal ini, tindakan harus dilakukan secara berkala.
Hukum pertama termodinamika untuk isoproses
Mari kita mulai dengan proses isokhorik. Itu membuat volume konstan. Ini berarti bahwa perubahan volume akan menjadi nol. Oleh karena itu, pekerjaan juga akan sama dengan nol. Mari kita buang istilah ini dari hukum pertama termodinamika, setelah itu kita peroleh rumus dQ=dU. Ini berarti bahwa dalam proses isokhorik, semua panas yang disuplai ke sistem digunakan untuk meningkatkan energi internal gas atau campuran.
Sekarang mari kita bicara tentang proses isobarik. Tekanan tetap konstan. Dalam hal ini, energi internal akan berubah secara paralel dengan pekerjaan. Berikut adalah rumus aslinya: dQ=dU + pdV. Kita dapat dengan mudah menghitung pekerjaan yang dilakukan. Ini akan sama dengan ekspresi uR(T2-T1). Omong-omong, ini adalah arti fisik dari konstanta gas universal. Dengan adanya satu mol gas dan perbedaan suhu satu Kelvin, konstanta gas universal akan sama dengan kerja yang dilakukan dalam proses isobarik.
