Hoje vamos tentar encontrar a resposta para a pergunta “Transferência de calor é?..”. No artigo, consideraremos o que é o processo, quais tipos existem na natureza e também descobriremos qual é a relação entre transferência de calor e termodinâmica.
Definição
Transferência de calor é um processo físico, cuja essência é a transferência de energia térmica. A troca ocorre entre dois corpos ou seu sistema. Neste caso, um pré-requisito será a transferência de calor de corpos mais aquecidos para corpos menos aquecidos.
Recursos do Processo
Transferência de calor é o mesmo tipo de fenômeno que pode ocorrer tanto com contato direto quanto com separação de divisórias. No primeiro caso, tudo está claro; no segundo, corpos, materiais e mídias podem ser usados como barreiras. A transferência de calor ocorrerá nos casos em que um sistema composto por dois ou mais corpos não está em estado de equilíbrio térmico. Ou seja, um dos objetos tem uma temperatura maior ou menor em relação ao outro. É aqui que ocorre a transferência de energia térmica. É lógico supor que terminará quandoquando o sistema atinge um estado de equilíbrio termodinâmico ou térmico. O processo ocorre espontaneamente, como a segunda lei da termodinâmica pode nos dizer.
Visualizações
A transferência de calor é um processo que pode ser dividido em três formas. Eles terão uma natureza básica, pois dentro deles podem ser distinguidas subcategorias reais, tendo seus próprios traços característicos junto com padrões gerais. Até o momento, é costume distinguir três tipos de transferência de calor. Estes são condução, convecção e radiação. Vamos começar com o primeiro, talvez.
Métodos de transferência de calor. Condutividade térmica
Este é o nome da propriedade de um corpo material para realizar a transferência de energia. Ao mesmo tempo, é transferido da parte mais quente para a mais fria. Este fenômeno é baseado no princípio do movimento caótico das moléculas. Este é o chamado movimento browniano. Quanto maior a temperatura do corpo, mais ativamente as moléculas se movem nele, pois possuem mais energia cinética. Elétrons, moléculas, átomos participam do processo de condução de calor. É realizado em corpos, cujas diferentes partes têm temperaturas diferentes.
Se uma substância é capaz de conduzir calor, podemos falar sobre a presença de uma característica quantitativa. Nesse caso, seu papel é desempenhado pelo coeficiente de condutividade térmica. Essa característica mostra quanto calor passará por indicadores de unidade de comprimento e área por unidade de tempo. Neste caso, a temperatura do corpo mudará exatamente em 1 K.
Anteriormente acreditava-se que a troca de calor emvários corpos (incluindo a transferência de calor de estruturas envolventes) é devido ao fato de que o chamado fluxo calórico de uma parte do corpo para outra. No entanto, ninguém encontrou sinais de sua existência real, e quando a teoria cinética molecular se desenvolveu a um certo nível, todos esqueceram de pensar em calórico, já que a hipótese se mostrou insustentável.
Convecção. Transferência de calor da água
Este método de troca de energia térmica é entendido como transferência por meio de fluxos internos. Vamos imaginar uma chaleira de água. Como você sabe, as correntes de ar mais quentes sobem para o topo. E os frios e mais pesados afundam. Então, por que a água deveria ser diferente? É exatamente o mesmo com ela. E no processo de tal ciclo, todas as camadas de água, não importa quantas existam, aquecerão até que ocorra um estado de equilíbrio térmico. Sob certas condições, é claro.
Radiação
Este método é baseado no princípio da radiação eletromagnética. Vem da energia interna. Não vamos entrar muito na teoria da radiação térmica, vamos simplesmente notar que a razão aqui está no arranjo de partículas carregadas, átomos e moléculas.
Problemas simples de condução de calor
Agora vamos falar sobre como fica o cálculo da transferência de calor na prática. Vamos resolver um problema simples relacionado à quantidade de calor. Digamos que temos uma massa de água igual a meio quilograma. Temperatura inicial da água - 0 grausCelsius, final - 100. Vamos encontrar a quantidade de calor gasta por nós para aquecer essa massa de matéria.
Para isso precisamos da fórmula Q=cm(t2-t1), onde Q é a quantidade de calor, c é a capacidade calorífica específica da água, m é a massa da substância, t1 é a temperatura inicial, t2 é a temperatura final. Para a água, o valor de c é tabular. A capacidade de calor específico será igual a 4200 J/kgC. Agora substituímos esses valores na fórmula. Obtemos que a quantidade de calor será igual a 210.000 J, ou 210 kJ.
A primeira lei da termodinâmica
Termodinâmica e transferência de calor estão interligadas por algumas leis. Eles são baseados no conhecimento de que mudanças na energia interna dentro de um sistema podem ser alcançadas de duas maneiras. O primeiro é o trabalho mecânico. A segunda é a comunicação de uma certa quantidade de calor. A propósito, a primeira lei da termodinâmica é baseada nesse princípio. Aqui está sua formulação: se uma certa quantidade de calor foi transmitida ao sistema, ela será gasta na realização de trabalho em corpos externos ou no aumento de sua energia interna. Notação matemática: dQ=dU + dA.
Prós ou contras?
Absolutamente todas as quantidades que estão incluídas na notação matemática da primeira lei da termodinâmica podem ser escritas tanto com um sinal de “mais” quanto com um sinal de “menos”. Além disso, sua escolha será ditada pelas condições do processo. Suponha que o sistema receba uma certa quantidade de calor. Neste caso, os corpos nele aquecem. Portanto, há uma expansão do gás, o que significa quetrabalho está sendo feito. Como resultado, os valores serão positivos. Se a quantidade de calor for retirada, o gás esfria e é realizado trabalho sobre ele. Os valores serão invertidos.
Formulação alternativa da primeira lei da termodinâmica
Suponha que temos algum motor intermitente. Nele, o corpo de trabalho (ou sistema) realiza um processo circular. É comumente chamado de ciclo. Como resultado, o sistema retornará ao seu estado original. Seria lógico supor que neste caso a variação da energia interna será igual a zero. Acontece que a quantidade de calor será igual ao trabalho realizado. Essas disposições nos permitem formular a primeira lei da termodinâmica de uma maneira diferente.
A partir dela podemos entender que uma máquina de movimento perpétuo do primeiro tipo não pode existir na natureza. Ou seja, um dispositivo que funciona em maior quantidade em comparação com a energia recebida de fora. Neste caso, as ações devem ser realizadas periodicamente.
Primeira lei da termodinâmica para isoprocessos
Vamos começar com o processo isocórico. Mantém o volume constante. Isso significa que a mudança no volume será zero. Portanto, o trabalho também será igual a zero. Vamos descartar este termo da primeira lei da termodinâmica, após o que obtemos a fórmula dQ=dU. Isso significa que em um processo isocórico, todo o calor fornecido ao sistema vai aumentar a energia interna do gás ou mistura.
Agora vamos falar sobre o processo isobárico. A pressão permanece constante. Neste caso, a energia interna varia em paralelo com o trabalho. Aqui está a fórmula original: dQ=dU + pdV. Podemos calcular facilmente o trabalho realizado. Será igual à expressão uR(T2-T1). A propósito, este é o significado físico da constante universal do gás. Na presença de um mol de gás e uma diferença de temperatura de um Kelvin, a constante universal do gás será igual ao trabalho realizado em um processo isobárico.
