- Вспоминаем физику: теплота
- Теплота — один из способов передачи энергии
- Теплообмен и теплопередача
- Теплопроводность
- Конвекция
- Тепловое излучение
- Теплоёмкость
- Тепловые машины
- Тема 2. Первый закон термодинамики
- 2.1. Теплота и работа
- Способы передачи тепловой энергии
- Что такое теплопроводность
- Что такое конвекция и как она происходит
- Что такое излучение
- Тепло как форма передачи энергии
Вспоминаем физику: теплота
Дата публикации: 6 февраля 2020
Когда мы будем обсуждать способы отоплении дома, варианты снижения утечек тепла, мы должны понимать, что такое тепло, в каких единицах оно измеряется, как передается и как теряется. На этой странице будут приведены основные сведения из курса физики, необходимые для рассмотрения всех перечисленных вопросов.
Теплота — один из способов передачи энергии
Энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, называется коли́чеством теплоты́ или просто теплотой.
В строгом смысле теплота представляет собой один из способов передачи энергии, и физический смысл имеет лишь количество энергии, переданное системе, но слово «тепло-» входит в такие устоявшиеся научные понятия, как поток тепла, теплоёмкость, теплота фазового перехода, теплота химической реакции, теплопроводность и пр. Поэтому там, где такое словоупотребление не вводит в заблуждение, понятия «теплота» и «количество теплоты» синонимичны. Однако этими терминами можно пользоваться только при условии, что им дано точное определение, и ни в коем случае «количество теплоты» нельзя относить к числу первоначальных понятий, не требующих определения. Во избежание ошибок под понятием «теплота» следует понимать именно способ передачи энергии, а количество переданной этим способом энергии обозначают понятием «количество теплоты». Рекомендуется избегать такого термина, как «тепловая энергия».
Теплота — это кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).
Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемной единицы количества теплоты — калории: международная калория равна 4,1868 Дж.
Теплообмен и теплопередача
Теплопередача — это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда). Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.
Теплопроводность
Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью. Теплопроводность стержня оценивается величиной теплового потока, который зависит от коэффициента теплопроводности, площади поперечного сечения, через которое передается теплота и градиента температуры (отношения разности температур на концах стержня к расстоянию между ними). Единицей теплового потока является ватт.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ
Вещества и материалы Теплопроводность, Вт/(м^2*К)
Металлы
Алюминий ___________________205
Бронза _____________________105
Вольфрам ___________________159
Железо ______________________67
Медь _______________________389
Никель ______________________58
Свинец ______________________35
Цинк _______________________113
Другие материалы
Асбест _______________________0,08
Бетон ________________________0,59
Воздух _______________________0,024
Гагачий пух (неплотный) ______0,008
Дерево (орех) ________________0,209
Опилки _______________________0,059
Резина (губчатая) ____________0,038
Стекло _______________________0,75
Конвекция
Конвекция — это теплообмен за счет перемещения масс воздуха или жидкости. При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент конвективного теплопереноса можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается.
Тепловое излучение
Третий вид теплопередачи — лучистый теплообмен — отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение — это один из видов электромагнитного излучения.
Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения составляет примерно 1,37 Вт/м2.
Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры.
Теплоёмкость
Различные вещества обладают разной способностью накапливать тепло; это зависит от их молекулярной структуры и плотности. Количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы вещества на один градус (1 °С или 1 К), называется его удельной теплоемкостью. Теплоемкость измеряется в Дж/(кг•К).
Обычно различают теплоемкость при постоянном объёме (CV) и теплоемкость при постоянном давлении (СP), если в процессе нагревания поддерживаются постоянными соответственно объём тела или давление. Например, чтобы нагреть на 1 К один грамм воздуха в воздушном шаре, требуется больше теплоты, чем для такого же его нагрева в герметичном сосуде с жесткими стенками, поскольку часть энергии, сообщаемой воздушному шару, расходуется на расширение воздуха, а не на его нагревание. При нагревании при постоянном давлении часть теплоты идёт на производство работы расширения тела, а часть — на увеличение его внутренней энергии, тогда как при нагревании при постоянном объёме вся теплота расходуется на увеличение внутренней энергии; в связи с этим СР всегда больше, чем CV. У жидкостей и твёрдых тел разница между СР и CV сравнительно мала.
Тепловые машины
Тепловые машины — это устройства, преобразующие теплоту в полезную работу. Примерами таких машин могут служить компрессоры, турбины, паровые, бензиновые и реактивные двигатели. Одной из наиболее известных тепловых машин является паровая турбина, использующаяся на современных тепловых электростанциях. Упрощенная схема такой электростанции на рисунке 1.
Рис. 1. Упрощенная схема паротурбинной электростанции, работающей на ископаемом топливе.
Рабочую жидкость — воду — превращают в перегретый пар в паровом котле, нагреваемом за счет сжигания ископаемого топлива (угля, нефти или природного газа). Пар высокого давления вращает вал паровой турбины, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электроэнергию. Отработанный пар конденсируется при охлаждении проточной водой, которая поглощает часть теплоты. Далее вода подается в охлаждающую башню (градирню), откуда часть тепла уходит в атмосферу. Конденсат с помощью насоса возвращают в паровой котел, и весь цикл повторяется.
Другим примером тепловой машины может служить бытовой холодильник, схема которого представлена на рис. 2.
Рис.2. Схема работы холодильника.
В холодильниках и бытовых кондиционерах энергия для его обеспечения подводится извне. Компрессор повышает температуру и давление рабочего вещества холодильника — фреона, аммиака или углекислого газа. Перегретый газ подается в конденсатор, где охлаждается и конденсируется, отдавая тепло окружающей среде. Жидкость, выходящая из патрубков конденсатора, проходит через дросселирующий клапан в испаритель, и часть ее испаряется, что сопровождается резким понижением температуры. Испаритель отбирает у камеры холодильника тепло, которое нагревает рабочую жидкость в патрубках; эта жидкость подается компрессором в конденсатор, и цикл снова повторяется.
Источник
Тема 2. Первый закон термодинамики
2.1. Теплота и работа
Тела, участвующие при протекании т/д процесса обмениваются энергией. Передача энергии от одного тела к другому происходит двумя способами.
1-й способ реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел либо лучистым переносом внутренней энергии излучающих тел путем э/м волн. При этом энергия передается от более нагретого к менее нагретому.
Количество энергии, переданной 1-м способом от одного тела к другому, называется количеством теплоты – Q [Дж], а способ – передача энергии в форме теплоты.
2-й способ связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления, То есть передачи энергии происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве. При этом количество переданной энергии называется работой – L [Дж], а способ передача энергии в форме работы.
Количество энергии, полученное телом в форме работы называется работой совершенной над телом, а отданную энергию – затраченной телом работой.
Количество теплоты, полученное (отданное) телом и работа, совершенная (затраченная) над телом, зависят от условий перехода тела из начального состояния в конечное, т.е. зависят от характера т/д процесса.
Источник
Способы передачи тепловой энергии
Передачу тепловой энергии называют теплопередачей. Есть три способа (рис. 1) передачи тепловой энергии:
С помощью теплопередачи можно изменять внутреннюю энергию тел.
Что такое теплопроводность
Теплопроводность — это передача (внутренней) тепловой энергии от одной части тела к другой его части.
Примечание: С помощью теплопроводности можно передавать тепловую энергию от одного тела к другому, если плотно прижать тела друг к другу.
При теплопроводности передается только энергия, а вещество не переносится.
Теплопроводности различных веществ отличаются. Металлы в твердом и жидком состоянии очень хорошо проводят тепло, то есть, обладают высокой теплопроводностью.
Примечание: Медь и серебро – это металлы с очень высокой теплопроводностью.
Но у остальных жидкостей теплопроводность меньше, чему твердых тел.
А у газов, например, у воздуха, теплопроводность очень мала. Поэтому пористые тела, содержащие большое количество газа, хорошо изолируют тепло.
Дом, построенный из пенобетона может иметь более тонкие стены, чем кирпичный дом.
В твердых телах тепло передается только с помощью теплопроводности.
Что такое конвекция и как она происходит
В жидкостях и газах тепло передается только с помощью конвекции. Конвекцио (лат.) – перенос.
Слои жидкости, или газа, имеющие различную температуру, могут самостоятельно перемешиваться. Этот процесс называется конвекцией.
Примечание: Конвекция — это самостоятельное перемешивание слоев жидкости, или газа, имеющих различную температуру.
Располагая руку в нескольких сантиметрах над горящей свечой, из-за конвекции мы можем ощущать тепло.
Как происходит конвекция: Более горячие слои жидкости, или газа, имеют маленькую плотность, поэтому поднимаются вверх, а их место занимают более холодные слои.
Примечание: Чтобы конвекция происходила хорошо, нужно нагревать жидкости и газы снизу.
— в чайнике нагревается вся вода, а не только находящаяся в нижней части чайника;
— воздух в помещении от пола до потолка прогревается батареями отопления, расположенными в нижней части помещения;
— дуют ветры, днем – с моря (дневной бриз), а по ночам – с суши на море (ночной бриз).
Что такое излучение
Излучение – это перенос тепловой энергии без помощи вещества. Поэтому в вакууме тепловая энергия переносится излучением.
Вакуум – это отсутствие молекул вещества в пространстве (глубокий вакуум в космосе), или, наличие небольшого количества молекул газа.
Например, в современных лабораториях можно из-под колокола откачать воздух до состояния, когда в одном кубометре пространства под колоколом будет содержаться всего несколько молекул воздуха.
Все тела могут излучать энергию. Сильно нагретые тела излучают больше энергии, чем более холодные.
Солнце – это большой раскаленный газовый шар, то есть, звезда. Солнце излучает тепло, это тепло через вакуум с помощью излучения переносится на Землю и нагревает ее поверхность и все тела, находящиеся на ней.
Известно, что черные предметы на солнце нагреваются очень быстро, а белые, почти не нагреваются.
По причине излучения более темные тела охлаждаются быстрее, чем белые.
В наши дни широкое распространение получили бытовые инфракрасные обогреватели. Эти обогреватели нагревают окружающие предметы с помощью теплового (инфракрасного) излучения.
Примечание: Теплопроводность и конвекция происходят в веществе. А излучение может переносить тепловую энергию без помощи вещества.
Источник
Тепло как форма передачи энергии
На повседневном языке теплота — это то, что делает вещи горячими. Когда мы ставим чайник с водой на плиту, вода поглощает тепло от плиты и становится горячей. Но что делает воду горячей, если говорить на языке физики, это тепловая энергия, то есть кинетическая и потенциальная энергия случайных микроскопических движений молекул, атомов, ионов, электронов и других частиц. Когда вода находится в контакте с горячей плитой, атомы плиты передают молекулам воды некоторые из своих случайных микроскопических движений. Таким образом, тепловая энергия молекул воды увеличивается — они двигаются вокруг быстрее, чем раньше. На макроскопическом уровне такое увеличение энергии или случайных микроскопических движений проявляется в увеличении температуры воды.
На физическом языке тепло — это тепловая энергия, передаваемая от более горячего тела к более холодному. Отношение тепла к тепловой энергии аналогично отношению работы к механической энергии. Работа, выполненная над частицей, увеличивает механическую энергия частицы. Таким образом, работа — это механическая энергия, передаваемая силой. Аналогично, тепло — это тепловая энергия, передаваемая разностью температур. Эта аналогия между теплом и работой не просто формальна. Фактически, тепло можно рассматривать как микроскопическую работу, выполняемую частицами более горячего тела над частицах более холодного тела, и эта микроскопическая работа осуществляет передачу тепловой энергии. Хотя в строгом смысле слова тепло является передачей тепловой энергии, физики иногда используют слово «тепло» в широком смысле как синоним тепловой энергии. Таким образом, мы говорим о тепловом потоке, аккумулировании тепла, потере тепла и т. д., когда имеется ввиду поток тепловой энергии, аккумулирование тепловой энергии, потеря тепловой энергии и т. д.
Неоднозначность в использовании слова «тепло» возникла исторически. Вплоть до девятнадцатого века ученые не имели четкого понимания концепции энергии, и они думали, что тепло было невидимой, невесомой жидкостью, которую они называли «калорийной». Первые эксперименты, которые дали убедительные доказательства природе тепла выполнил Бенджамин Томпсон, граф Румфорд, который показал, что механическая энергия, теряемая при трении, преобразуется в тепло. Вы можете проверить такое фрикционное (с помощью трения) преобразование механической энергии в тепло, потирая руки друг о друга — несколько секунд трения вызвут заметное потепление ладоней.
Тепло как форма передачи энергии
В жидкости или твердом теле кинетическая энергия случайных микроскопических движений частиц увеличивается с температурой. Кроме того, атомы и молекулы в жидкости или твердом теле имеют потенциальные энергии, связанные с силами, с которыми они действуютт друг на друга. Эти потенциальные энергии также увеличиваются с температурой.
Таким образом, микроскопический взгляд на тепловую энергию как кинетическую и потенциальную энергию случайных движений атомов и молекул согласуется с интуитивным представлением о том, что поглощение тепловой энергии должно приводить к повышению температуры.
Задолго до того, как физики осознали, что тепло — это передача кинетической и потенциальной энергии случайного микроскопического движения атомов, они определили теплоту с точки зрения температурных изменений, которые она вызывает в теле. Традиционной единицей тепла (но не в системе SI) является калория (кал, cal), которая первоначально была определена как количество тепла, необходимого для повышения температуры 1 г воды на 1 ° C. Килокалория составляет 1000 кал:
1 ккал (kcal) = 1000 кал (cal) Под словом «калории», указаным на некоторых упаковках продуктов в магазинах, на самом деле подразумеваются килокалории, также называемые большими калориями.
Тепло, необходимое для повышения температуры 1 кг материала на 1 ° C, называется удельной теплоемкостью и обычно обозначается символом c. Таким образом,
вода имеет удельную теплоемкость
В таблице 1 перечислены удельные плавки некоторых распространенных веществ.
Обратите внимание, что вода имеет большую удельную теплоемкость, чем все другие вещества, перечисленные в таблице 1. Это означает, что для изменения температуры воды определенного веса, потребуется больше тепла, чем для изменения температуры других веществ того же веса. Можно сказать, что вода обладает большой «тепловой инерцией» — она способна хранить большую тепловую энергию при небольшом изменении температуры. Это делает воду очень полезной для хранения и транспортировки тепловой энергии, например, в отопительной системе дома (где вода переносит тепловую энергию от
от котла к радиаторам) и в системе охлаждения автомобильного двигателя (где вода переносит тепловую энергию от блока двигателя к радиатору).
Удельная теплоемкость большинства веществ несильно зависит от температуры. Например, удельная теплоемкость воды изменяется примерно на 1% между 0 и 100 ° С, достигая минимума при 35 ° С.
Наконец, удельная теплоемкость в некоторой степени зависит от давления, под которым находится материал во время нагревания. Все значения, перечисленные в таблице 1, были получены при комнатной температуре (20 ° C) и при постоянном давлении 1,0 атм.
Значения в таблице 1 дают количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 кг данного вещества на 1 С. Для массы 
этого вещества количество тепла 
связано с повышение температуры на 
Это просто говорит о том, что для большой массы или большого изменения температуры требуется больше тепла, пропорционально массе или изменению температуры.
Поскольку тепло является формой работы, оно может быть преобразовано в макроскопическую механическую работу и наоборот. Преобразование тепла в работу осуществляется паровым двигателем, паровой турбиной или подобной машиной; Мы рассмотрим теорию таких тепловых двигателей в другой статье блога. Превращение работы в тепло не требует специального оборудования — любое трение преобразует работу в тепло. Поскольку тепло является формой передачи энергии, калория — это единица энергии, и должна быть возможность выразить ее в джоулях. Коэффициент преобразования между этими единицами называется механический эквивалент тепла.
Традиционный метод измерения механического эквивалента тепла — это эксперимент Джоуля. Набор падающих грузов приводит в движение лопастное колесо, которое сбивает воду в ведре (см. Рис. 1).
Ведро окружено изоляцией, поэтому тепло не может от него уйти. Трение, присущее сбивке, повышает температуру воды в ведре на значительную величину, преобразуя начальную гравитационную потенциальную энергию падающих гирь в измеримое количество тепла. Наилучшие доступные экспериментальные результаты для этого преобразования механической энергии в тепло дают(J = Дж):
для механического эквивалента тепла.
В современной системе единиц СИ, по определению, калория принимается равной 4,187 Дж. Это означает, что эксперимент Джоуля больше не нужен, чтобы найти механический эквивалент тепла; вместо этого необходимо определить удельную теплоемкость воды, которая теперь должна рассматриваться как величина, измеряемая экспериментально. В дальнейшем мы будем в основном использовать джоули для измерения тепловых энергий и лишь изредка возвращаться к калориям.
Источник
