Савельев общая физика том 3. Студентам и школьникам курсы общей физики

Сегодня мы попытаемся найти ответ на вопрос “Теплопередача - это?..”. В статье рассмотрим, что представляет собой процесс, какие его виды существуют в природе, а также узнаем, какова связь между теплопередачей и термодинамикой.

Определение

Теплопередача - это физический процесс, суть которого заключается в передаче Обмен происходит между двумя телами или их системой. При этом обязательным условием будет передача тепла от более нагретых тел к менее нагретым.

Особенности процесса

Теплопередача - это тот самый вид явления, который может происходить и при прямом контакте, и при наличии разделяющих перегородок. В первом случае все ясно, во втором же в качестве преград могут быть использованы тела, материалы, среды. Теплопередача будет происходить в случаях, если система, состоящая из двух или более тел, не находится в состоянии теплового равновесия. То есть, один из объектов имеет большую или меньшую температуру по сравнению с другим. Вот тогда происходит передача тепловой энергии. Логично предположить, что она завершится тогда, когда система придет в состояние термодинамического, или теплового равновесия. Процесс происходит самопроизвольно, о чем нам может рассказать

Виды

Теплопередача - это процесс, который можно разделить на три способа. Они будут иметь основную природу, поскольку внутри них можно выделить настоящие подкатегории, имеющие свои характерные особенности наравне с общими закономерностями. На сегодняшний день принято выделять три Это теплопроводность, конвекция и излучение. Начнем с первой, пожалуй.

Способы

Так называется свойство того или иного материального тела совершать перенос энергии. При этом она переносится от более нагретой части к той, что холоднее. В основе этого явления лежит принцип хаотичного движения молекул. Это так называемое броуновское движение. Чем больше температура тела, тем активнее в нем двигаются молекулы, поскольку они обладают большей кинетической энергией. В процессе теплопроводности участвуют электроны, молекулы, атомы. Осуществляется она в телах, разные части которых имеют неодинаковую температуру.

Если вещество способно проводить тепло, мы можем говорить о наличии количественной характеристики. В данном случае ее роль играет коэффициент теплопроводности. Эта характеристика показывает, какое количество теплоты пройдет через единичные показатели длины и площади за единицу времени. При этом температура тела изменится ровно на 1 К.

Ранее считалось, что обмен теплом в различных телах (в том числе и теплопередача ограждающих конструкций) связана с тем, что от одной части тела к другой перетекает так называемый теплород. Однако признаков его действительного существования никто так и не нашел, а когда молекулярно-кинетическая теория развилась до определенного уровня, про теплород все и думать забыли, поскольку гипотеза оказалось несостоятельной.

Конвекция. Теплопередача воды

Под этим способом обмена тепловой энергией понимается передача при помощи внутренних потоков. Давайте представим себе чайник с водой. Как известно, более нагретые воздушные потоки поднимаются наверх. А холодные, более тяжелые, опускаются вниз. Так почему же с водой все должно быть иначе? С ней все абсолютно так же. И вот в процессе такого цикла все слои воды, сколько бы их ни было, нагреются до наступления состояния теплового равновесия. В определенных условиях, конечно.

Излучение

Этот способ заключается в принципе электромагнитного излучения. Оно возникает благодаря внутренней энергии. Сильно вдаваться в теорию не станем, просто отметим, что причина здесь заключается в устройстве заряженных частиц, атомов и молекул.

Простые задачи на теплопроводность

Сейчас поговорим о том, как на практике выглядит расчет теплопередачи. Давайте решим простенькую задачу, связанную с количество теплоты. Допустим, что у нас есть масса воды, равная половине килограмма. Начальная температура воды - 0 градусов по Цельсию, конечная - 100. Найдем количество теплоты, затраченное нами для нагревания этой массы вещества.

Для этого нам потребуется формула Q = cm(t 2 -t 1), где Q - количество теплоты, c - удельная m - масса вещества, t 1 - начальная, t 2 - конечная температура. Для воды значение c носит табличный характер. Удельная теплоемкость будет равна 4200 Дж/кг*Ц. Теперь подставляем эти значения в формулу. Получим, что количество теплоты будет равно 210000 Дж, или 210 кДж.

Первое начало термодинамики

Термодинамика и теплопередача связаны между собой некоторыми законами. В их основе - знание о том, что изменения внутренней энергии внутри системы можно достичь при помощи двух способов. Первый - совершение механической работы. Второй - сообщение определенного количества теплоты. На этом принципе базируется, кстати, первый закон термодинамики. Вот его формулировка: если системе было сообщено некоторое количество теплоты, оно будет потрачено на совершение работы над внешними телами или на приращение ее внутренней энергии. Математическая запись: dQ = dU + dA.

Плюсы или минусы?

Абсолютно все величины, которые входят в математическую запись первого закона термодинамики, могут быть записаны как со знаком “плюс”, так и со знаком “минус”. Причем выбор их будет диктоваться условиями процесса. Допустим, что система получает некоторое количество теплоты. В таком случае тела в ней нагреваются. Следовательно, происходит расширение газа, а значит, совершается работа. В итоге величины будут положительными. Если же количество теплоты отнимают, газ охлаждается, над ним совершается работа. Величины примут обратные значения.

Альтернативная формулировка первого закона термодинамики

Предположим, что у нас есть некий периодически действующий двигатель. В нем рабочее тело (или же система) совершают круговой процесс. Его принято называть циклом. В итоге система вернется к первоначальному состоянию. Логично было бы предположить, что в таком случае изменение внутренней энергии будет равным нулю. Получается, что количество теплоты станет равно совершенной работе. Эти положения позволяют сформулировать первый закон термодинамики уже по-другому.

Из него мы можем понять, что в природе не может существовать вечный двигатель первого рода. То есть, устройство, которое совершает работу в большем количестве по сравнению с полученной извне энергией. При этом действия должны совершаться периодически.

Первое начало термодинамики для изопроцессов

Рассмотрим для начала изохорический процесс. При нем объем остается постоянным. А значит, изменение объема будет равно нулю. Следовательно, работа так же будет равна нулю. Выкинем это слагаемое из первого начала термодинамики, после чего получим формулу dQ = dU. Значит, при изохорическом процессе все тепло, подведенное к системе, уходит на увеличение внутренней энергии газа или смеси.

Теперь поговорим об изобарическом процессе. Постоянной величиной в нем остается давление. При этом внутренняя энергия будет изменяться параллельно совершению работы. Вот первоначальная формула: dQ = dU + pdV. Мы можем легко вычислить совершаемую работу. Она будет равна выражению uR(T 2 -T 1). Кстати, это есть физический смысл универсальной газовой постоянной. При наличии одного моля газа и разнице температур, составляющей один Кельвин, универсальная газовая постоянная будет равна работе, совершаемой при изобарическом процессе.

Определение 1

Термодинамика считается разделом физики, занимающимся изучением взаимных преобразований разнообразных видов энергии, взаимосвязанных с ее переходом в формат теплоты и работы.

Главное практическое значение термодинамики заключается в возможности расчетов тепловых эффектов реакции, предварительного указания вероятности или невероятности осуществления реакции и также условия ее прохождения.

Определение 2

Теплопередача является физическим процессом, чья суть будет заключаться в передаче тепловой энергии. Обмен производится между двумя телами либо их системой. Обязательным условием в таком случае станет передача тепла от сильно нагретых тел менее нагретым.

Суть термодинамики в физике

Термодинамика, являясь составной частью теплотехники, занимается изучением законов превращений энергии в разных химических и физических процессах, которые производятся в макроскопических системах и сопровождаются при этом тепловыми эффектами.

Известны такие разновидности энергии:

• тепловая;
• электрическая;
• химическая;
• магнитная и др.

В качестве основных задач исследований в физике выделяют термодинамику биосистем и техническую термодинамику.

Техническая термодинамика, в свою очередь, занимается исследованием закономерностей взаимных превращений механической и тепловой энергий (в комплексе с теорией теплообмена) и поэтому выступает в качестве теоретического фундамента теплотехники, отсутствие которого сделало бы невозможным расчет и проектирование теплового двигателя.

Метод, задействованный в термодинамике, является феноменологическим. Явление здесь рассматривается в целом. Связь макроскопических параметров, определяющих поведение системы, устанавливается двумя началами термодинамики.

Также в термодинамике существует такое важное понятие, как термодинамическая система, которую следует рассмотреть более детально, для лучшего понимания процессов термодинамики.

Термодинамическая система

Рисунок 1. Термодинамическая система. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Замечание 1

Термодинамическая система представляет собой комплекс материальных тел, пребывающих в состоянии механического и теплового взаимодействий между собой и также – с внешними телами, которые окружают систему (речь идет о внешней среде).

Выбор системы в таком случае будет произвольным и диктоваться условиями предлагаемой для решения задачи. Не входящие в систему тела получили название окружающей среды. Сама система, в то же время, отделяется от окружающей среды посредством контрольной поверхности (специальной оболочки).

Так, для простейшей системы (например, газа), который заключен под поршнем в цилиндре, в качестве внешней среды выступит окружающий воздух, а контрольных поверхностей - стенки цилиндра и сам поршень.

Взаимодействие механического и теплового типа термодинамической системы осуществляются за счет контрольных поверхностей. В процессе механического взаимодействия будет совершаться работа, выполняемая либо самой системой, или над ней.

В общем случае на систему способны воздействовать магнитные, электрические и прочие силы, под чьим воздействием ею будет совершаться работа. Данные виды работ также могут учитываться в рамках термодинамики.

Тепловое взаимодействие будет заключаться в рамках перехода теплоты между отдельными телами системы, а также - между системой и окружающей средой. В наиболее распространенных примерах теплота может подводиться к газу за счет стенок цилиндра.

В наиболее общем случае система может производить обмен со средой и веществом (вид массообменного взаимодействия). Подобная система получила название открытой). Паровые или газовые потоки в турбинах и трубопроводах представляют собой примеры открытых систем. В случае не прохождения вещества сквозь границы системы, она будет называться закрытой.

Термодинамическая система, не способная обмениваться теплотой с окружающей средой, считается теплоизолированной (или адиабатной). В качестве примера подобной системы может выступить газ, пребывающий внутри сосуда, чьи стенки покрыли идеальной тепловой изоляцией, исключающей возможность теплового обмена между газом, заключенным в сосуде, и окружающими телами (адиабатная изоляционная оболочка).

Замкнутая (изолированная) система представляет собой систему, не обменивающуюся с внешней средой ни посредством энергии, ни за счет вещества.

В качестве простейшей термодинамической системы может выступать рабочее тело, способное осуществлять взаимное превращение работы и теплоты. В двигателе внутреннего сгорания, к примеру, рабочим телом будет являться горючая смесь, которая приготовлена в карбюраторе (состоящая из бензиновых паров и воздуха).

Особенности процесса теплопередачи

Теплопередача считается той самой разновидностью явления, чье осуществление возможно и в условиях прямого контакта, и при присутствии разделяющих перегородок (где преградами могут стать использованные тела, а также, материалы среды).

Происхождение процесса тепловой передачи становится вероятным в тех случаях, когда не наблюдается состояние теплового равновесия. Иными словами, когда у одного из объектов наблюдается большая или меньшая температура, сравнительно с другим. Только в таких случаях и осуществляется передача тепловой энергии.

Ее завершение произойдет тогда, когда сама система придет в состояние теплового (или термодинамического) равновесия. Процесс будет осуществляться самопроизвольно (о чем свидетельствует второе начало термодинамики).

Способы теплопередачи и теплопроводность

Процесс теплопередачи можно разделить на следующие три способа, которым присуща основная природа (а внутри них выделяются определенные подкатегории со своими характерными особенностями):

• теплопроводность (свойство определенного материального тела осуществлять перенос энергии от более нагретой к той, что похолоднее);
• конвекция (своеобразный процесс тепловой передачи, в ходе которого частицы веществ будут перемешиваться между собой, подобное действие наблюдается в жидкостях и газах);
• излучение (электромагнитное излучение, чье возникновение становится возможным, благодаря внутренней энергии тела. Обладает сплошным спектром, интенсивность и расположение максимума которого зависимы от температуры тела).

В основе такого явления, как теплопроводность, положен принцип хаотичного движения перемещения молекул (что представляет так называемое броуновское движение). Чем большей становится температура тела, тем активнее в нем начинают двигаться молекулы (из-за обладания большей кинетической энергией).

В процессе теплопроводности активное участие принимают атомы, электроны, молекулы. Осуществляется она в телах, чьим разным частям свойственна неодинаковая температура.

В случае способности вещества проводить тепло, можно говорить о присутствии количественной характеристики. В данном случае эта роль выполняется коэффициентом теплопроводности. Подобная характеристика демонстрирует количество теплоты, которое пройдет через единичные показатели площади и длины за единицу времени. При этом наблюдается изменение температуры тела ровно на 1 К.

ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Учебное пособие

УДК 621.1:536.7(07)

Термодинамика и теплопередача : Учебное пособие / В. Н. Кузнецов, В. В. Овсянников, А. С. Анисимов, М. В. Кокшаров, В. В. Крайнов; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. 128 с.

В первых трех разделах настоящего учебного пособия рассмотрены состояние газа, газовые процессы и газовые циклы с анализом эффективности работы двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок. В четвертом разделе представлены свойства воды и водяного пара, циклы паросиловых установок, пути повыше­ния их экономичности; приведены сведения о циклах холодильных установок и свойствах влажного воздуха. Пятый раздел посвящен изучению закономерностей основных видов теплопереноса – теплопроводности, конвективного теплообмена и лучеиспускания. В приложениях приведены справочные данные, необходимые для решения теплотехнических задач.

Пособие предназначено для студентов нетеплотехнических специальностей.

Библиогр.: 7 назв. Табл. 4. Рис. 90.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. И. Гриценко;

доктор техн. наук, профессор А. С. Ненишев;

доктор техн. наук, профессор Е. И. Сковородников.

Введение.. 5

1. Основные понятия и определения. Состояние газа... 7

1.1. Метод термодинамики. Термодинамическая система. Рабочее тело... 7

1.2. Основные параметры состояния, их измерение.. 8

1.3. Законы идеального газа... 11

1.4. Смеси идеальных газов... 14

1.5. Понятие теплоемкости газов... 17

2. Первый закон термодинамики. Газовые процессы.... 19

2.1. Виды энергии, внутренняя энергия, внешняя работа... 19

2.2. Уравнение первого закона термодинамики. Энтальпия газа... 21

2.3. Энтропия. Свойства Т, s-диаграммы.... 24

2.4. Термодинамические процессы, их исследование.. 26

2.5. Процессы сжатия в компрессоре.. 38

3. Второй закон термодинамики. Газовые циклы.... 42

3.1. Цикл, его термический КПД. Понятие обратного цикла... 42

3.2. Цикл Карно. Формулировки второго закона термодинамики... 45

3.3. Энтропия необратимых процессов... 49

3.4. Циклы двигателей внутреннего сгорания... 51

3.5. Циклы газотурбинных установок... 58

4. Водяной пар... 62

4.1. Свойства воды и водяного пара. Диаграммы состояния р, v; T, s; h, s 62

4.2. Истечение и дросселирование газов и паров... 69

4.3. Цикл Ренкина. Пути повышения КПД паросиловых установок... 79

4.4. Цикл холодильной установки... 87

4.5. Влажный воздух... 88

5. Основы теплообмена... 93

5.1. Теплопроводность... 96

5.2. Конвективный теплообмен... 101

5.3. Теплопередача... 107

5.4. Теплообмен излучением.... 110

5.5. Теплообменные аппараты.... 116

Библиографический список... 121

Приложение. Таблицы физических свойств различных веществ... 122

Введение

Настоящее пособие предназначено для студентов высших учебных заведений Федерального агентства железнодорожного транспорта, обучающихся по тепловозной, вагонной и машиностроительной специальностям механического факультета, а также для специальности «Подвижной состав электрического транспорта» электромеханического факультета.

Курс «Термодинамика и теплопередача» предполагает подготовку студентов по теоретическим основам теплотехники. Первые четыре раздела посвящены изучению свойств газов и паров, процессов изменения их состояния, термодинамических циклов различных тепловых двигателей и холодильных установок. В пятом разделе рассматриваются основы теплообмена, способы интенсификации передачи тепла в тепломассообменных аппаратах.

Основным содержанием технической термодинамики является изучение процессов взаимного преобразования тепловой и механической энергии. В основу термодинамики положены два основных закона, установленных многовековым опытом деятельности человечества. Первый закон термодинамики характеризует балансовую сторону процессов превращения энергии. Он является количественным выражением закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам. Второй закон термодинамики устанавливает направленность протекания процессов.

Цикличность протекания процессов в реальных теплосиловых установках позволяет ввести понятие цикла и его термического коэффициента полезного действия. Такой метод термодинамики дает возможность оценки эффективности тепловых двигателей, применяемых на предприятиях промышленности и транспорта, наметить пути повышения их экономичности и надежности.

Разработка и эксплуатация теплогенерирующих и теплопотребляющих установок связана с вопросами увеличения мощности теплового потока через единицу площади поверхности стенки, снижения тепловых потерь в окружающую среду, улучшения свойств теплопроводящих и теплоизоляционных материалов, выбора оптимальных характеристик теплоносителей и рациональной конструкции теплообменных аппаратов. В основе решения этих вопросов лежит учение о теплообмене, под которым понимают перенос тепла от одних частей системы к другим при наличии разности температур между ними.