Wprowadzenie do wymiany ciepła: jak działa wymiana ciepła?

Co to jest ciepło? Jak zachodzi wymiana ciepła? Jaki wpływ na materię ma przenoszenie ciepła z jednego ciała na drugie? Oto, co musisz wiedzieć:

Transfer ciepła jest procesem, w którym energia wewnętrzna z jednej substancji przechodzi do innej substancji. Termodynamika jest studium wymiany ciepła i wynikających z niego zmian. Zrozumienie wymiany ciepła ma kluczowe znaczenie dla analizy proces termodynamiczny, takie jak te, które mają miejsce w silnikach cieplnych i pompach ciepła.

Zgodnie z teorią kinetyczną energia wewnętrzna substancji powstaje z ruchu poszczególnych atomów lub cząsteczek. Energia cieplna jest formą energii, która przenosi tę energię z jednego ciała lub układu do drugiego. Ten transfer ciepła może odbywać się na wiele sposobów:

• Przewodzenie ma miejsce, gdy ciepło przepływa przez ogrzane ciało stałe przez prąd cieplny poruszanie się po materiale. Podczas ogrzewania elementu palnika kuchennego lub pręta metalowego można zaobserwować przewodzenie, które zmienia się z czerwonego na białe.
instagram viewer
• Konwekcja ma miejsce, gdy ogrzane cząstki przenoszą ciepło na inną substancję, na przykład gotując coś we wrzącej wodzie.
• Promieniowanie ma miejsce, gdy ciepło jest przenoszone przez fale elektromagnetyczne, na przykład ze słońca. Promieniowanie może przenosić ciepło przez pustą przestrzeń, podczas gdy dwie pozostałe metody wymagają pewnego rodzaju kontaktu materii z materią.

Aby dwie substancje oddziaływały na siebie, muszą się znajdować kontakt termiczny ze sobą. Jeśli pozostawisz piekarnik otwarty podczas włączania i staniesz kilka stóp przed nim, będziesz w kontakcie termicznym z piekarnikiem i poczujesz ciepło, które przenosi na ciebie (przez konwekcję w powietrzu).

Zwykle oczywiście nie odczuwa się ciepła z piekarnika, gdy znajduje się kilka stóp od ciebie, a to dlatego, że piekarnik ma izolacja cieplna aby utrzymać ciepło w środku, zapobiegając w ten sposób kontaktowi termicznemu z zewnętrzną częścią piekarnika. To oczywiście nie jest idealne, więc jeśli staniesz w pobliżu, poczujesz ciepło z piekarnika.

Równowaga termiczna ma miejsce, gdy dwa przedmioty, które są w kontakcie termicznym, nie przenoszą już ciepła między nimi.

Podstawowym efektem przenoszenia ciepła jest to, że cząsteczki jednej substancji zderzają się z cząsteczkami innej substancji. Bardziej energetyczna substancja zazwyczaj traci energię wewnętrzną (tj. „Ochładza się”), podczas gdy substancja mniej energetyczna zyskuje energię wewnętrzną (tj. „Nagrzewa się”).

Najbardziej rażącym skutkiem tego w naszym codziennym życiu jest przejście fazowe, w którym substancja zmienia się z jednej stan materii do innego takiego jak topnienie lodu od ciała stałego do cieczy, ponieważ pochłania ciepło. Woda zawiera więcej energii wewnętrznej (tj. cząsteczki wody poruszają się szybciej) niż w lodzie.

Ponadto przechodzi przez wiele substancji rozszerzalność termiczna lub skurcz termiczny gdy zdobywają i tracą energię wewnętrzną. Woda (i inne płyny) często się rozszerza, gdy zamarza, co odkrył każdy, kto zbyt długo wkładał napój do czapki do zamrażarki.

The pojemność cieplna obiektu pomaga zdefiniować, w jaki sposób temperatura tego obiektu reaguje na pochłanianie lub przekazywanie ciepła. Pojemność cieplna definiuje się jako zmianę ciepła podzieloną przez zmianę temperatury.

Wymiana ciepła opiera się na kilku podstawowych zasadach, które stały się znane jako prawa termodynamiki, które określają, w jaki sposób przenoszenie ciepła odnosi się do pracy wykonanej przez system, i nakładają pewne ograniczenia na to, co system może osiągnąć.

Edytowany przez Dr Anne Marie Helmenstine