Hoy intentaremos encontrar la respuesta a la pregunta "¿La transferencia de calor es?…". En el artículo, consideraremos qué es el proceso, qué tipos existen en la naturaleza y también descubriremos cuál es la relación entre la transferencia de calor y la termodinámica.
Definición
La transferencia de calor es un proceso físico, cuya esencia es la transferencia de energía térmica. El intercambio tiene lugar entre dos cuerpos o su sistema. En este caso, un requisito previo será la transferencia de calor de los cuerpos más calientes a los menos calientes.
Características del proceso
La transferencia de calor es el mismo tipo de fenómeno que puede ocurrir tanto con el contacto directo como con las particiones de separación. En el primer caso, todo está claro, en el segundo, los cuerpos, los materiales y los medios pueden utilizarse como barreras. La transferencia de calor ocurrirá en los casos en que un sistema que consta de dos o más cuerpos no se encuentre en un estado de equilibrio térmico. Es decir, uno de los objetos tiene una temperatura más alta o más baja en comparación con el otro. Aquí es donde tiene lugar la transferencia de energía térmica. Es lógico suponer que terminará cuandocuando el sistema llega a un estado de equilibrio termodinámico o térmico. El proceso ocurre espontáneamente, como nos dice la segunda ley de la termodinámica.
Vistas
La transferencia de calor es un proceso que se puede dividir en tres formas. Tendrán un carácter básico, ya que dentro de ellos se pueden distinguir subcategorías reales, que tienen sus propios rasgos característicos junto con patrones generales. Hasta la fecha, es costumbre distinguir tres tipos de transferencia de calor. Estos son conducción, convección y radiación. Comencemos con el primero, quizás.
Métodos de transferencia de calor. Conductividad térmica
Este es el nombre de la propiedad de un cuerpo material para llevar a cabo la transferencia de energía. Al mismo tiempo, se transfiere de la parte más caliente a la más fría. Este fenómeno se basa en el principio del movimiento caótico de las moléculas. Este es el llamado movimiento browniano. Cuanto mayor es la temperatura del cuerpo, más activamente se mueven las moléculas en él, ya que tienen más energía cinética. Los electrones, las moléculas y los átomos participan en el proceso de conducción del calor. Se lleva a cabo en cuerpos, cuyas partes tienen diferentes temperaturas.
Si una sustancia es capaz de conducir el calor, podemos hablar de la presencia de una característica cuantitativa. En este caso, su papel lo juega el coeficiente de conductividad térmica. Esta característica muestra cuánto calor pasará a través de indicadores unitarios de longitud y área por unidad de tiempo. En este caso, la temperatura corporal cambiará exactamente en 1 K.
Anteriormente se creía que el intercambio de calor envarios cuerpos (incluida la transferencia de calor de las estructuras circundantes) se debe al hecho de que el llamado calórico fluye de una parte del cuerpo a otra. Sin embargo, nadie encontró signos de su existencia real, y cuando la teoría cinética molecular se desarrolló hasta cierto nivel, todos se olvidaron de pensar en el calórico, ya que la hipótesis resultó ser insostenible.
Convección. Transferencia de calor por agua
Este método de intercambio de energía térmica se entiende como transferencia mediante flujos internos. Imaginemos una tetera con agua. Como saben, las corrientes de aire más calientes suben a la parte superior. Y los fríos y más pesados se hunden. Entonces, ¿por qué el agua debería ser diferente? Es exactamente lo mismo con ella. Y en el proceso de tal ciclo, todas las capas de agua, sin importar cuántas haya, se calentarán hasta que se produzca un estado de equilibrio térmico. Bajo ciertas condiciones, por supuesto.
Radiación
Este método se basa en el principio de la radiación electromagnética. Proviene de la energía interna. No entraremos mucho en la teoría de la radiación térmica, simplemente notaremos que la razón aquí radica en la disposición de las partículas cargadas, los átomos y las moléculas.
Problemas simples de conducción de calor
Ahora hablemos de cómo se ve en la práctica el cálculo de la transferencia de calor. Resolvamos un problema simple relacionado con la cantidad de calor. Digamos que tenemos una masa de agua igual a medio kilogramo. Temperatura inicial del agua - 0 gradosCelsius, final - 100. Hallemos la cantidad de calor que gastamos para calentar esta masa de materia.
Para esto necesitamos la fórmula Q=cm(t2-t1), donde Q es la cantidad de calor, c es la capacidad calorífica específica del agua, m es la masa de la sustancia, t1 es la temperatura inicial, t2 es la temperatura final. Para el agua, el valor de c es tabular. La capacidad calorífica específica será igual a 4200 J/kgC. Ahora sustituimos estos valores en la fórmula. Obtenemos que la cantidad de calor será igual a 210000 J, o 210 kJ.
La primera ley de la termodinámica
La termodinámica y la transferencia de calor están interconectadas por algunas leyes. Se basan en el conocimiento de que los cambios en la energía interna dentro de un sistema se pueden lograr de dos maneras. El primero es el trabajo mecánico. El segundo es la comunicación de una cierta cantidad de calor. Por cierto, la primera ley de la termodinámica se basa en este principio. Aquí está su formulación: si se impartió una cierta cantidad de calor al sistema, se gastará en realizar trabajo en cuerpos externos o en aumentar su energía interna. Notación matemática: dQ=dU + dA.
¿Pros o contras?
Absolutamente todas las cantidades que se incluyen en la notación matemática de la primera ley de la termodinámica se pueden escribir tanto con un signo “más” como con un signo “menos”. Además, su elección estará dictada por las condiciones del proceso. Suponga que el sistema recibe cierta cantidad de calor. En este caso, los cuerpos en él se calientan. Por lo tanto, hay una expansión del gas, lo que significa quese está trabajando. Como resultado, los valores serán positivos. Si se quita la cantidad de calor, el gas se enfría y se realiza un trabajo sobre él. Los valores se invertirán.
Formulación alternativa de la primera ley de la termodinámica
Supongamos que tenemos un motor intermitente. En él, el cuerpo de trabajo (o sistema) realiza un proceso circular. Comúnmente se le llama ciclo. Como resultado, el sistema volverá a su estado original. Sería lógico suponer que en este caso el cambio en la energía interna será igual a cero. Resulta que la cantidad de calor será igual al trabajo realizado. Estas disposiciones nos permiten formular la primera ley de la termodinámica de una manera diferente.
De ella podemos entender que una máquina de movimiento perpetuo del primer tipo no puede existir en la naturaleza. Es decir, un dispositivo que realiza trabajo en mayor cantidad en comparación con la energía que recibe del exterior. En este caso, las acciones deben realizarse periódicamente.
Primera ley de la termodinámica para isoprocesos
Empecemos con el proceso isocórico. Mantiene el volumen constante. Esto significa que el cambio de volumen será cero. Por lo tanto, el trabajo también será igual a cero. Descartemos este término de la primera ley de la termodinámica, luego de lo cual obtenemos la fórmula dQ=dU. Esto significa que en un proceso isocórico, todo el calor suministrado al sistema se destina a aumentar la energía interna del gas o mezcla.
Ahora hablemos del proceso isobárico. La presión permanece constante. En este caso, la energía interna cambiará en paralelo con el trabajo. Aquí está la fórmula original: dQ=dU + pdV. Podemos calcular fácilmente el trabajo realizado. Será igual a la expresión uR(T2-T1). Por cierto, este es el significado físico de la constante universal de los gases. En presencia de un mol de gas y una diferencia de temperatura de un Kelvin, la constante universal de los gases será igual al trabajo realizado en un proceso isobárico.
