Тепло

редактировать
Передача энергии, кроме термодинамической работы или передачи материи

Солнце и Земля представляет собой продолжающийся пример процесса сообщения. Часть теплового излучения Солнца ударяет и нагревает Землю. По сравнению с Солнцем, Земля имеет гораздо более низкую температуру и поэтому отправляет гораздо меньше теплового излучения обратно Солнцу. Теплота этого процесса может быть определена количественно по чистому количеству и направлению (от Солнца к Земле) энергии, переданной им за заданный период времени.

В термодинамике, тепло представляет собой энергию, передаваемую в термодинамическую систему или из нее с помощью механизмов, отличных от термодинамической работы или передачи вещества. Различные механизмы передачи энергии, определяющие тепло, приведены в следующем разделе этой статьи.

Подобно термодинамической работе, теплопередача - это процесс, в котором участвует более одной системы, а не свойство какой-либо одной системы. В термодинамике энергия, передаваемая в виде тепла, способствует изменению кардинальной энергии стандартных состояний системы, например, ее внутренней, или, например, ее энтальпия. Это следует отличать от концепции тепла в обычном языке как свойства изолированной системы.

Количество энергии, переданной в виде тепла в процессе, - это количество переданной энергии, исключая любую термодинамическую работу, которая была совершена, и любую переданную энергию, содержащуюся в веществе. Для точного определения тепла необходимо, чтобы оно происходило по пути, который не включает переносящее вещество.

Хотя не по определению, но в большом количестве энергии, передаваемое в виде тепла можно измерить по его влиянию на состояния взаимодействующих тел. Например, при особых обстоятельствах, соответственно, теплопередача может быть измерена по количеству растаявшего льда или по изменению температуры тела в окружающей системе. Такие методы называются калориметрия.

. Обычным символом, используемым для обозначения количества энергии, переданного в термодинамическом процессе, является Q. В качестве передаваемой энергии единица СИ тепла это джоуль (Дж).

Содержание

  • 1 Механизмы передачи, определяющие тепло
  • 2 Обозначения и единицы измерения
  • 3 Классическая термодинамика
    • 3.1 Тепло и энтропия
    • 3.2 Тепло и энтальпия
  • 4 История
    • 4.1 Каратеодори (1909)
  • 5 Теплопередача
    • 5.1 Теплообмен между двумя телами
    • 5.2 Тепловой двигатель
    • 5.3 Тепловой насос или холодильник
    • 5.4 Макроскопический вид
    • 5.5 Вид под микроскопом
    • 5.6 Калориметрия
    • 5.7 Инженерное дело
  • 6 Скрытое и явное тепло
  • 7 Теплоемкость
  • 8 «Жаркость»
  • 9 См.
  • 10 Ссылки
    • 10.1 Цитаты
    • 10.2 Библиография процитированных источников
    • 10.3 Дополнительная библиография
  • 11 Внешние ссылки

Механизмы передачи, определяющие тепло

Механизмы передачи энергии, которые также определяют тепло, включая проводимость посредством контакта неподвижного прямого тел, или через барьер, непроницаемый для материи; или излучение между разделенными телами; или трение из-за изохорной механической, электрической, магнитной или гравитационной работы, совершаемой окружением в интересующей системе, например джоулева сообщение за счет электрического тока проходит через интересующую систему внешнюю систему или через магнитную мешалку . Когда существует подходящий путь между двумя системами с разными температурами, теплопередача происходит обязательно, немедленно и спонтанно от горячей системы к более холодной. Теплопроводность происходит за счет стохастического (случайного) движения микроскопических частиц (например, атомов или молекул). Напротив, термодинамическая работа включает механизмы, которые создают макро и непосредственно на переменные состояния всего тела системы ; например, изменение системы объема за счет движения поршня с измеряемой извне силой; или изменение внутренней электрической поляризации системы посредством измеряемого извне изменения электрического поля. Определение теплопередачи не требует, чтобы процесс был в каком-либо смысле плавным. Например, молния может передать тепло телу.

Конвективная циркуляция позволяет одному телу нагревать другое через промежуточную циркулирующую жидкость, которая переносит энергию от границы одного тела к границе другого; Фактическая тепло происходит за счет теплопроводности и излучения между жидкостью и передачей телами. Конвективная циркуляция, хотя и спонтанная, не обязательно и сразу возникает просто из-за небольшой разницы температур; для того, чтобы это произошло в расположении систем, необходимо преодолеть порог.

Хотя тепло самопроизвольно перетекает от более горячего тела к более холодному, можно сконструировать тепловой насос, который затрачивает работу на передачу энергии от более холодного тела к более горячему. Напротив, тепловой двигатель уменьшает существующую разницу температур для обеспечения работы другой системы. Другим термодинамическим типом устройства теплопередачи является активным рассеиватель тепла, который затрачивает работу по ускорению передачи энергии в более холодную среду от более горячего тела, например, компонента компьютера.

Обозначения и единицы

В качестве формы энергии тепло имеющей единицу джоуль (Дж) в Международной системе (СИ). Однако во многих прикладных областях техники часто используются британские тепловые единицы (БТЕ) ​​и калорийность. Стандартной измерения скорости передачи тепла является ватт (Вт), определяемый как один джоуль в секунду.

Использование символа Q для общего количества энергии, которое должно быть передано в виде тепла, связано с Рудольфом Клаузиусом в 1850 году:

«Пусть количество тепла, которое должно быть передано во время перехода газа определенным» образом из любого данного состояния в другом, в котором его объем равен v, его температура t, назовем Q "

Тепло, используемое системой в ее окружении, условно является отрицательной величиной (Q < 0); when a system absorbs heat from its surroundings, it is positive (Q>0). поток в единицу времени обозначается как Q ˙ {\ displaystyle {\ dot {Q}}}{\dot {Q}}. Это не следует путать с производной по времени функции состояния (которое также может быть Определен тепловой поток как коэффициент теплопередачи на единицу площади поперечного сечения (ватт на квадратный метр).

Классическаяодинамика

Тепло и энтропия

Рудольф Клаузиус

В 1856 году Ру дольф Клаузиус, имея в виду закрытые системы, в которых не происходит переноса вещества, определил вторую фундаментальную теорему (второй закон термодинамики ) в механической теории тепла (термодинамика ): «если два превращения, которые без необходимости другие постоянные изменения, могут взаимно заменять друг друга, называться эквивалентными, выработки количества тепла Q из при температуре T, имеют значение эквивалентности:«

QT. {\ displaystyle {} {\ frac {Q} {T}}.}{}{\frac {Q}{T}}.

В 1865 году он пришел к определению энтропии, символизируемой S, так что из-за поступления количества тепла Q при температуре T энтропия системы увеличивается на

Δ S = QT (1) {\ displaystyle \ Delta S = {\ frac {Q} {T}} \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, (1)}\Delta S={\frac {Q}{T}}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(1)

При передаче энергии виде тепла без выполнения работы выполненных изменений энтропии как в окружающей среде, которая теряет тепло, так и в системе который получает это. Увеличение ΔS энтропии в системе можно рассматривать как состоящее из двух частей: приращения ΔS ', которое соответствует или "компенсирует" изменение -ΔS' энтропии в окружающей среде, и дальнейшего приращения, ΔS ′ ′, который можно рассматривать как «генерируемый» или «генерируемый произведенный» »В системе и, следовательно, называемый« нескомпенсированный ». Таким образом,

Δ S = Δ S ′ + Δ S ′ ′. {\ displaystyle \ Delta S = \ Delta S ^ {\ prime} + \ Delta S ^ {\ prime \ prime}.}\Delta S=\Delta S^{\prime }+\Delta S^{\prime \prime }.

Это также может быть записано как

Δ S system = Δ S с компенсацией + Δ S без компенсации с компенсацией Δ S = - Δ S окружающей среды. {\ displaystyle \ Delta S _ {\ mathrm {system}} = \ Delta S _ {\ mathrm {компенсированный}} + \ Delta S _ {\ mathrm {некомпенсированный}} \, \, \, \, {\ text { with}} \, \, \, \, \ Delta S _ {\ mathrm {компенсированный}} = - \ Delta S _ {\ mathrm {окружение}}.}\Delta S_{\mathrm {system} }=\Delta S_{\mathrm {compensated} }+\Delta S_{\mathrm {uncompensated} }\,\,\,\,{\text{with}}\,\,\,\,\Delta S_{\mathrm {compensated} }=-\Delta S_{\mathrm {surroundings} }.

Таким образом, общее изменение энтропии в системе и в среде окружающей составляет

Δ S общая = Δ S ′ + Δ S ′ ′ - Δ S ′ = Δ S ′ ′. {\ Displaystyle \ Delta S _ {\ mathrm {total}} = \ Delta S ^ {\ prime} + \ Delta S ^ {\ prime \ prime} - \ Delta S ^ {\ prime} = \ Delta S ^ {\ prime \ prime}.}\Delta S_{\mathrm {overall} }=\Delta S^{\prime }+\Delta S^{\prime \prime }-\Delta S^{\prime }=\Delta S^{\prime \prime }.

Это также может быть записано как

Δ S общий = Δ S с компенсацией + Δ S без компенсации + Δ S окружение = Δ S без компенсации. {\ displaystyle \ Delta S _ {\ mathrm {total}} = \ Delta S _ {\ mathrm {Compensated}} + \ Delta S _ {\ mathrm {uncompensated}} + \ Delta S _ {\ mathrm {окружение}} = \ Delta S_ {\ mathrm {uncompensated}}.}\Delta S_{\mathrm {overall} }=\Delta S_{\mathrm {compensated} }+\Delta S_{\mathrm {uncompensated} }+\Delta S_{\mathrm {surroundings} }=\Delta S_{\mathrm {uncompensated} }.

Затем говорят, что некоторое количество энтропии ΔS 'было передано из окружающей среды в систему. Исключение из общего значения выражения, в котором указанная сумма является сохраняемой величиной, является исключительной из общего сообщения.

Из второго начала термодинамики следует, что при самопроизвольной передаче тепла, при которой температура системы отличается от температуры окружающей среды:

Δ S o v e r a l l>0. {\ displaystyle \ Delta S _ {\ mathrm {total}}>0.}\Delta S_{\mathrm {overall} }>0.

В целях математического анализа фиктивные процессы, которые называются обратимыми, при этой температуре системы едва ли меньше температуры T

Следуя приведенному выше определению в формуле (1), для фиктивного обратимого процесса количества переданного тепла δQ (неточная разность ) анализируется как величина T dS с dS (точным дифференциалом ):

T d S = δ Q. {\ Displaystyle T \, \ mathrm {d} S = \ delta Q.}T\,\mathrm {d} S=\delta Q.

Это равенство действительно только для фиктивного переноса, в котором нет производства энтропии, то есть в котором нет некомпенсированной энтропии.

Если, напротив, процесс естественный, и действительно может произойти, с необратимостью, то есть производство энтропии, с dS без компенсации>0. Величина T dS некомпенсиров анная была названа Клаузиусом «нескомпенсированным», хотя это не согласуется с современной терминологией. Тогда

T d S = δ Q + T d S без компенсации>δ Q. {\ displaystyle T \, \ mathrm {d} S = \ delta Q + T \, \ mathrm {d} S _ {\ mathrm { некомпенсированный}}>\ delta Q.}T\,\mathrm {d} S=\delta Q+T\,\mathrm {d} S_{\mathrm {uncompensated} }>\ delta Q.

Это приводит к утверждению

T d S ≥ δ Q (второй закон). {\ Displaystyle T \, \ mathrm {d} S \ geq \ delta Q \ quad {\ rm {(второй \, \, закон)}} \,.}T\,\mathrm {d} S\geq \delta Q\quad {\rm {(second\,\,law)}}\,.

, который является вторым началом термодинамики для закрытых систем.

В неравновесной термодинамике, которая приближается, Энергия, как принято считать, имеет место через бесконечно малую разницу температур, так что элемент системы и окружение имеют достаточно примерно одинаковую температуру T. Затем пишут

d S = d S е + d S я, {\ Displaystyle \ ма thrm {d} S = \ mathrm {d} S _ {\ mathrm {e}} + \ mathrm {d} S _ {\ mathrm {i}} \,,}\mathrm {d} S=\mathrm {d} S_{\mathrm {e} }+\mathrm {d} S_{\mathrm {i} }\,,

где по определению

δ Q = T d S e и d S i ≡ d S некомпенсировать d. {\ displaystyle \ delta Q = T \, \ mathrm {d} S _ {\ mathrm {e}} \, \, \, \, \, {\ text {and}} \, \, \, \, \, \ mathrm {d} S _ {\ mathrm {i}} \ Equiv \ mathrm {d} S _ {\ mathrm {uncompensated}}.}\delta Q=T\,\mathrm {d} S_{\mathrm {e} }\,\,\,\,\,{\text{and}}\,\,\,\,\,\mathrm {d} S_{\mathrm {i} }\equiv \mathrm {d} S_{\mathrm {uncompensated} }.

Второй закон естественного процесса утверждает, что

d S i>0. {\ displaystyle \ mathrm {d} S _ {\ mathrm {i}}>0.}\mathrm {d} S_{\mathrm {i} }>0.

Тепло и292 энтальпаль

Для закрытой системы (система, из которой можно выйти), одна из версий первого закона термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии ΔU системы равно количеству тепла Вышеупомянутое соглашение о знаках для работы используется в данной статье, но альтернативное соглашение о знаках, за которым следует IUPAC, для работы, применяется системой Q, подаваемому в систему, за вычетом количества из работы W, выполненной системой в ее окружении. заключается в рассмотрении работы, выполненной в соответствии с документом, принятым во многих современных учебниках физической химии, как Питер Аткинс и Айра Левин, но многие учебники по физике определяют работу, выполняемую системой.

Δ U = Q - W. {\ displaystyle \ Delta U = QW \,.}\Delta U=Q-W\,.

Эту формулу можно переписать так, Чтобы выразить определение количества энергии, передаваемой в виде тепла, основанное на концепции адиабатической работы, если ΔU определяется исключительно процессами адиабатической работы:

Q = Δ U + W. {\ displaystyle Q = \ Delta U + W.}Q=\Delta U+W.

Работа, выполняемая система, включает в себя граничную работу (когда система увеличивает свой объем против внешней силы, например, со стороны поршня) и работу (например, вал работа, выполняемая вентилятором компрессора), которая называется изохорной работой:

Q = Δ U + W граница + W изохорная. {\ displaystyle Q = \ Delta U + W _ {\ text {border}} + W _ {\ text {isochoric}}.}Q=\Delta U+W_{\text{boundary}}+W_{\text{isochoric}}.

В этом разделе мы пренебрегаем вкладом «другая-» или изохорной работы.

Внутренняя энергия U является функцией состояния . В циклических процессах, таких как работа теплового двигателя, функции состояния рабочего тела возвращаются к исходным значениям по завершении цикла.

Дифференциал, или бесконечно малое приращение внутренней энергии в бесконечно малом процессе, равен точному дифференциалу dU. Символ для точных дифференциалов - строчная буква d.

Напротив, ни одно из бесконечно малых приращений δQ или δW в бесконечно малом процессе не представляет состояние системы. Таким образом, бесконечно малые приращения тепла и работы неточными дифференциалами. Строчная греческая буква дельта, δ, обозначает неточные дифференциалы. Интеграл от любого неточного дифференциала за время, необходимую систему для выхода и возврата в одно и то же термодинамическое состояние, не обязательно равен нулю.

Как рассказывается ниже, в озаглавленном Энтропия, второй термодинамики отмечает, что если тепло подводится к системе, в которой не выполняется законные процессы и которая имеет определенную температуру T, приращение тепла δQ и температура T образуют точный дифференциал

d S = δ QT, {\ displaystyle \ mathrm {d} S = {\ frac {\ delta Q} {T}},}\mathrm {d} S={\frac {\delta Q}{T}},

и что S, энтропия рабочего тела, является функцией состояния. Аналогичным образом, при четко определенном давлении, давление P объединяется, сформированный точный дифференциал

d V = δ WP, {\ displaystyle \ mathrm {d} V = {\ frac {\ delta W} {P}},}\mathrm {d} V={\frac {\delta W}{P}},

где V - объем системы, который является стандартным состоянием. В общем, для однородных систем

d U = T d S - P d V. {\ displaystyle \ mathrm {d} U = T \ mathrm {d} SP \ mathrm {d} V.}\mathrm {d} U=T\mathrm {d} S-P\mathrm {d} V.

С дифференциальным уравнением связано то, что внутреннюю энергию можно рассматривать как функцию U (S, V) его естественных чисел S и V. Представление внутренней энергии фундаментального термодинамического отношения записывается как

U = U (S, V). {\ Displaystyle U = U (S, V).}U=U(S,V).

Если V постоянная

T d S = d U (V постоянная) {\ displaystyle T \ mathrm {d} S = \ mathrm {d} U \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, (V \, \, {\ text {constant)}}}T\mathrm {d} S=\mathrm {d} U\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(V\,\,{\text{constant)}}

и если P константа

T d S знак равно d ЧАС (P константа) {\ Displaystyle T \ mathrm {d} S = \ mathrm {d} H \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, (P \, \, {\ text {constant)}}}T\mathrm {d} S=\mathrm {d} H\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(P\,\,{\text{constant)}}

с H энтальпией, имеющей как

H = U + PV. {\ displaystyle H = U + PV.}H=U+PV.

Энтальпия может рассматриваться как функция H (S, P) ее естественных чисел S и P. Энтальпийное представление фундаментального термодинамического записывается как

H = H (S, P). {\ displaystyle H = H (S, P).}H=H(S,P).

Представление внутренней энергии и представление энтальпии являются частичным преобразованием Лежандра друг друга. Они содержат одинаковую физическую информацию, написанную по-разному. Как и внутренняя энергия, энтальпия, указанная функция ее естественного числа, является термодинамическим потенциалом и содержит термодинамическую информацию о теле.

Если к телу добавляется количество тепла Q во время его расширения W в его окружении

Δ H = Δ U + Δ (PV). {\ displaystyle \ Delta H = \ Delta U + \ Delta (PV) \,.}\Delta H=\Delta U+\Delta (PV)\,.

Если это должно происходить при постоянном давлении с ΔP = 0, работа расширения W, выполняемая телом, определяется выражением W = P ΔV; вспоминая первый закон термодинамики, мы имеем

Δ U = Q - W = Q - P Δ V и Δ (PV) = P Δ V. {\ displaystyle \ Delta U = QW = QP \, \ Delta V {\ text {и}} \ Delta (PV) = P \, \ Delta V \,.}\Delta U=Q-W=Q-P\,\Delta V{\text{ and }}\Delta (PV)=P\,\Delta V\,.

Следовательно, при замене получается

Δ H = Q - п Δ V + P Δ V {\ displaystyle \ Delta H = QP \, \ Delta V + P \, \ Delta V}\Delta H=Q-P\,\Delta V+P\,\Delta V
= Q при постоянном давлении. {\ Displaystyle = Q \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, {\ text {при постоянном давлении.}}}=Q\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\text{at constant pressure.}}

В этой сценарии увеличение энтальпии равно количеству тепла, добавляемого в систему. Ввод в действие «холодосодержание». Иногда его также называют тепловой функцией.

В терминах естественных переменных S и P функции состояния H этот процесс изменения состояния из состояния 1 в состояние 2 можно выразить как

Δ ЧАС знак равно ∫ S 1 S 2 (∂ H ∂ S) п d S + ∫ п 1 п 2 (∂ H ∂ P) S d P {\ displaystyle \ Delta H = \ int _ {S_ {1}} ^ {S_ {2}} \ left ({\ frac {\ partial H} {\ partial S}} \ right) _ {P} \ mathrm {d} S + \ int _ {P_ {1}} ^ {P_ {2}} \ left ({\ frac {\ partial H} {\ partial P}} \ right) _ {S} \ mathrm {d} P}\Delta H=\int _{S_{1}}^{S_{2}}\left({\frac {\partial H}{\partial S}}\right)_{P}\mathrm {d} S+\int _{P_{1}}^{P_{2}}\left({\frac {\partial H}{\partial P}}\right)_{S}\mathrm {d} P
= ∫ S 1 S 2 (∂ H ∂ S) P d S при постоянное давление. {\ displaystyle = \ int _ {S_ {1}} ^ {S_ {2}} \ left ({\ frac {\ partial H} {\ partial S}} \ right) _ {P} \ mathrm {d} S \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, {\ text {при постоянном давлении.}}}=\int _{S_{1}}^{S_{2}}\left({\frac {\partial H}{\partial S}}\right)_{P}\mathrm {d} S\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\text{at constant pressure.}}

Известно, что температура T (S, P) тождественно определяется как

(∂ H ∂ S) P ≡ T (S, P). {\ displaystyle \ left ({\ frac {\ partial H} {\ partial S}} \ right) _ {P} \ Equiv T (S, P) \,.}\left({\frac {\partial H}{\partial S}}\right)_{P}\equiv T(S,P)\,.

Следовательно,

Δ H = ∫ S 1 S 2 T (S, P) d S при постоянном давлении. {\ Displaystyle \ Delta H = \ int _ {S_ {1}} ^ {S_ {2}} T (S, P) \ mathrm {d} S \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, {\ text {при постоянном давлении.}}}\Delta H=\int _{S_{1}}^{S_{2}}T(S,P)\mathrm {d} S\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\text{at constant pressure.}}

В этом случае интеграл определяет количество тепла переносится при постоянном давлении.

История

Как существительное нарицательное, английское тепло или тепло (как французское chaleur, немецкое Wärme, латинское calor, греческое θάλπος и т. Д.) Относится к (человеческому восприятию ) либо тепловая энергия, либо температура. Спекуляции на тепловой энергии или «тепле» как на отдельной форме материи имеют долгую историю, см. теория калорий, флогистон и огонь (классический элемент).

Современные понимание тепловой энергии берет свое начало в Томпсоне 1798 механической теории тепла (Экспериментальноеисследование источника тепла, возбуждаемого трением ), постулируя механический эквивалент тепла. Сотрудничество между Николасом Клеманом и Сади Карно (Размышления о движущей силе огня ) в 1820-х годах имело сходное мышление. В 1845 году Джоуль опубликовал статью, озаглавленную «Механический эквивалент тепла», в которой он указан числовое значение механической работы, необходимой для «производства единицы тепла». Теория классической термодинамики сформировалась в 1850-1860-е гг. Джона Тиндалла «Тепло, рассматриваемое как способ движения» (1863) сыграло роль в популяризации идеи тепла среди русскоязычной публики. Теория была заложена в научных публикациях на французском, английском и немецком языках. С давних времен французский технический термин "халер" Карно, считался эквивалент английского тепла и немецкого Wärme (букв. «Тепло», эквивалент тепла будет немецким Hitze).

Технологическая функция Q была введена Рудольфом Клаузиусом в 1850 году. Клаузиус описал ее с помощью немецкого соединения Wärmemenge, что переводится как «количество тепла».

Джеймс Клерк Максвелл в своей Теории тепла 1871 года излагает четыре условия определения тепла:

  • Это то, что может передаваться от одного тела к другому, согласно второму закону термодинамики.
  • Это измеримая величина, и поэтому его можно рассматривать математически.
  • Его нельзя рассматривать как материальную субстанцию, потому что он может быть преобразован во что-то, что не является материальной субстанцией, например, механическая работа.
  • Тепло является одной из формы энергии.

функция процесса Q регистрируется Клаузиусом как Wärmemenge, или как «количество тепла» в переводе. Использование термина «используемая в виде тепла» в сокращенной форме конкретного понятия «количество энергии, передаваемой в виде тепла» привело к некоторой терминологической путанице к началу 20 века. Общее значение слова «тепло» даже в классической термодинамике - это просто «тепловая энергия». С 1920-х годов на практике было рекомендовано использовать энтальпию для обозначения «теплосодержания при постоянном объеме» и тепловой энергии, когда подразумевается «тепло» в общем смысле., в то время как «тепло» зарезервировано для очень специфического контекста передачи энергии между двумя системами. Леонард Бенедикт Лёб в своей Кинетической теории газов (1927) делает упор на использование «количества тепла» или «количества тепла» при обращении Q:

После совершенствования термометрии [...] Следующим достижением в области тепла было определение термина, который называется первым теплом. [... после отказа от теории калорий,] Все еще остается интерпретировать это очень определенное понятие, количество тепла, в терминальной теории, приписывающей все тепло кинетике молекул газа.

Каратеодори (1909)

Частое определение тепла основано на работе Каратеодори (1909), относящейся к процессам в замкнутой системе.

внутренняя энергия UXтела в произвольном состоянии X может быть определена количествами работы, адиабатически выполняемой телом над его окружением, когда оно начинается из эталонного состояния O. Такая работа оценивается с помощью величин, определенных в окружающей среде среде тело. Предполагается, что такую ​​работу можно оценить точно, без из-за трения в окружающей среде; трение в теле не исключается этим определением. Адиабатическое выполнение работы определяется в терминах адиабатических стенок, которые предоставляют энергию как работу, но не переносят другую энергию или вещество. В частности, они не пропускают энергию в виде тепла. Согласно этому определению, адиабатическая работа обычно сопровождается трением внутри термодинамической системы или тела. С другой стороны, согласно Каратеодори (1909), существуют также неадиабатические диатермальные стены, которые постулируются как проницаемые только для тепла.

Для определения количества передаваемой энергии в виде тепла обычно используется, что произвольное интересующее состояние достигается из состояния посредством процесса с двумя компонентами, одна адиабатическая, другая неадиабатическая. Для удобства можно сказать, что адиабатическая составляющая была суммой работы, совершенной телом посредством изменения объема движения стенок, в то время как неадиабатическая стенка была временно сделана адиабатической, и изохорной адиабатической работы. Тогда неадиабатический компонент - это процесс передачи энергии через стенку, которая пропускает только тепло, недавно сделанное доступным для этой передачи, от окружающей среды к телу. Изменение внутренней энергии для достижения состояния Y из состояния O - это разница двух переданных количеств энергии.

Хотя сам Каратеодори не давал такого определения, следуя его работе, в теоретических исследованиях принимают определение тепло Q, поступающее телу из окружающей среды, в объединенном процессе перехода в состояние Y из состояния O, как изменение внутренней энергии, ΔU Y, за вычетом количества работы, W, выполняемой телом на окружающей его среде в результате адиабатического процесса, так что Q = ΔU Y - W.

В этом определении, ради концептуальной строгости, количество энергии, передаваемой в виде тепла, не указывается напрямую в терминах неадиабатического процесса. Он определяет посредством знания ровно двух чисел, изменения внутренней энергии и количества проделанной адиабатической работы, для комбинированного процесса перехода от эталонного состояния O к произвольному состоянию Y. Важно, чтобы это явно не вовлекало количество энергии, передаваемое в неадиабатической составляющей комбинированного процесса. Здесь указано, что количество энергии, необходимое для перехода из состояния O в состояние Y, есть изменение внутренней энергии, известно независимо от комбинированного процесса путем определения посредством чисто адиабатического процесса, например, для определения внутренней энергии состояния X выше. Строгость, которая ценится в определении, заключается в том, что существует один и только один вид передачи энергии, признанный фундаментальным: энергия передается как работа. Передача энергии в виде тепла считается производной величиной. Уникальность работы в данной считается гарантией строгости и чистоты замысла. Концептуальная чистота этого определения, основанная на концепции передачи энергии в виде работы как идеальные понятия, основанные на идее, что некоторые концепции передачи энергии без трения и в других отношениях, недиссипативные процессы могут быть реализованы в физической действительности. Второй закон термодинамики, с другой стороны, убеждает нас, что такие процессы не встречаются в природе.

До того, как было дано строго математическое определение тепла, основанное на работе Каратеодори 1909 года, исторически тепло, температура и тепловое равновесие были представлены в учебниках по термодинамике как вместе примитивные понятия. Каратеодори представил свою статью 1909 года следующим образом: «Утверждение о том, что дисциплина термодинамики может быть оправдана без обращения к какой-либо гипотезе, которая не может быть проверена экспериментально, должна рассматриваться как один из наиболее примечательных результатов исследований в области термодинамики, которые были выполнены в последнем столетии.. «Ссылаясь на« точку зрения, принятую большинством авторов, которые работали в последние пятьдесят лет », Каратеодори писал:« Существует физическая величина, называемая теплотой, которая не идентична механической величинем (массе, силе, давлению и т. Д.). вариации могут быть калориметрическими измерениями ". Джеймс Серрин представляет изложение теории термодинамики следующим образом: «В следующем разделе мы будем использовать классические понятия тепла, работы и жара как примитивных элементов...» Это тепло подходящим и естественным примитивом для термодинамики был уже принят Карно. Его новая функция в примитивном элементе термодинамической структуры объясняется тем фактом. Это представление включает термодинамики, которые могут резюмировать утверждение, что теплопередача происходит исключительно из пространственной неоднородности температуры и происходит за счет проводимости и излучения от более горячих тел к более холодным. Иногда предлагается этот традиционный вид представлений опирался на «круговые рассуждения»; Против этого предложения выступает строго логическое математическое развитие теории, представленной Трусделлом и Бхаратой (1977).

Этот альтернативный подход к определению количества используемой энергии в виде тепла отличается по логической структуре от подхода Каратеодори., изложено чуть выше.

Этот альтернативный подход допускает калориметрию в качестве основного или метода прямого измерения количества энергии, переданной в виде тепла. Он полагается на температуру как на одну из своих примитивных концепций и используется в калориметрии. Предполагается, что физически существует процессов, чтобы можно было измерить разницу во внутренней энергии. Такие процессы не ограничиваются адиабатической передачей энергии как работой. Они включают наиболее распространенным практическим способом определения разницы внутренней энергии. Необходимая температура может быть эмпирической или абсолютной термодинамической.

Напряжение, способ Каратеодори, использует описанный чуть выше, не калориметрию или температуру в своем первичном значении энергии, передаваемую в виде тепла. Метод Каратеодори рассматривает калориметрию только как вторичный или косвенный способ измерения количества энергии, переданной в виде тепла. Как более подробно рассказывалось выше, способ Каратеодори рассматривает энергию, передаваемую в виде тепла в процессе, как первично или четко определяемое как остаточное количество. Он рассчитывается из разницы внутренних энергий начального и конечного состояния системы, а также из фактической работы, выполняемой системой во время процесса. Предполагается, что эта разница во внутренней энергии была измерена заранее посредством процессов чисто адиабатической передачи энергии в виде работы, процессов, которые переводят систему между начальным и конечным состояниями. По методу Каратеодори, как известно, из экспериментов, что на самом деле достаточно физически существует таких адиабатических процессов, так что нет необходимости прибегать к калориметрии для измерения количества энергии, передаваемой в виде тепла. Это предположение является существенным, но явно не обозначено ни как закон термодинамики, ни как аксиома пути Каратеодори. Фактически, реальное физическое существование таких адиабатических процессов, в основном, является предположением, предположением этих предполагаемых процессов в большинстве случаев не подтверждено эмпирически.

Теплопередача

Теплообмен между двумя телами

Что касается теплопроводности, Партингтон пишет: «Если горячее тело проводит в контакте с холодным телом,, температура горячего тела падает, а температура холодного тела повышается, и говорят, что некоторое количество тепла прошло от горячего тела к холодному ».

Что касается излучения, Максвелл пишет: «В« Излучении »более горячее тело теряет тепло, а более холодное тело получает тепло посредством процесса, происходящего в какой-то промежуточной среде, которая сама по себе не становится горячей».

Максвелл пишет, что конвекция как таковая «не является чисто тепловым явлением». В термодинамике конвекция обычно рассматривается как перенос внутренней энергии. Если, однако, конвекция является замкнутой и циркулирующей, то ее можно рассматривать как посредника, который передает энергию в виде тепла между источником и телом-получателем, потому что он передает только энергию, а не материю, от источника к телу-получателю.

В соответствии с первым законом для закрытых систем, энергия передается исключительно в виде тепла, покидающего одно тело и поступающего в другое, изменяя внутреннюю энергию каждого. Передача энергии между телами в виде работы является дополнительным способом изменения внутренней энергии. Хотя это не является логически строгим с точки зрения строгих физических понятий, обычная форма слов, выражающая это, - это сказать, что тепло и работа взаимозаменяемы.

Циклически работающие двигатели, использующие только тепло и передачу работы, имеют два резервуара тепла, горячий и холодный. Их можно классифицировать по диапазону рабочих температур рабочего тела относительно этих резервуаров. В тепловом двигателе рабочее тело всегда холоднее горячего резервуара и горячее холодного резервуара. В некотором смысле он использует теплопередачу для работы. В тепловом насосе рабочее тело на этапах цикла становится горячее, чем горячий резервуар, и холоднее, чем холодный резервуар. В некотором смысле он использует работу для передачи тепла.

Тепловой двигатель

В классической термодинамике обычно рассматриваемой моделью является тепловой двигатель. Он состоит из четырех частей: рабочего тела, горячего резервуара, холодного резервуара и рабочего резервуара. Циклический процесс оставляет рабочее тело в неизменном состоянии, и предполагается, что он будет повторяться бесконечно часто. Передача работы между рабочим органом и рабочим резервуаром предусмотрена как обратимая, поэтому требуется только один рабочий резервуар. Но необходимы два термальных резервуара, потому что передача энергии в виде тепла необратима. В одном цикле энергия, забираемая рабочим телом из горячего резервуара, направляется в два других резервуара, рабочий резервуар и холодный резервуар. Горячий резервуар всегда и только поставляет энергию, а холодный резервуар всегда и только получает энергию. Второй закон термодинамики требует, чтобы не мог возникнуть цикл, в котором энергия не поступает в холодный резервуар. Тепловые двигатели достигают большей эффективности, когда разница между начальной и конечной температурми больше.

Тепловой насос или холодильник

Другой обычно рассматриваемой моделью Тепловой насос или холодильник или холодильник. Снова есть четыре тела: рабочий орган, горячий резервуар, холодный резервуар и рабочий резервуар. Единый цикл начинается с того, что рабочее тело холоднее, чем холодный резервуар, а затем энергия забирается рабочим телом в виде тепла из холодного резервуара. Затем рабочий резервуар действует на рабочее тело, добавляя его внутренней энергии больше, чем горячий резервуар. Горячее рабочее тело передает горячим резервуару, но при этом остается горячим, чем холодный резервуар. Затем, позволяя ему расширяться, не выполняя работу с другим телом, рабочее тело становится холоднее, чем холодный резервуар. Теперь он может принимать теплопередачу от холодного резервуара, чтобы начать другой цикл.

Устройство переносило энергию из более холодного резервуара в более горячий, но это не считается неодушевленным агентом; скорее, это как использование работы. Это связано с тем, что работа поступает из рабочего цикла не только с помощью простого термодинамического процесса, но и с помощью цикла.

Последняя правка сделана 2021-05-23 04:37:22
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте