Визначення теплоємності та специфікації
Визначення теплоємності та специфікації. Тепло Теплоємність (Дж/К) Молярна питома теплоємність, молярна теплоємність (Дж/кг К) Подана теплота (Дж) Маса питомого тепла (Дж/кг К) Кількість речовини (моль) dq - це кількість теплоти, яку теплоємність тіла дервермекапа C масою м і для нагрівання різницею температур ΔT повинні подаватися питома теплота c кількості речовини ν та мольна теплоємність см. Визначення передбачає, що жодна лінія фазової межі не перетинається.
Калорійність і джоуль Визначення калорій (1 кал): кількість тепла для нагрівання 1 г води на 1 кельвін 1 кал = 4,19 Дж Питома теплоємність води c (H 2 0) = 1 ккал/(кг К) = 4,19 кДж/( кг К) Це найбільша питома теплоємність з усіх матеріалів! Цікаво У таблицях харчування вказано калорії замість кілокалорій (х 1000)!
Практичні міркування (1) 100 г шоколадної плитки має теплотворну здатність 600 кал = 600 ккал = 2514 кДж, щоб нагріти 6 літрів води при температурі 100 ° C, достатньо, щоб підняти альпініст на 100 кг на h = 2500 м проти сили тяжіння. (без урахування м'язової ефективності, тертя тощо.) достатньо, щоб випарувати 1 кг води, 1 кг втрати ваги через потовиділення відповідає лише близько 100 г втрати жиру! С. 122
Практичні міркування (2) Теплоємність води Гасіння пожежі: Висока теплоємність забезпечує швидке зниження температури вогню, а для гасіння океанів є важливими запасами тепла в глобальному кліматі Морський клімат Континентальний клімат c (H 2 0) = 10 x c (мідь) с. 123
Теплоємність твердого експерименту Спостереження: Два металеві блоки мають однаковий об’єм Обидва блоки мають однакову початкову температуру (100 С) Свинець важчий! Але: сталь тоне глибше в парафіні ! Чому ? Пояснення: Чисельна щільність n = ρ/м: Сталь має вищу внутрішню енергію
Правило Дулонга і Петі Внутрішня енергія твердої речовини при температурі T відповідає кількості теплоти, яка потрібна від 0, щоб нагріти її до температури T. Завдяки потенційній та кінетичній енергії атомів у кристалічній решітці внутрішня енергія твердої речовини дорівнює. Це означає, що всі тверді речовини мають однакову молярну теплоємність, незалежно від температури та властивостей матеріалу, правило Дюлонга-Петі (але: діє лише значно вище температури Дебая) с. 125
Питома теплота ідеального газу, при V = const. Якщо газ не виконує жодної роботи (PdV = 0), застосовується таке: Внутрішня енергія газу визначається кількістю частинок газу, ступенями свободи на частинку газу та температурою. Відповідно, мольна теплоємність становить: S. 126
Питома теплота ідеального газу, при P = const Якщо тиск повинен залишатися постійним під час нагрівання, ідеальний газ повинен розширюватися і виконувати роботу: W = P dv Внутрішня енергія газу тоді визначається тепловою внутрішньою енергією (при = const) мінус bügc обсягу роботи, знак dw ? Молярна теплоємність при постійному тиску відповідно: З адіабатичним коефіцієнтом: с. 127
Ідея калориметрії Змішування речовини з відомою кількістю (масою) та температурою з другою речовиною з відомою кількістю та температурою Температури схожі на Визначення теплоємності речовин Теплоємність калориметра с. 128
Калориметрія: Визначення питомої теплоти (1) Розшукується: Питома теплоємність c невідомої маси тіла m Ідея 1: Нагріти тіло до загальновідомої температури T 1 водяна баня з відомою початковою температурою T 0 та масою m H20 Виміряти кінцеву температуру (T 2 = TK = T H20) в рівновазі після перемішування. Визначте кількість тепла від температурної компенсації водної ванни тіла Єдине невідоме: розшукується! Значення води = теплоємність калориметра стор.129
Калориметрія: Визначення питомої теплоти (2) Розшукується: Питома теплоємність c невідомого тіла маси m Ідея 2: Довести певну кількість тепла до водяної бані (маса m H20) для вимірювання початкової (T 20) і кінцевої температури (T 2) у рівновазі: У порожньому калориметрі електрична потужність нагріву (струм напруги): кількість тепла в калориметрі, заповненому тілом м Тільки невідомо: розшукується! Отже: c K можна визначити без апріорного знання властивостей калориметра та властивостей води с. 130
Теплотранспортна конвекція теплопровідної радіації
Приклади конвективного теплопереносу Температура відчуття на вітрі нижча, ніж коли вітру немає Охолодження двигуна автором (повітродувка) Сонячний вітер (частина енергії від Сонця до нас) Придушення конвекції Термос-колба + технічний кріостат Вакуумна ізоляція між 2 стінками контейнера
Конвекція в біології Конвекція через артеріальну кров переносить тепло від верхньої частини тіла до ніг Теплопровідність між стінками судин попередньо нагріває повертається венозну кров, щоб вона не надто холодно надходила до серця. http://www.ifdn.tu-bs.de/physikdidaktik Розмежування між вільною та примусовою конвекцією: Примусова конвекція: кров пінгвінів Безкоштовна конвекція: газ між подвійними стеклами Гольфстрім http://www.ifdn.tu-bs.de/physikdidaktik с. 134
Теплопровідність/закон Фур'є Водосховище T 1 тепліше пласта T 2 З'єднання через стрижень площею поперечного перерізу A і довжиною dx Градієнт температури dt/dx генерує загальний тепловий потік: Константа пропорційності - це теплопровідність λ [Вт/м К] Негативний знак вказує на потік тепла холодний
Тепловий опір Закон Фур'є може бути трансформований Тепловий опір R [К/Вт] Аналогія з електронікою: U = R I Серія підключення термостійкості є адитивною Паралельне підключення термостійкості є взаємно адитивною стор. 137
Теплопровідність Краща ізоляція Стіни будинку: Множинна ізоляція Одяг людини Багатошарові Збільшені тепловтрати Багато і великі вікна Великі ділянки тіла (слонові вуха) (lf Halliday Physik с. 138
Механізми теплопровідності Діелектричні тверді речовини (ізолятори) Розсіювання фононом = передача квантованих вібрацій через зіткнення з сусідніми атомами/молекулами Електропровідні тверді речовини (метали) Додатково: Вільні носії заряду транспортують енергію та передають її в решітчасті коливання (фонони). Закон Відемана-Франца Теплопровідність λ металів пропорційна електропровідності σ el:
Механізми теплопровідності Рідини та гази Теплопровідність через зіткнення частинок Додатково: ретельне перемішування, h дифузія i Теплопровідність у газах не залежить від тиску: якщо вільний прохід малий у порівнянні з розмірами посудини (зазвичай до приблизно 1 мбар). λ пропорційно тиску, якщо вільний прохід великий у порівнянні з (застосування у вакуумних датчиках !) стор. 140
Лабораторні експерименти (1) Експеримент Полум'я свічки не може пройти металеве решето: теплопровідність знижує температуру газу нижче температури спалаху. Якщо ви натискаєте сигарету на бавовняну тканину, залишається опік. Якщо під ним є металева монета, сліду опіку немає. Дерев’яний паркет відчуває себе тепліше кам’яної підлоги: тепло тіла розсіюється повільніше. Температура повітря при температурі 20 ° С тепла (див. Вище) При температурі 20 ° С ви можете торкатися дерева голими руками, але ви відразу замерзаєте на залізі тієї ж температури (див. Паркет!) С. 141
Експеримент із явища Лейденфроста Рідина, яка контактує з тілом, яке гарячіше температури кипіння, швидко випаровується і утворює теплоізоляційну газову подушку. Краплі води танцюють на гарячій плиті. Рідкий азот на бульбашці лабораторії. Ви можете дуже швидко занурити руку в рідкий азот. Але будьте обережні. Рідина повинна скрізь стікати. На руці не повинно бути металевих предметів g (теплопровідність!) Стор. 142
Типові значення теплопровідності речовини. λ [Вт/м К] для надрідких гелієвих Т-залежних! До> 100 000 дослідницьких/магнітних технологій вуглецеві нанотрубки 6000 моль. Електроніка алмаз 2300 інструменти/фрезерні голівки срібло 429 найкращий метал мідь 401 охолоджувальні котушки алюміній 237 технічно важлива нержавіюча сталь V2A 15 технічно важливий лід (-20,0 С) 2,33 бетон іглу 2,1 сучасна конструкція Скло 1.0 Вікна Кладка з цільної цегли 0.5-1.4 Старі будівлі Дерево 013-0.13 018 0.18 Пінопластова дошка 0,035-0,050 Дешева теплоізоляційна дошка Вакуумна ізоляційна дошка 0,004-0,006 Дорога теплоізоляційна дошка шерсть 0,035035 Шф Овеча Повітря 0,024 Між подвійним склом с. 143
Рівняння теплопровідності 1D Теплопостачання зліва: Відведення тепла справа: Різниця потужності нагріває масу: на стор. 144
Рівняння теплопровідності 1D та 3D Рівняння теплопровідності (1D) Рівняння теплопровідності (3D) Теплопровідність с. 145
Лабораторні експерименти (2) Експериментуйте з розподілом температури на нагрітому з одного боку стержні Cu.Ви можете стежити за тим, як прогресує температура, і одна за одною воскові сфери плавляться із стержня с.146
Перший доступ до властивостей теплового випромінювання Експеримент з кубом Леслієра Порожнистий куб, заповнений гарячою водою Один бік пофарбований у чорний колір Один бік пофарбований у білий бік Одна сторона дзеркальна Термопілець на відстані d від куба вимірює різні температури Випромінювана потужність Суцільний кут Випромінювач поверхні
Випромінювання порожнин Порожнина з невеликим вхідним отвором є гарним наближенням для чорного тіла (ідеальний поглинач, A 1), оскільки випромінювання виходить знову лише з невеликою ймовірністю e. Якщо цю порожнину нагріти, вона має коефіцієнт випромінювання ε 1. У стаціонарному стані застосовується детальна рівновага: Випромінювання ізотропне: Щільність енергії в порожнині однорідна с. 149
Щільність енергії теплового випромінювання Щільність енергії у частотному поданні в (Дж/м 3 Гц 1) Енергія фотона Щільність режиму Перетворення частоти та довжини хвилі: Фотони на форму хвилі в порожнині (= на режим) Щільність енергії як функція довжини хвилі (Дж/м 3/м) Енергія щільності фотонів в режимі фотонів на режим
Деякі факти про порожнинне випромінювання (= електромагнітне випромінювання від чорного тіла) Інтенсивність випромінювання I (ν) Щільність енергії u (ν): Випромінювана потужність тіла випромінюваності ε є результатом інтегрування закону випромінювання Планка як закону Стефана Больцмана з постійною Стефана Больцмана S. 151
Закон переміщення Відня З закону випромінювання Планка можна дізнатись про Сонце: T = 5600 K λ max = 533 нм Земля: T = 300 K λ max = 10 мкм с. 152
Значущість теплового випромінювання Людське око найчутливіше там, де найінтенсивніше сонячне випромінювання: у зеленому/жовтому спектральному діапазоні (550 нм) Зелені лазерні вказівники видно в 16 разів краще, ніж червоні лазерні вказівники при тій самій потужності Парниковий ефект Жовте сонячне світло добре передається атмосферою Світло поглинається землею, термалізоване Світло випромінюється при T = 300 K re Це відповідає максимальній довжині хвилі приблизно 10 мкм. Ця довжина хвилі добре поглинається атмосферою (CO 2, метан) Нагадування: CO 2 -лазер має основну довжину хвилі 10,6 мкм S 153
Сонячна потужність нагріву у зовнішній атмосфері Землі Короткочасні процеси Сонячна константа: I = 1367 Вт/м 2 Тривалі процеси з ефектом накопичення: Середнє значення над земною поверхнею Сонячне випромінювання на площі поперечного перерізу землі π R 2 Загальна поверхня 4 π R 2 Середня сонячна константа: I = 2 eff 342 Вт/м Всього випромінюється Потужність сонця: Це відповідає приблизно 10 17 атомним електростанціям, кожна з яких має 3 4 ГВт с. 154
Випромінювання тіла Тіло з: температурою шкіри T = 32 C = 305 K, площею шкіри A = 1,5 м 2, кімнатою з температурою 20 C = 293 K Чисті втрати потужності: Через 24 год: 9,4 МДж = 2200 ккал Але: одяг різко зменшує споживання! Фактично: загальне споживання тихих людей: приблизно 70.100 Вт = 2000 ккал/добу Теплова радіація Теплопровідність Основний м’язовий тонус, робота серця/мозку Розігрів та зволоження повітря, яким ти дихаєш (значний фактор) с. 156
Закон охолодження Ньютона для вирівнювання температури у повсякденному житті Доказ (1): Доказ (2): с. 157
Конструкція кріостата (найкращий можливий теплоізолятор) Ванна з рідким гелієм: високий вакуум LHe запобігає конвективному транспортуванню k алюмінізованої лавсанової плівки: зменшує транспорт випромінювання та конвекцію рідкого азоту: обмежує температуру випромінювання до 77 K вакуумну сорочку та алюмінізовану лавсанову плівку с.
Адіабатичне стиснення холодильника Нагрівання газового теплообмінника (охолоджувальні котушки на задній стінці) Конденсація Розширювальний клапан: випаровування та адіабатичне розширення подальше охолодження Тепло випаровування охолоджує комору с. 159