Внутренняя энергия тела - сумма кинетической энергии хаотического движения молекул относительно центра масс тела и потенциальной энергии взаимодействия молекул друг с другом (но не с молекулами других тел). Зависит от температуры и объема.
Мы можем изменять энергию тела совершая над ним работу. Например, накачивая велосипедную шину, насос нагревается. Некоторые думают, что из-за того что поршень трётся о стенки насоса, а причиной тому служит то, что мы сжимаем газ, совершаем над ним работу, которая идет на увеличение внутренней энергии и это проявляется, как увеличение температуры.
Есть и другой способ изменения внутренней энергии тела без совершения работы - теплопередача.
Теплопередача
Теплопередача - способ передачи внутренней энергии тела без совершения работы.
Перенос теплоты может передаваться тремя способами:
- теплопроводностью;
- конвекцией;
- излучением (радиацией);
Этими тремя способами можно изменить внутреннюю энергию тела.
Совокупность всех видов теплообмена называется сложным теплообменом. Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: чистых веществах при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих сред и т.д. В зависимости от этого теплообмен протекает по разному и описывается различными уравнениями.
Теплопроводность
Процесс переноса теплоты теплопроводностью происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты за счет колебания молекул. Молекулы с большей амплитудой колебания заставляют колебаться чаще соседний молекулы с меньшей амплитудой колебания.
При нагревании тела кинетическая энергия его молекул возрастает, и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними молекулами, сообщают им часть своей кинетической энергии. При этом более нагретые части тела остывают, а менее нагретые нагреваются.
Конвекция
Конвекция - перенос теплоты при перемещении или перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкостей или газов. При этом перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально.
Конвективный теплообмен - одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью. В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.
Излучение
Излучение (тепловое излучение, радиация) - процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн.
Этот процесс происходит в три стадии:
- превращение части внутренней энергии одного тела в энергию электромагнитных волн;
- распространение электромагнитных волн в пространстве;
- поглощение энергии излучения другим телом.
Радиационнокондуктивный теплообмен - совместный теплообмен излучением и теплопроводностью.
Количество теплоты
Количество теплоты (Q) - энергия, сообщаемая телу в процессе теплопередачи называется количеством теплоты и измеряется в [Дж].
Если агрегатное состояние вещества не меняется (не меняется потенциальная энергия взаимодействия молекул между собой, а меняется кинетическая), то изменение внутренней энергии связано с изменением внутренней температуры.
Q ~ ΔТ
Полученное количество теплоты прямопропорционально разнице температуры тела.
Коэффициент пропорциональности зависит от тела, массы и объема и является характеристикой тела. Если мы возмем стакан воды и повысим температуру на 1 Кельвин, то нам нужно одно количество теплоты. Если мы возьмем море, то нам понадобится совсем другое кол-во теплоты.
Q = СΔТ
С- теплоемкость тела.
| С = | Q | [Дж/К] | |
| ΔТ |
Теплоемкость тела - физическая величина численно равная количеству теплоты которой необходимо сообщения телу для увеличения его температуры на 1 Кельвин.
Удельная теплоемкость
Теплоемкость тела зависит прямопропорционально от массы тела, т.е. это свойство вещества.
C = cm, с=С/m, [c] = [Дж/кг*K]
С- удельная теплоемкость (теплоемкость вещества).
Соответственно формула количества тепла можно записать в следующем виде.
Q = cmΔТ
c - теплоемкость вещества
m - масса тела
ΔТ - разность температур
Удельная теплоемкость вещества - физическая величина численно равная количества теплоты, необходимо сообщить одному кг вещества для увеличения его температуры на 1 Кельвин.