Definiția capacității termice și a spec
Definiția capacității termice și a spec. Căldură Capacitate de căldură (J/K) Căldură specifică molară, capacitate de căldură molară (J/kg K) Căldură furnizată (J) Căldură specifică de masă (J/kg K) Cantitatea de substanță (mol) dq este cantitatea de căldură pe care un corp derwärmekapa capacitatea de căldură C a masei m și trebuie furnizată căldura specifică c din cantitatea de substanță ν și capacitatea de căldură molară cm pentru a o încălzi prin diferența de temperatură ΔT. Definiția presupune că nu este traversată nicio linie de limită de fază. Definiția presupune că nu este traversată nicio linie de limită de fază și că nu este necesară/eliberată căldură latentă.
Calorii și Joule Definiția caloriilor (1 cal): cantitate de căldură pentru a încălzi 1 g de apă cu 1 Kelvin 1 cal = 4,19 J Capacitate termică specifică a apei c (H 2 0) = 1 kcal/(kg K) = 4,19 kj/( kg K) Aceasta este cea mai mare căldură specifică dintre toate materialele! Interesant În tabelele nutriționale, se dau calorii în loc de kilocalorii (x 1000)!
Considerații practice (1) O bară de ciocolată de 100g are o putere calorică de 600 cal = 600 kcal = 2514 kJ este suficientă pentru a încălzi 6 litri de apă la 0 100 C este suficientă pentru a ridica un alpinist de 100 kg cu h = 2500 m împotriva gravitației. (fără a lua în considerare eficiența musculară, frecare etc.) este suficient pentru a evapora 1 kg de apă, 1 kg de pierdere în greutate prin transpirație corespunde doar în jur de 100 g de pierdere de grăsime! P. 122
Considerații practice (2) Capacitatea termică a apei Stingerea focului: Capacitatea termică ridicată asigură o reducere rapidă a temperaturii focului și pentru stingerea oceanelor sunt depozite de căldură importante în climatul global Clima maritimă Clima continentală c (H 2 0) = 10 x c (cupru) p. 123
Capacitatea termică a experimentului solid Observație: Cele două blocuri metalice au același volum Ambele blocuri au aceeași temperatură inițială (100 C) Plumbul este mai greu! Dar: oțelul se scufundă mai adânc în parafină ! De ce? Explicație: Densitatea numărului n = ρ/m: Oțelul are energia internă mai mare
Regula lui Dulong și Petit Energia internă a unui solid la temperatura T corespunde cantității de căldură necesară de la 0 pentru a-l încălzi la temperatura sa T. Datorită energiei potențiale și cinetice a atomilor din rețeaua cristalină, energia internă a unui solid este. Aceasta înseamnă că toate solidele au aceeași capacitate de căldură molară, indiferent de temperatură sau proprietatea materialului, regula Dulong-Petit (dar: valabilă doar cu mult peste temperatura Debye) p. 125
Căldura specifică a gazului ideal, la V = const. Dacă gazul nu funcționează (PdV = 0), se aplică următoarele: Energia internă a gazului este determinată de numărul de particule de gaz, de gradele de libertate pentru fiecare particulă de gaz și de temperatura. În consecință, capacitatea de căldură molară este: S. 126
Căldura specifică a gazului ideal, la P = const Dacă presiunea trebuie să rămână constantă în timpul încălzirii, gazul ideal trebuie să se extindă și să funcționeze: W = P dv Energia internă a gazului este apoi determinată de energia termică internă (la V = const) minus bügc of volume work sign of dw ? Capacitatea de căldură molară la presiune constantă este în consecință: Cu coeficientul adiabatic: p. 127
Ideea calorimetriei Amestecarea unei substanțe cu cantitate (masă) și temperatură cunoscute cu o a doua substanță cu cantitate și temperatură cunoscute Temperaturile sunt similare cu Determinarea capacității termice a substanțelor Capacitatea termică a calorimetrului p. 128
Calorimetrie: Determinarea căldurii specifice (1) Căutată: Căldură specifică c a unui corp necunoscut de masă m Ideea 1: Încălziți corpul la o temperatură bine cunoscută T 1 baie de apă cu temperatura de pornire cunoscută T 0 și masă m H20 Măsurați temperatura finală (T 2 = TK = T H20) în echilibru după amestecare. Determinați cantitatea de căldură din compensarea temperaturii pentru baia de corp. Singura necunoscută: dorită! Valoarea apei = capacitatea calorică a calorimetrului p. 129
Calorimetrie: Determinarea căldurii specifice (2) Se dorește: Căldura specifică c a unui corp necunoscut de masă m Ideea 2: Aduceți o cantitate definită de căldură în baia de apă (masa m H20) pentru a măsura temperatura de început (T 20) și de sfârșit (T 2) în echilibru: În puterea de încălzire electrică a calorimetrului gol (curent de tensiune): cantitatea de căldură din calorimetrul umplută cu corp m Singura necunoscută: dorită! Deci: c K poate fi determinat fără a se cunoaște a priori proprietățile calorimetrului și proprietățile apei p. 130
Transport de căldură prin convecție radiație de conducere a căldurii
Exemple de transport convectiv de căldură Temperatura simțită în vânt mai scăzută decât atunci când nu există vânt.Răcirea motorului de către autor (ventilator) Vânt solar (o parte din energia de la soare la noi) Suprimarea convecției Balon termos + criostat tehnic Izolarea vidului între 2 pereți ai containerului
Convecția în biologie Convecția prin sângele arterial transportă căldura din partea superioară a corpului către picioare Conducerea căldurii între pereții vasului preîncălzește sângele venos care se întoarce, astfel încât să nu se răcească prea mult la inimă. http://www.ifdn.tu-bs.de/physikdidaktik Diferențiați între convecția liberă și forțată: Convecție forțată: sânge de pinguin Conveție liberă: gaz între geamurile duble de sticlă Gulf Stream http://www.ifdn.tu-bs.de/physikdidaktik p. 134
Conducere termică/legea lui Fourier Rezervor T 1 mai cald decât rezervorul T 2 Conexiune prin tijă a secțiunii transversale A și lungime dx Gradientul de temperatură dt/dx generează un flux de căldură în general: Constanta de proporționalitate este conductivitatea termică λ [W/m K] Semnul negativ indică fluxul de cald rece
Rezistența termică Legea lui Fourier poate fi transformată Rezistența termică R [K/W] Analogie cu electronica: U = R I Conexiunea în serie a rezistențelor termice este aditivă Conexiunea paralelă a rezistențelor termice este reciproc aditivă p. 137
Conducere termică Izolație mai bună Pereții casei: Izolație multiplă Îmbrăcăminte umană Straturi multiple Pierderi crescute de căldură Ferestre mari și mari Suprafețe mari ale corpului (urechi de elefant) (lf Halliday Physik p. 138
Mecanisme de conducere a căldurii Solidele dielectrice (izolatori) Difuziunea fononică = transmiterea vibrațiilor cuantificate prin coliziuni cu atomii/moleculele învecinate Solidele conductoare electric (metale) În plus: purtătorii de încărcare gratuită transportă energia și o transferă la vibrațiile de rețea (fononi). Legea Wiedemann-Franz Conductivitatea termică λ a metalelor este proporțională cu conductivitatea electrică σ el:
Mecanisme de conducere a căldurii Lichide și gaze Conducerea căldurii prin coliziuni între particule Adițional: amestecare amănunțită, difuzie h i Conducerea căldurii în gaze este independentă de presiune: dacă calea liberă este mică în comparație cu dimensiunile vasului (de obicei până la aproximativ 1 mbar). λ proporțional cu presiunea, dacă calea liberă este mare în comparație cu (aplicarea în senzori de vid !) p. 140
Experimente de laborator (1) Experiment O flacără de lumânare nu poate trece printr-o sită metalică: conducerea căldurii reduce temperatura gazului sub punctul de aprindere. Dacă apăsați o țigară pe o cârpă de bumbac, există un semn de arsură. Nu există nici un semn de arsură dacă există o monedă de metal dedesubt. Parchetul din lemn se simte mai cald decât pardoselile din piatră: căldura corpului este disipată mai lent. Apa de baie de 20 ° C este rece. 20 C temperatura aerului este caldă (vezi mai sus) La 20 C puteți atinge lemnul cu mâinile goale, dar înghețați imediat pe fierul cu aceeași temperatură (vezi parchet!) P. 141
Experimentul fenomenului de la Leidenfrost Un lichid care este în contact cu un corp mai fierbinte decât temperatura de fierbere se evaporă rapid și formează o pernă de gaz termoizolantă. Picături de apă dansează pe farfurie. Bule de azot lichid pe podeaua laboratorului. Puteți să vă scufundați mâna în azot lichid pentru o perioadă foarte scurtă de timp. Dar aveți grijă. Lichidul trebuie să poată curge peste tot. Nu trebuie să existe obiecte metalice g pe mână (conducere de căldură!) P. 142
Valori tipice de conductivitate termică pentru conductivitatea termică a substanței. λ [W/m K] pentru superfluide dependente de heliu! Până la> 100.000 cercetare/tehnologie magnetică nanotuburi de carbon 6000 mol. Diamant electronic 2300 scule/capete de frezat argint 429 cel mai bun metal cupru 401 bobine de răcire aluminiu 237 oțel inoxidabil important din punct de vedere tehnic V2A 15 gheață importantă din punct de vedere tehnic (-20,0 C) 2,33 beton igloo 2.1 construcție modernă Sticlă 1.0 Ferestre Zidărie din cărămidă masivă 0.5-1.4 Clădiri vechi Lemn 013-0.13 018 0.18 Placă din poliester 0.035-0.050 Placă de izolație termică ieftină Placă de izolare sub vid 0.004-0.006 Placă de izolație termică scumpă lână 0.035035 Shf Sheep Air 0.024 Între sticlă dublă p. 143
Ecuația de conducție termică 1D Alimentarea cu căldură din stânga: Disiparea căldurii din dreapta: Diferența de putere încălzește masa: la p. 144
Ecuația de conducție termică 1D și 3D Ecuația de conducere termică (1D) Ecuația de conducere termică (3D) Conductivitate termică p. 145
Experimente de laborator (2) Experimentați distribuția temperaturii pe tija de Cu, care este încălzită pe o parte. Puteți urmări cum progresează temperatura și, una după alta, sferele de ceară se topesc din tija p. 146
Primul acces la proprietățile radiației termice Experimentul cubului Lesliescher Cub gol umplut cu apă fierbinte O parte vopsită în negru O parte vopsită în alb O parte oglindită Termopilul la distanța d de cub măsoară diferite temperaturi Puterea radiată Unghiul solid Suprafața emițătorului de emisivitate
Radiația cavității O cavitate cu o gaură mică de intrare este o bună aproximare pentru un corp negru (absorbant perfect, A 1), deoarece radiația iese din nou doar cu o probabilitate mică. Dacă această cavitate este încălzită, are o emisivitate ε 1. În starea staționară, se aplică un echilibru detaliat: Radiația este izotropă: Densitatea de energie din cavitate este omogenă p. 149
Densitatea energetică a radiației termice Densitatea energiei în reprezentarea frecvenței în (J/m 3 Hz 1) Energia unui foton Densitatea modului Conversia între frecvență și lungimea de undă: Fotoni pe formă de undă în cavitate (= pe mod) Densitatea energiei în funcție de lungimea de undă (J/m 3/m) Energie a densității modului de fotoni a fotonilor pe mod
Câteva fapte despre radiația cavității (= radiația electromagnetică a unui corp negru) Intensitatea radiației I (ν) Densitatea energiei u (ν): Puterea radiată a unui corp de emisivitate ε rezultă din integrarea legii radiației Planck ca legea lui Stefan Boltzmann cu constanta lui Stefan Boltzmann. 151
Legea deplasării lui Wien Din legea radiației lui Planck se găsește despre soare: T = 5600 K λ max = 533 nm Pământ: T = 300 K λ max = 10 µm p. 152
Relevanța radiației termice Ochiul uman este cel mai sensibil acolo unde există cea mai intensă radiație solară: în gama spectrală verde/galben (550 nm) Pointerii laser verzi sunt de 16 ori mai buni decât indicatorii laser roșii cu aceeași putere Efect de seră Lumina soarelui galbenă este transmisă bine de atmosferă este absorbită de sol, termicizată. Lumina este emisă la T = 300 K re. Aceasta corespunde unei lungimi de undă maximă de aproximativ 10 µm. Această lungime de undă este bine absorbită de atmosferă (CO 2, metan). Memento: Laserul CO 2 are o lungime de undă principală de 10,6 µm S 153
Putere de încălzire solară în atmosfera exterioară Procese pe termen scurt Constanta solară: I = 1367 W/m 2 Procese pe termen lung cu efect de stocare: Valoare medie pe suprafața terestră Radiația solară pe zona secțiunii transversale a pământului π R 2 Suprafața totală 4 π R 2 Constanta solară medie: I = 2 eff 342 W/m Total radiat Puterea soarelui: aceasta corespunde cu aproximativ 10 17 centrale nucleare de câte 3 4 GW fiecare p. 154
Radiații corporale Corp cu: temperatura pielii T = 32 C = 305 K, suprafața pielii A = 1,5 m 2, cameră cu temperatura 20 C = 293 K Pierderea netă de putere: În 24 de ore: 9,4 MJ = 2200 kcal Dar: îmbrăcămintea reduce drastic consumul! De fapt: Consumul total de persoane liniștite: aproximativ 70.100 W = 2000 kcal/zi Radiații termice Conducerea căldurii Tonusul muscular de bază, performanța inimii/creierului Încălzirea și umidificarea aerului pe care îl respirați (factor considerabil) p. 156
Legea lui Newton a răcirii pentru egalizarea temperaturii în viața de zi cu zi Dovada (1): Dovada (2): p. 157
Construcția unui criostat (cel mai bun izolator termic posibil) Baie de heliu lichid: L Vacu ridicat previne transportul convectiv al filmului de mlar aluminizat: reduce transportul radiațiilor și azotul lichid de convecție: limitează temperatura radiației la 77 K învelișul de vid înalt și filmul de mlar aluminizat p. 158
Compresor adiabatic frigider Încălzirea gazului Schimbător de căldură (bobine de răcire pe peretele din spate) Condensare Supapă de expansiune: evaporare și expansiune adiabatică răcire suplimentară Căldura de vaporizare răcește cămara p. 159