Определение на топлинния капацитет и спецификациите
Определение на топлинния капацитет и спецификациите. Топлина Топлинен капацитет (J/K) Моларна специфична топлина, моларен топлинен капацитет (J/kg K) Доставяна топлина (J) Маса специфична топлина (J/kg K) Количество вещество (mol) dq е количеството топлина, което тялото на derwärmekapa топлинен капацитет C от маса m и трябва да се подаде специфична топлина c от количеството вещество ν и моларен топлинен капацитет cm, за да се нагрее от температурната разлика ΔT. Дефиницията приема, че не е пресичана граница на фазова линия.
Калория и джаул Дефиниция на калории (1 кал): количество топлина за нагряване на 1 г вода с 1 келвин 1 кал = 4,19 J Специфичен топлинен капацитет на вода c (H 2 0) = 1 kcal/(kg K) = 4,19 kj/( кг К) Това е най-високата специфична топлина от всички материали! Интересно В хранителните таблици се дават калории вместо килокалории (х 1000)!
Практически съображения (1) Шоколад от 100 g има калоричност 600 cal = 600 kcal = 2514 kJ е достатъчно, за да се загреят 6 литра вода при 0 100 C е достатъчно, за да се вдигне катерач от 100 kg на h = 2500 m спрямо гравитацията. (без да се вземат предвид мускулната ефективност, триенето и т.н.) е достатъчно, за да се изпари 1 кг вода, 1 кг загуба на тегло чрез изпотяване отговаря само на около 100 г загуба на мазнини! Стр. 122
Практически съображения (2) Топлинен капацитет на вода Гасене на пожар: Високият топлинен капацитет осигурява бързо намаляване на температурата на пожара и за гасене на океаните са важни топлинни запаси в глобалния климат Морски климат Континентален климат c (H 2 0) = 10 x c (мед) стр. 123
Топлинен капацитет на твърдия експеримент Наблюдение: Двата метални блока имат еднакъв обем И двата блока имат еднаква начална температура (100 C) Оловото е по-тежко! Но: стоманата потъва по-дълбоко в парафин ! Защо? Обяснение: Плътност на числата n = ρ/m: Стоманата има по-висока вътрешна енергия
Правило на Dulong и Petit Вътрешната енергия на твърдо вещество при температура T съответства на количеството топлина, от което човек се нуждае от закупуването му, за да загрее температурата му T. Поради потенциала и кинетичната енергия на атомите в кристалната решетка, вътрешната енергия на твърдото вещество е. Това означава, че всички твърди вещества имат еднакъв моларен топлинен капацитет, независимо от температурата или свойствата на материала, правило на Dulong-Petit (но: важи само доста над температурата на Дебай) p. 125
Специфична топлина на идеалния газ при V = const. Ако газът не работи (PdV = 0), се прилага следното: Вътрешната енергия на газа се определя от броя на газовите частици, степента на свобода на частица газ и температурата. Съответно, моларният топлинен капацитет е: S. 126
Специфична топлина на идеалния газ, при P = const Ако налягането трябва да остане постоянно по време на нагряване, идеалният газ трябва да се разшири и да извърши работа: W = P dv Вътрешната енергия на газа след това се определя от вътрешната топлинна енергия (при V = const) минус bügc на обема работа знак знак на dw ? Моларният топлинен капацитет при постоянно налягане е съответно: С адиабатния коефициент: стр. 127
Идеята за калориметрия Смесване на вещество с известно количество (маса) и температура с второ вещество с известно количество и температура Температурите са подобни на Определяне на топлинния капацитет на веществата Топлинен капацитет на калориметъра стр. 128
Калориметрия: Определяне на специфичната топлина (1) Търси се: Специфична топлина c на неизвестно тяло с маса m Идея 1: Загрейте тялото до добре позната температура T 1 водна баня с известна начална температура T 0 и маса m H20 Измерете крайната температура (T 2 = TK = T H20) в равновесие след смесване. Определете количеството топлина от температурна компенсация водна баня за тяло Единственото неизвестно: издирва се! Стойност на водата = топлинен капацитет на калориметъра стр. 129
Калориметрия: Определяне на специфичната топлина (2) Търси се: Специфична топлина c на неизвестно тяло с маса m Идея 2: Нанесете определено количество топлина във водната баня (маса m H20) за измерване на началната (T 20) и крайната температура (T 2) в равновесие: В празния калориметър електрическа отоплителна мощност (ток на напрежение): количество топлина в калориметъра, изпълнен с тяло m Само неизвестно: издирва се! Така че: c K може да се определи без априорни познания за свойствата на калориметъра и свойствата на водата стр. 130
Топлопроводима конвекция топлопроводимо излъчване
Примери за конвективен пренос на топлина Почувствана температура на вятъра по-ниска от тази, когато няма вятър.
Конвекция в биологията Конвекцията чрез артериалната кръв пренася топлината от горната част на тялото до краката Топлопроводимостта между стените на съдовете подгрява връщащата се венозна кръв, така че да не стане твърде студена за сърцето. http://www.ifdn.tu-bs.de/physikdidaktik Разграничаване между свободна и принудителна конвекция: Принудителна конвекция: кръв от пингвин Безплатна конвекция: газ между двойни стъкла на стъкло Гълфстрийм http://www.ifdn.tu-bs.de/physikdidaktik стр. 134
Топлинна проводимост/закон на Фурие Резервоар T 1 по-топъл от резервоара T 2 Връзка чрез пръчка с площ на напречното сечение A и дължина dx Температурният градиент dt/dx генерира топлинен поток като цяло: Константата на пропорционалност е топлопроводимостта λ [W/m K] Отрицателният знак показва потока на топло студ
Термично съпротивление Законът на Фурие може да бъде преобразуван Термично съпротивление R [K/W] Аналогия с електрониката: U = R I серийното свързване на термичните съпротивления е адитивно Паралелното свързване на термичните съпротивления е реципрочно добавено стр. 137
Топлопроводимост По-добра изолация Стени на къщата: Многократна изолация Човешко облекло Многослойни Увеличени топлинни загуби Много и големи прозорци Големи площи на тялото (слонски уши) (l Halliday Physik стр. 138
Механизми на топлопроводимост Диелектрични твърди вещества (изолатори) Фононно разсейване = предаване на квантовани вибрации чрез сблъсъци със съседни атоми/молекули Електропроводими твърди вещества (метали) Освен това: Свободните носители на заряд транспортират енергия и я прехвърлят към решетъчните вибрации (фонони). Закон на Видеман-Франц Топлинната проводимост λ на металите е пропорционална на електрическата проводимост σ el:
Механизми на топлопроводимост Течности и газове Топлопроводимост чрез сблъсъци между частици Допълнително: пълно смесване, h дифузия i Топлопроводимостта в газовете не зависи от налягането: ако свободният път е малък в сравнение с размерите на съда (обикновено до около 1 mbar). λ пропорционално на налягането, ако свободният път е голям в сравнение с (приложение във вакуумни сензори !) стр. 140
Лабораторни експерименти (1) Експеримент Пламъкът на свещ не може да премине през метално сито: топлопроводимостта намалява температурата на газа под точката на възпламеняване.Ако натиснете цигара върху памучен плат, има следа от изгаряне. Няма знак за изгаряне, ако отдолу има метална монета. Дървеният паркет се чувства по-топъл от каменните подове: топлината на тялото се разсейва по-бавно. 20 C вода за баня е студена. Температурата на въздуха 20 C е топла (виж по-горе) При 20 C можете да докоснете дървото с голи ръце, но веднага замръзвате върху желязо със същата температура (вижте паркет!) Стр. 141
Експеримент с феномен на Leidenfrost Течност, която е в контакт с тяло, което е по-горещо от температурата му на кипене, бързо се изпарява и образува топлоизолационна газова възглавница. Капки вода танцуват върху котлона. Течни азотни мехурчета на лабораторния под. Можете да потопите ръката си в течен азот за много кратко време. Но бъдете внимателни. Течността трябва да може да изтече навсякъде. На ръката не трябва да има метални предмети g (топлопроводимост!) Стр. 142
Типични стойности на топлопроводимост за топлопроводимост на веществото. λ [W/m K] за свръхтечности хелий Т-зависим! До> 100 000 изследвания/магнитна технология въглеродни нанотръби 6000 мола. Електроника диамант 2300 инструменти/фрезови глави сребро 429 най-добри метални медни 401 охлаждащи намотки алуминий 237 технически важна неръждаема стомана V2A 15 технически важен лед (-20.0 C) 2.33 иглу бетон 2.1 модерна конструкция Стъкло 1.0 Прозорци Плътна тухлена зидария 0.5-1.4 Стари сгради Дърво 013-0.13 018 0,18 Стиропорен картон 0,035-0,050 Евтина топлоизолационна плоча Вакуумна изолационна плоча 0,004-0,006 Скъпа топлоизолационна дъска вълна 0,035035 Shf Sheep Air 0,024 Между двойно стъкло стр. 143
Уравнение за топлопроводимост 1D Топлоснабдяване отляво: Разсейване на топлината отдясно: Разликата в мощността загрява масата: от стр. 144
Уравнение за топлопроводимост 1D и 3D Уравнение за топлопроводимост (1D) Уравнение за топлопроводимост (3D) Топлопроводимост стр. 145
Лабораторни експерименти (2) Експериментирайте разпределението на температурата върху Cu пръчката, която се нагрява от едната страна.Можете да проследите как напредва температурата и една след друга, восъчните сфери се топят от пръчката стр. 146
Първи достъп до свойствата на топлинното излъчване Експеримент с куб Lesliescher Кух куб, напълнен с гореща вода Една страна боядисана в черно Една страна боядисана в бяло Една страна огледално
Кухина радиация Кухина с малък входен отвор е добър приблизителен за черно тяло (перфектен абсорбер, A 1), тъй като лъчението излиза само с малка вероятност e. Ако тази кухина е нагрята, тя има излъчвателна способност ε 1. В стационарно състояние се прилага подробно равновесие: Излъчването е изотропно: Енергийната плътност в кухината е хомогенна стр. 149
Енергийна плътност на топлинно излъчване Енергийна плътност в честотно представяне в (J/m 3 Hz 1) Енергия на фотон Плътност на режима Преобразуване между честота и дължина на вълната: Фотони на форма на вълната в кухината (= на режим) Енергийна плътност като функция от дължината на вълната (J/m 3/m) Енергия на фотонна плътност фотони на режим
Някои факти за радиационната кухина (= електромагнитно излъчване от черно тяло) Интензивност на излъчване I (ν) Енергийна плътност u (ν): Излъчената мощност на тяло на излъчване ε е резултат от интегрирането на закона на радикацията на Планк като закона на Стефан Болцман с константата на Стефан Болцман S. 151
Законът за изместване на Wien От закона на радикацията на Планк се открива за слънцето: T = 5600 K λ max = 533 nm Земя: T = 300 K λ max = 10 µm стр. 152
Значение на топлинното излъчване Човешкото око е най-чувствително там, където има най-интензивно слънчево лъчение: в зелено/жълтия спектър (550 nm) Зелените лазерни показалки се виждат 16 пъти по-добре от червените лазерни показатели със същата мощност Парников ефект Жълтата слънчева светлина се предава добре от атмосферата Светлината се абсорбира от земята, термизира се. Светлината се излъчва при T = 300 K re. Това съответства на максимална дължина на вълната от около 10 µm. Тази дължина на вълната се абсорбира добре от атмосферата (CO 2, метан). Напомняне: CO 2 лазерът има основна дължина на вълната 10,6 µm S 153
Слънчева отоплителна мощност във външната атмосфера на земята Краткосрочни процеси Слънчева константа: I = 1367 W/m 2 Дългосрочни процеси с ефект на съхранение: Средна стойност над земната повърхност Слънчева радиация върху площта на земното сечение π R 2 Обща повърхност 4 π R 2 Средна слънчева константа: I = 2 eff 342 W/m Общо излъчена Силата на слънцето: Това съответства на около 10 17 атомни електроцентрали с 3 4 GW всяка стр. 154
Излъчване на тялото Тяло с: температура на кожата T = 32 C = 305 K, площ на кожата A = 1,5 m 2, стая с температура 20 C = 293 K Нетна загуба на мощност: За 24 часа: 9,4 MJ = 2200 kcal Но: облеклото драстично намалява консумацията! Всъщност: Обща консумация на тихи хора: приблизително 70.100 W = 2000 kcal/ден Топлинна радиация Топлопроводимост Основен мускулен тонус, сърдечно/мозъчна ефективност Затопляне и овлажняване на въздуха, който дишате (значителен фактор) стр. 156
Законът на Нютон за охлаждане за изравняване на температурата в ежедневието Доказателство (1): Доказателство (2): стр. 157
Изграждане на криостат (най-добрият възможен топлоизолатор) Баня с течен хелий: LHe висок вакуум предотвратява конвективния k транспортиране на алуминиев лавсанов филм: намалява транспортирането на радиация и конвекция на течен азот: ограничава температурата на радиация до 77 K висока вакуумна риза и алуминизиран миларен филм стр. 158
Адиабатична компресия на хладилника Нагряване на газа Топлообменник (охлаждащи бобини на задната стена) Конденз Разширителен клапан: изпаряване и адиабатно разширение допълнително охлаждане Топлината от изпаряване охлажда килера стр. 159