Värme

Värme är energin i transit som upptäcks först när gränsen för ett termodynamiskt system passeras . Väl inne i systemet, eller i omgivningen, om överföringen sker från insidan till utsidan, blir den överförda värmen en del av den interna energin i systemet eller omgivningen, beroende på vad som är fallet. Termen värme bör därför förstås som värmeöverföring och uppstår endast när det finns en skillnad i temperatur och i riktning från högre till lägre. Av detta följer att det inte sker någon värmeöverföring mellan två system som har samma temperatur .

Värmens natur

Temperaturen hos en monoatomisk gas är ett mått relaterat till den genomsnittliga kinetiska energin för dess molekyler när de rör sig.

Ofta i vardagligt tal används uttryck som Mängd värme i en kropp eller värmeökning och det görs för att de inte orsakar några missförstånd och kanske för att det inte finns något tekniskt alternativ som är så intuitivt, men i teknisk mening är de felaktiga . Värme, sett från fysiken, är det inte , värme är en överföring . Vad en kropp har är termisk energi ; ännu bättre, om kroppen betraktas som ett termodynamiskt system , har systemets totala energi två former: makroskopisk och mikroskopisk . Den makroskopiska energin är den som systemet har med hänvisning till en extern källa, såsom kinetisk och potentiell energi . Det mikroskopiska är dess grad av molekylär aktivitet, som är oberoende av det externa referenssystemet och är vad som kallas systemets inre energi och representeras av . $ELLER$

Molekylerna i ett system skakas med en viss hastighet; Dessutom roterar och vibrerar de oregelbundet och all denna rörelse ger dem kinetisk energi , vilket är den del av den inre energin som är sensibel energi , eftersom molekylernas medelhastighet är proportionell mot temperaturen , vilket är vad vi kan uppfatta. Men molekylerna förenas också av attraktionskrafter som är starkare i fasta ämnen, minskar i vätskor och ännu mer i gaser, så att ett system i gasform innebär en energi som har varit nödvändig för att övervinna intermolekylära krafter. Denna energi som har att göra med den fas systemet befinner sig i kallas latent energi . Atomer hålls samman av bindningar som bildas och förstörs i kemiska reaktioner. Den inre energin som är förknippad med atombindningar är den kemiska energin . Och slutligen, de attraktionskrafter i atomkärnan utgör kärnenergi , som frigörs i kärnreaktioner. Alla dessa energiformer lagras inuti systemet och utgör dess inre energi .

Men det finns energiformer som inte kan lagras, som bara dyker upp när det finns interaktion och utgör vad vi kallar den energi som systemet vinner eller förlorar. Dessa energiformer är värmeöverföring och arbete . När ursprunget eller drivkraften för interaktionen är en temperaturskillnad säger vi att det är värme ; annars är det jobb .

Kort sagt är det väldigt vanligt att hänvisa till förnuftig och latent energi som värme, och det är bra i vardagsspråk, men det är faktiskt termisk energi, vilket skiljer sig mycket från värmeöverföring.

Historia om värmeteorin

Den första formella hänvisningen till eldens betydelse finns i Herakleitos (540 f.Kr.-475 f.Kr.), som ansåg att eld var materiens ursprungliga ursprung.

För Anaximenes är varmt och kallt vanliga materiatillstånd. Han ansåg att det som komprimerades och kondenserades var kallt, och att det som var sällsynt och "löst" var varmt, därför stod "sällsyntheten" enligt honom för den process genom vilken saker värmdes upp, tills de omvandlades till ånga.

Aristoteles (384 f.Kr.-322 f.Kr.), lade till två par grundläggande egenskaper: varmt och kallt, torrt och vått. Anledningen till att en kropp hade en viss temperatur gavs av de kvantiteter som dessa två grundläggande egenskaper fanns i den.

Galen (129-199) föreslog en kvalitativ skala som bestod av fyra tillstånd av värme och fyra av kyla, neutralpunkten erhålls genom att tillsätta fyra delar kokande vatten och fyra delar is. ]

Dessa idéer upprätthölls i mer än 23 århundraden. Det är märkligt att notera att det redan under denna period insågs att vissa av de fysiska fenomenen, såsom expansionen av fasta ämnen och vätskor, och den termiska expansionen av luft och ånga, berodde på värme, men de var inte uppmärksamma på temperaturer. eftersom de inte gjorde det var de en del av de egenskaper som avses i den aristoteliska fysiken .

Aristoteles idéer börjar ifrågasättas i mitten av 1500-talet, när förekomsten av en kvintessens av materia, existensen av ett universellt medel som ansvarar för alla kemiska reaktioner, föreslås. Robert Boyle (1627-1691), förnekade elden all kroppslig karaktär och ansåg att det borde finnas en viss enhet av materia, vilket innebar att den skulle bestå av blodkroppar.

Under tiden, under 1600-talet och de första åren av 1700-talet, uppstod diskussioner om materiens struktur och en annan viktig händelse i värmens historia inträffade, Georg Stahl (1660-1734) uttalar teorin om flogiston . Detta ska inte förväxlas med materiell eld, som manifesteras i lågan och i värmen när förbränning sker, utan det är snarare ett otillgängligt element som alla brännbara kroppar besitter.

Under loppet av 1600-talet motsatte sig två teorier om värme, den om flogiston och den som försvarades av anhängarna till de grekiska atomisterna , som medgav eldens kroppslighet, med tanke på att den bestod av små, lätta och subtila partiklar , som de i sin tur hade en enorm rörlighet att penetrera materia i dess olika tillstånd, i stånd att verka helt enkelt med sin närvaro i form av en oöverskådlig vätska, den kaloriska . Mellan 1775 och 1787 utarbetade Lavoisier en teori om gaser, där han introducerade kaloriprincipen. Under denna period uppstod begreppet temperatur och termometrar började byggas för att mäta sakers kyla. Joseph Black (1728-1799) använde dessa termometrar för att studera värme och observerade hur olika ämnen vid olika temperaturer tenderade att nå jämvikt när de kom i kontakt. ]

År 1798 observerade Benjamin Thompson , Earl of Rumford, i Bayern , att när man borrade pistoler, berodde mängden värme som erhölls på borrens tillstånd, och drog slutsatsen att värme inte var en vätska, utan en form av rörelse. Han härledde möjligheten att generera en obegränsad mängd värme genom friktion , eftersom värmen som genererades var ungefär proportionell mot det utförda arbetet, ett faktum som inte var lätt att argumentera med kaloriteorin. År 1812 bekräftade Humphry Davy det tidigare antagandet. Denna idé kulminerade i arbetet av läkaren och fysikern Julio R. von Mayer 1842 och senare och definitivt 1850 med James Prescott Joule , som slog fast att värme och arbete inte är något annat än manifestationer av termisk energi, som kan omvandlas i en procent till arbete, medan arbete helt kan omvandlas till värme. ]

Slutligen fann man att värme inte kunde förstås som en materiell substans, utan snarare är en form av energi. Mätningar av den mekaniska ekvivalenten till värme signalerade slutet på kaloriteorin. Ur allt detta uppstår termodynamiken och ur den värmemotorn . Samtidigt som termodynamiken började utvecklades den molekylära teorin om materia, vilket gör att en sammanhängande idé om värme och de fenomen som ingriper kan bildas. Den kinetiska teorin om gaser förklarade många av de fenomen som inte kunde förklaras av kaloriteorin .

Specifik värme

Specifik värme är en parameter som beror på materialet och relaterar värmen som tillhandahålls till en given massa av ett ämne med temperaturökningen:

$Q = m \int_{T_{\mathrm i}}^{T_{\mathrm f}} c \, \mathrm dT$

var:

$F$är värmen som tillförs systemet.

$m$är systemets massa.

$c$är systemets specifika värme .

$T_{\mathrm i}$och är de initiala och slutliga temperaturerna för systemet, respektive.$T_{\mathrm f}$

$\mathrm {d} T$är temperaturskillnaden .

Enheterna för specifik värme är Den specifika värmen hos ett material beror på dess temperatur; Men i många termodynamiska processer är dess variation så liten att den specifika värmen kan anses vara konstant. $J/(kg.K)$

Uppvärmning eller kylning av en vätska. Specifik värme

Om uppvärmningen av en vätska representeras på en graf, representeras värmemängderna per massenhet som ordinator och temperaturerna som abskiss. Mellan två valfria temperaturer uttrycks den genomsnittliga specifika värmen: ] $Vad$$t$

$c_{m}={\frac {q_{2}-q_{1}}{t_{2}-t_{1}}}=\tan \beta$

Var är mängden värme som ämnet tar emot eller avger mellan temperaturer och . Den verkliga specifika värmen för kommer dock att vara $q_{2}-q_{1}$$t_{1}$$t_{2}$$t_{1}$

$c=\lim​​t_{2}-t_{1}\to 0}{\frac {q_{2}-q_{1}}{t_{2}-t_{1}}}={ \frac {dq}{dt}}=\tan \alpha$

Den verkliga specifika värmen ges av variationen av mängden värme som utbyts per massenhet med avseende på temperatur, eller grafiskt, av lutningen för den geometriska tangenten vid punkten på tillståndskurvan. Det kan ses i figuren, skillnaden mellan de verkliga specifika heaten, representerade av lutningarna för tangenterna till kurvan, och de genomsnittliga specifika heaten mellan två temperaturer, representerade av lutningen på kordan som förenar båda punkterna.

För de flesta kroppar ökar den specifika värmen med temperaturen och skillnaden mellan medelvärde och sanna värden är liten, förutsatt att temperaturvariationen också är liten. För vatten är qt-kurvan praktiskt taget en rät linje, vilket indikerar att dess specifika värme förblir, inom vissa gränser, praktiskt taget konstant, vanligtvis taget som 4186 kJ/kg.

Molär specifik värme

Det är ofta mycket användbart att prata om molär specifik värme betecknad med c _mol , och definierad som mängden energi som behövs för att höja temperaturen på en mol av ett ämne med 1 grad, det vill säga den definieras av:

$c_m = \frac{1}{n}\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}T} \approx {Q \over {n\Delta T}}$

där n anger antalet mol av ämne som finns.

Värmekapacitet

Värmekapaciteten hos ett ämne är en storlek som indikerar den större eller mindre svårigheten som ämnet har att uppleva temperaturförändringar under tillförsel av värme. Det betecknas med , mäts i och definieras som: $C$$J/K$

$C = \frac Q{\Delta T}$

Med tanke på:

$c={Q \over {m\Delta T}}\Longrightarrow mc={Q \over \Delta T}\Longrightarrow C=mc$

På samma sätt kan den molära värmekapaciteten definieras som:

$C_n = nc$

Fasändringar

I naturen finns det tre vanliga tillstånd av materia: fast , flytande och gas . Genom att applicera värme på ett ämne kan det ändras från ett tillstånd till ett annat. Dessa processer är kända som fasförändringar . De möjliga fasförändringarna är:

• från fast till flytande tillstånd, kallad smältning ,
• från flytande till fast tillstånd, kallat stelning ,
• från flytande till gasformigt tillstånd, som kallas förångning eller förångning ,
• från gasformigt till flytande tillstånd, kallat kondensation ,
• från fast till gasformigt tillstånd, kallad progressiv sublimering ,
• från gasformigt till fast tillstånd, kallat retrogressiv sublimering eller avsättning,
• från gasform till plasma , kallad jonisering .
• från plasma till gasform, kallad avjonisering

Vatten i olika tillstånd i termisk jämvikt på Grönlandssidan av Baffinbukten

Latent värme

Att en fast kropp kan vara i termisk jämvikt med en vätska eller en gas , eller att en vätska och en gas kan vara i termisk jämvikt med varandra, över ett brett temperaturområde, är normalt och frekvent. Men vad som inte är så normalt är att två olika faser eller aggregationstillstånd av samma ämne kan vara i termisk jämvikt med varandra, naturligtvis under lämpliga omständigheter.

Ett system som består av fasta och flytande former av ett givet ämne, vid ett givet konstant tryck, kan vara i termisk jämvikt, men bara vid en temperatur som kallas smältpunkten, ibland symboliserad som . Vid denna temperatur satsas all tillförd värme på att smälta materialet så länge som en fast partikel finns kvar, utan att dess temperatur ändras avsevärt. Mängden energi som tillförs kallas fusionsvärme , latent fusionsvärme eller fusionsentalpi , och det är olika för varje ämne. Det betecknas med . $t_{\mathrm f}$$L_{\mathrm f}$

Att gå från flytande till fast material kräver samma mängd energi, så fusionsvärmen representerar den energi som behövs för att byta från fast till flytande, och vice versa.

På liknande sätt kan en vätska och en ånga av samma ämne vara i termisk jämvikt vid en temperatur som kallas kokpunkten symboliserad av . Värmen som krävs för att förånga ett ämne i flytande tillstånd (eller kondensera ett ämne i ångtillstånd) kallas kokvärme eller latent kokhet eller kokningsentalpi och mäts i samma enheter som latent värme av fusion. Det betecknas med . $t_{\mathrm e}$$L_{\mathrm e}$

Följande tabell ​ visar några värden på smält- och kokpunkterna och de latenta fusions- och avdunstningsvarmen för vissa ämnen:

ämnen	$t_{\mathrm f}$[°C]	$L_{\mathrm f}$[kJ/kg]	$t_{\mathrm e}$[°C]	$L_{\mathrm e}$[kJ/kg]
Isvatten	0, 00	334	100,00	2260
Etanol	-114,00	105	78, 3	846
Aceton	-94, 3	96	56, 2	524
Bensen	5, 5	127	80, 2	396
Aluminium	658, 7	322-394	2300	9220
Tenn	231, 9	59	2270	3020
Järn	1530	293	3050	6300
Koppar	1083	214	2360	5410
Merkurius	-38, 9	11, 73	356, 7	285
Leda	327, 3	22, 5	1750	880
Kalium	64	60, 8	760	2080
Natrium	98	113	883	4220

Värmeöverföring

Generellt sett tillåts tre olika sätt att överföra värme: genom ledning, genom konvektion och genom strålning. Strängt taget är endast ledning och strålning former av värmeöverföring, som uteslutande beror på att det finns en termisk obalans för att uppstå. Fallet med konvektion beror också på den mekaniska transporten av massa, men eftersom det fortfarande sker en överföring av värme från ett område med högre temperatur till ett annat med lägre temperatur, används uttrycket värmeöverföring genom konvektion.

Schematisk värmeöverföring genom ledning

• Värmeledning : Närhelst det finns en temperaturgradient i ett fast medium, strömmar värme från regionen eller kroppen med högre temperatur till regionen eller kroppen med lägre temperatur.
• Termisk konvektion : Den består av två mekanismer som fungerar samtidigt; energiöverföring genererad av molekylär rörelse, d.v.s. ledning, och energiöverföring av rörliga vätskedelar drivna av en extern kraft, som kan vara naturlig i fallet med en densitetsgradient, eller tvingad i fallet med en fläkt eller en pump.
• Termisk strålning : Alla kroppar avger elektromagnetisk strålning med en intensitet som beror på dess temperatur och våglängden.

Enkel överföring, det vill säga uteslutande på grund av en av de tre formerna, är i praktiken obefintlig och sker alltid samtidigt, åtminstone genom kombinationen av två av överföringsformerna och mycket ofta av alla tre.

Värmemätning

Om du har en kropp i termodynamisk jämvikt och du lämnar den i ett medium som har en annan temperatur, sker en överföring av energi mellan kroppen och omgivningen tills termisk jämvikt uppnås , det vill säga tills båda har samma temperatur. samma temperatur, vid vilken tidpunkt överföringen upphör. Energin sägs ha överförts som värme.

Termodynamiken studerar jämviktstillstånden och tillåter oss, enligt den första lagen , att bestämma skillnaden i värme mellan tillstånd 1 och tillstånd 2, både i kroppen och i det medium i vilket den var nedsänkt. Om det medges att det inte har förekommit mer interaktion än så på grund av temperaturskillnaden, är variationen av inre energi hos kroppen och mediet lika och både den ena och den andra informerar om mängden värme som krävs för att gå från tillstånd 1 till tillstånd 1. 2, men de berättar inte något om hur värmeflödet mellan de två tillstånden har varit, inte heller hur lång tid som krävs för överföringen.

$dQ=dU=U_{2}-U_{1}$

Som en form av energi har värme enheter av energi , så om vi håller oss till det internationella enhetssystemet kommer det att mätas i joule . Med hänsyn till att denna enhet är mycket liten och att massaenheten är kg, tas kilojoule normalt , vilket definierat som värme skulle vara: $J$$kJ$

En kiloJoule är värmen som måste överföras till 1 kg vatten för att höja dess temperatur med cirka 0,24 K. ]

När det är nödvändigt att veta värmeflödet eller mängden värme som överförs per tidsenhet, är och kommer det att mätas i kJ/s, det vill säga i kW. Beräkningen av värmeflödet och dess överföringslägen motsvarar inte termodynamik, utan en annan del av fysiken som är Heat Transfer . $dQ/dt$

Värme är en storlek med riktning, därför är det nödvändigt att ge det ett tecken för att slutföra informationen. Det finns ingen total överenskommelse om det konventionella tecknet, men det mest accepterade är:

Värmeöverföringen till ett system är positiv och värmeöverföringen från systemet är negativ. ]

Kalorimetri

För att direkt bestämma värmen som avslöjas i en laboratorieprocess används ofta en kalorimeter . I huvudsak är det en behållare som kommer att innehålla vätskan i vilken variationen av energi på grund av värmeöverföring kommer att studeras, vars hölje måste vara perfekt isolerad för att garantera att processen är så nära adiabatisk som möjligt .

Termodynamik och värmeöverföring

Termodynamik rapporterar värmeöverföringen av en process, utan att beakta mekanismen för värmeflöde eller den tid som krävs för att utföra överföringen. En termodynamisk studie avgör hur mycket värme som måste överföras för att göra övergången från ett tillstånd till ett annat, baserat på den första principen eller principen om energibevarande . Ur teknisk synvinkel är nyckelproblemet att beräkna värmeöverföringshastigheten för en given temperaturskillnad. Termodynamik handlar om jämviktstillstånd och de förändringar som sker mellan ett jämviktstillstånd och ett annat. Värmeöverföring handlar dock om de fenomen som uppstår från förekomsten av en termisk obalans och kräver därför ett icke-jämviktstillstånd. Följaktligen kan studiet av värmeöverföring inte enbart baseras på termodynamikens principer, men dessa, och alla fysiska lagar som måste uppfyllas av en process, tillhandahåller ekvationer som kan användas i analysen.

Sättet att tillämpa termodynamikens första lag är att etablera en kontrollvolym, som är ett fast område av rymden som begränsas av en kontrollyta och genom vilken värme, arbete och massa kan passera. Därifrån kan en energibalans göras: ]

Hastigheten med vilken termisk och mekanisk energi kommer in i en kontrollvolym, plus den hastighet med vilken energi alstras inom den, minus den hastighet med vilken termisk och mekanisk energi lämnar den, måste vara lika med den hastighet med vilken energi ackumuleras inom denna volym .

Vi nämnde tidigare att termodynamisk analys inte handlar om hastigheten för värmeöverföring i en riktning, men det kan sägas att denna parameter beror på storleken på temperaturgradienten, eller temperaturskillnaden per längdenhet, eller förhållandet temperaturförändring i den riktning. Ju större temperaturgradient, desto högre hastighet för värmeöverföring.

Värmeöverföring inom teknik

Problem med nominell kapacitet handlar om att bestämma värmeöverföringshastigheten i ett befintligt system vid en given temperaturskillnad. Dimensioneringsproblem handlar om att bestämma storleken på ett system för att överföra värme med en given hastighet med en given skillnad i temperatur. En värmeöverföringsprocess eller utrustning kan analyseras experimentellt eller analytiskt. Den experimentella proceduren har fördelen av att hantera det verkliga fysiska systemet och tack vare detta bestäms den önskade kvantiteten genom mätning, inom gränserna för experimentella fel. Det analytiska förfarandet har fördelen av att vara snabbt och billigt, men de erhållna resultaten beror på riktigheten av de hypoteser och idealiseringar som fastställts i analysen. I värmeöverföringsstudier uppnås ofta en bra approximation genom att reducera valen till bara ett fåtal genom analys och sedan verifiera resultaten experimentellt.

Känsla av värme hos människor

Att försöka kvantifiera värme i den mening som vi använder den i vardagsspråk och dagligen är mer komplicerat än det verkar, eftersom det beror på många fler variabler och framför allt mer oförutsägbart än de som hittills har påpekats. Att börja med landet, området, klimatet, att gå igenom ljusstyrkan eller den dominerande färgen och till och med kön och den känslomässiga situationen hos individen kan påverka den termiska känslan .

Generellt talar man i de flesta länder om värme när temperaturen överstiger 26 °C när som helst på dygnet, även om det varierar mycket beroende på årstid. Till exempel anses 20 °C på sommaren vara en sval temperatur, medan den på vintern anses vara mild eller varm.

Fenomenet " värmebölja " tillkännages när dagtemperaturerna överstiger 32 °C och natttemperaturerna (eller i gryningen) inte sjunker under 23 °C under tre dagar. Den är vanlig i nästan alla typer av klimat under sommarsäsongen, med undantag för länder nära polerna, där den är mycket sällsynt eller nästan obefintlig, och den blir vanligare när länderna ligger närmare tropikerna. Denna benämning av värmebölja betyder inte nödvändigtvis överdriven värme eller ovanliga temperaturer för årstiden, men den är avsedd att varna om skadliga konsekvenser för människor eller utsatta grupper.

Du känner dig varmare när det är mer fukt i miljön. Till exempel kommer en temperatur på 30°C, med en omgivande luftfuktighet på 10%, att kännas som om miljön bara är 28°C. Men med en luftfuktighet på 90 % kommer det att kännas som om miljön är 40°C.

Se även

• Kalorimetri
• Temperatur
• Termodynamik
• varmvattensflaska
• kaloriteori
• Kinetisk teori om idealgaser
• Introduktion till strömningsmekanik

Bibliografi

• Çengel, Yunus A. & Michael A. Boles. (nittonhundranittiofem). termodynamik . McGraw-Hill. isbn970-10-0909-6
• Kreith, Frank & Mark S. Bohn. (2001) Principer för värmeöverföring . Thomson Editores.isbn 84-9732-061-1
• Cengel, Yunus A. (2004), Heat Transfer (2:a upplagan), Mexiko: McGraw-Hill  .
• Abbott, M.M.; Vanness, H. C. (1991), Thermodynamics (2:a upplagan), Mexiko: McGraw-Hill  .
• Callen, H. B. (1985), Thermodynamics , New York: Wiley & Sons  .
• Valderrama, JO (2009), Notes on Basic Thermodynamics  .
• Wark, K. (1991), Thermodynamics (5:e upplagan), Mexiko: McGraw-Hill  .
• Faires, VM (1973), Thermodynamics , Mexiko: Uteha  .

Externa länkar

• Wiktionary har definitioner och annan information om värme .