Hő

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. október 13-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

A termodinamikai rendszer belső energiája kétféleképpen változhat:a rendszeren végzett munka és a környezettel történő hőcsere útján . Azt az energiát, amelyet egy rendszer (test) kap vagy veszít a környezettel való hőcsere során, hőmennyiségnek vagy egyszerűen hőnek nevezzük [1] . A hő a klasszikus fenomenológiai termodinamika egyik alapvető termodinamikai mennyisége . A hőmennyiséget a termodinamika első és második törvényének szabványos matematikai megfogalmazása tartalmazza.

A rendszer belső energiájának hőátadás útján történő megváltoztatásához szintén szükséges munkát végezni. Ez azonban nem mechanikai munka, amely a makroszkopikus rendszer határvonalának elmozdulásával jár. Mikroszkopikus szinten ezt a munkát a molekulák között ható erők végzik egy melegebb test és egy kevésbé felhevült test érintkezési határán. Valójában a hőátadás során az energia a molekulák ütközésekor elektromágneses kölcsönhatáson keresztül történik. Ezért a molekuláris-kinetikai elmélet szempontjából a munka és a hő közötti különbség csak abban nyilvánul meg, hogy a mechanikai munka elvégzéséhez a molekulák makroszkopikus léptékű rendezett mozgása, míg a forróbb testről az energia átvitele szükséges. egy kevésbé fűtötthez ez nem szükséges.

Az energia sugárzással is átvihető egyik testről a másikra, közvetlen érintkezés nélkül.

A hőmennyiség nem állapotfüggvény , és a rendszer által bármely folyamat során kapott hőmennyiség attól függ, hogy milyen módon került át a kezdeti állapotból a végső állapotba.

A Nemzetközi Mértékegységrendszerben (SI) a mértékegység a joule . A kalóriát a hő mértékegységeként is használják . Az Orosz Föderációban a kalóriát az „ipar” [2] hatálya alá tartozó időkorlátozás nélküli rendszeren kívüli egységként engedélyezték .

Definíció

A hőmennyiség benne van a termodinamika első főtételének matematikai megfogalmazásában, amely így írható fel . Itt látható a rendszernek átadott hőmennyiség, a rendszer belső energiájának változása és a rendszer által végzett munka. A hő helyes meghatározásánál azonban az első törvénytől függetlenül meg kell adni a kísérleti mérési módszert. Mivel a hő a hőcsere során átadott energia, ezért a hőmennyiség mérésére egy tesztkalorimetriás testre van szükség. A vizsgált test belső energiájának megváltoztatásával meg lehet ítélni a rendszerből a vizsgált testre átvitt hőmennyiséget, és ezzel kísérletileg igazolni az első törvény érvényességét úgy, hogy mindhárom benne lévő mennyiséget egymástól függetlenül megmérjük: munka, belső energia. és hő. Ha a fenomenológiai termodinamikában nem jelölünk meg módszert a hőmennyiség önálló mérésére kalorimetrikus test segítségével, akkor az első törvény elveszti az értelmes fizikai törvény értelmét, és a hőmennyiség tautologikus definíciójává válik. $Q=\Delta U+A$ $K$ $\Delta U$ $A$

Egy ilyen mérés a következő módon hajtható végre. Tegyük fel, hogy egy két testből álló és egy adiabatikus héjba zárt rendszerben a testet (tesztet) egy merev, de hővezető héj választja el a testtől. Ekkor nem képes makroszkopikus munkát végezni , de hőcserén keresztül energiát tud cserélni a testtel . Tegyük fel, hogy a test képes mechanikai munkát végezni, de mivel az egész rendszer adiabatikusan el van szigetelve, csak hőt tud cserélni a testtel . Valamely folyamat során a testnek átadott hőmennyiség az az érték , ahol a test belső energiájának változása . Az energiamegmaradás törvénye szerint a rendszer által végzett teljes munka egyenlő a két test rendszerének teljes belső energiájának veszteségével: , hol van a test által végzett makroszkopikus munka , amely lehetővé teszi, hogy ezt írjuk. arány a termodinamika első főtételének kifejezéseként: . $x$ $Y$ $Y$ $x$ $x$ $x$ $Y$ $x$ $Q_{X}=-\Delta U_{Y}$ $\Delta U_{Y}$ $Y$ ${\displaystyle A=-\Delta U_{x}-\Delta U_{y))$ $A$ $x$ ${\displaystyle Q=A+\Delta U_{x))$

Így a fenomenológiai termodinamikában bevitt hőmennyiség egy kalorimetrikus test segítségével mérhető (amelynek belső energiájának változása a megfelelő makroszkopikus műszer jelzéséből ítélhető meg). A hőmennyiség bevezetett definíciójának helyessége a termodinamika első főtételéből következik, vagyis a megfelelő mennyiség függetlenségéből a vizsgált test megválasztásától és a testek közötti hőcsere módjától. A hőmennyiség ilyen definíciójával az első törvény értelmes, közvetlen kísérleti verifikációt lehetővé tévő törvénnyé válik, emellett számos olyan következmény is levonható belőle, amelyeket a kísérletben is igazolnak [3] . $Y$

Clausius egyenlőtlenség. Entrópia

Tételezzük fel, hogy a szóban forgó test csak végtelen hőtárolókkal tud hőt cserélni, amelyek belső energiája olyan nagy, hogy a vizsgált folyamat során mindegyik hőmérséklete szigorúan állandó marad. Tételezzük fel, hogy a testen egy tetszőleges körkörös folyamatot hajtottak végre, vagyis a folyamat végén abszolút ugyanolyan állapotban van, mint az elején. Legyen ugyanakkor az egész folyamatra az i-edik tározóból kölcsönzött, hőmérsékleten elhelyezkedő hőmennyiséget . Ekkor igaz a következő Clausius-egyenlőtlenség : $N$ $T_{i}$ $Q_{i}$

\circ \sum _{i=1}^{N}{\frac {Q_{i}}{T_{i}}}\leqslant 0.

Itt egy körkörös folyamatot jelöl. A változó hőmérsékletű közeggel végzett hőcsere általános esetben az egyenlőtlenség formát ölt $\circ$

\oint {\frac {\delta Q(T)}{T))\leqslant 0.

Itt látható a közeg (állandó) hőmérsékletű szakasza által átadott hőmennyiség . Ez az egyenlőtlenség alkalmazható bármely testen végrehajtott folyamatra. Egy kvázistatikus folyamat adott esetben egyenlőséggé válik. Matematikailag ez azt jelenti, hogy kvázistatikus folyamatokhoz bevezethetünk egy entrópia nevű állapotfüggvényt , amelyre $\deltaQ(T)$ $T$

S=\int {\frac {\delta Q(T)}{T)),

dS={\frac {\delta Q}{T)).

Itt van a külső hőtároló abszolút hőmérséklete . Ebben az értelemben a hőmennyiség integráló tényezője , szorozva megkapjuk az állapotfüggvény teljes differenciáját. $T$ ${\frac {1}{T}}$

A nem kvázisztatikus folyamatok esetében az entrópia ezen definíciója nem működik. Például egy gáz vákuummá történő adiabatikus expanziója során

\int {\frac {\delta Q(T)}{T))=0,

az entrópia azonban ebben az esetben növekszik, amit könnyű ellenőrizni, ha a rendszert kvázi statikusan átvisszük a kiindulási állapotba, és a Clausius-egyenlőtlenséget alkalmazzuk. Ezenkívül az entrópia (a jelzett értelemben) nincs meghatározva egy rendszer nem egyensúlyi állapotaira, bár sok esetben a rendszer lokális egyensúlyban lévőnek tekinthető, és valamilyen entrópiaeloszlású.

Lappangó és érzékelt melegség

Egy olyan rendszer belső energiája, amelyben fázisátalakulások vagy kémiai reakciók lehetségesek, hőmérsékletváltozás nélkül is változhat. Például egy olyan rendszerbe átvitt energia, amelyben a folyékony víz egyensúlyban van a jéggel nulla Celsius fokon, a jég olvasztására fordítódik, de a hőmérséklet állandó marad, amíg az összes jég vízzé nem változik. Ezt az energiaátadási módszert hagyományosan látens vagy izoterm hőnek [4] ( eng. latent heat ) nevezik, ellentétben az "explicit", "érezhető" vagy nem izoterm hővel ( angol szenzibilis hő ), ami a folyamatot jelenti . energia átvitele a rendszerbe, aminek következtében csak a rendszer hőmérséklete változik, de az összetétele nem.

Fázisátalakulás hője

Az anyag egységnyi tömegére eső fázisátalakuláshoz szükséges energiát fázisátalakulás fajhőjének nevezzük [5] . A fázisátalakulás során lezajló fizikai folyamatnak megfelelően olvadáshőt, párolgáshőt, szublimációs hőt (szublimációs hőt), átkristályosodási hőt stb. bocsáthatnak ki. Fázisátalakítások az entrópia hirtelen megváltozásával jönnek létre, ami a a hőmérséklet állandósága ellenére hő felszabadulásával vagy elnyelésével jár.

A "hő", "hőmennyiség", "hőenergia" kifejezésekről

A termodinamika számos fogalma felmerült az elavult kalóriaelmélet kapcsán, amely a termodinamika molekuláris-kinetikai alapjainak tisztázása után hagyta el a színpadot. Azóta a tudományos és a hétköznapi nyelvben egyaránt használják. Noha szoros értelemben a hő az energiaátvitel egyik módja, és csak a rendszerbe átvitt energiamennyiségnek van fizikai jelentése, a "hő" szót olyan jól bevált tudományos fogalmak tartalmazzák, mint a hőáram, hőkapacitás . , fázisátalakulási hő, kémiai reakció hője, hővezető képesség stb. Ezért ahol az ilyen szóhasználat nem félrevezető, a "hő" és a "hőmennyiség" fogalmak szinonimák [6] . Ezek a kifejezések azonban csak akkor használhatók, ha olyan pontos definíciót adnak, amely nem kapcsolódik a kalóriaelmélet elképzeléseihez, és a „hőmennyiség” semmi esetre sem tudható be az eredeti fogalmak számának. nem igényel definíciót [7] . Ezért egyes szerzők tisztázzák, hogy a kalóriaelmélet hibáinak elkerülése érdekében a „hő” fogalmát pontosan az energiaátvitel módszereként kell érteni, és az ezzel a módszerrel átvitt energia mennyiségét a „ hőmennyiség” [8] . Javasoljuk, hogy kerüljük az olyan kifejezést, mint a „hőenergia”, amely jelentésében egybeesik a belső energiával [9] .

Jegyzetek

↑ Sivukhin, 2005 , p. 57.
↑ Az Orosz Föderációban használható mennyiségi egységekre vonatkozó előírások. Jóváhagyva az Orosz Föderáció kormányának 2009. október 31-i 879. számú rendeletével (hozzáférhetetlen hivatkozás) . Hozzáférés dátuma: 2014. február 16. Az eredetiből archiválva : 2013. november 2.. (határozatlan)
↑ Sivukhin, 2005 , p. 58.
↑ Putilov, 1971 , p. 49.
↑ Sivukhin, 2005 , p. 442.
↑ Melegség / Myakishev G. Ya. // Strunino - Tikhoretsk. - M . : Szovjet Enciklopédia, 1976. - ( Great Soviet Encyclopedia : [30 kötetben] / főszerkesztő A. M. Prohorov ; 1969-1978, 25. köt.).
↑ Sivukhin, 2005 , p. 13.
↑ Bazarov, 1991 , p. 25.
↑ Sivukhin, 2005 , p. 61.

Irodalom

Bazarov I. P. Termodinamika. - M . : Felsőiskola, 1991. - 376 p.
Putilov K. A. Termodinamika. — M .: Nauka, 1971. — 375 p.
Sivukhin DV Általános fizika tanfolyam. - T. II. Termodinamika és molekuláris fizika. - 5. kiadás, Rev. - M . : Fizmatlit, 2005. - 544 p. - ISBN 5-9221-0601-5 .