Toplota je merilo toplotne energije, ki jo je mogoče prenesti iz ene točke v drugo. Toplota je prenos kinetične energije od vira energije do medija ali od enega medija ali predmeta do drugega medija ali predmeta.
Toplota je ena od pomembnih komponent faznih sprememb, povezanih z delom in energijo. Toplota je tudi merilo kinetične energije, ki jo imajo delci v sistemu. Kinetična energija delcev v sistemu narašča z naraščanjem temperature sistema. Zato se meritev toplote s časom spreminja.
Prenos toplote
Ko sistem pri višji temperaturi pride v stik s sistemom pri nižji temperaturi, se energija prenese iz delcev v prvem sistemu na delce v drugem sistemu. Zato lahko prenos toplote opredelimo kot proces prenosa toplote od predmeta (ali sistema) pri višji temperaturi do drugega predmeta (ali sistema) pri nižji temperaturi.
Formula za prenos toplote
Formula za prenos toplote določa količino toplote, ki se prenese iz enega sistema v drugega.
Q = c × m × ΔT
Kje,
Q je toplota, dovedena v sistem
m je masa sistema
c je specifična toplotna kapaciteta sistema
ΔT je sprememba temperature sistema
Specifična toplotna kapaciteta (c) je opredeljena kot količina toplote (v joulih), ki se absorbira na enoto mase (kg) materiala, ko se njegova temperatura poveča za 1 K (ali 1 °C). Njegove enote so J/kg/K ali J/kg/°C.
Izpeljava formule
Pustiti m biti masa sistema in c specifična toplotna kapaciteta sistema. Pustiti ΔT biti sprememba temperature sistema.
Nato količina dovedene toplote ( Q ) je produkt mase m , specifična toplotna kapaciteta c in spremembo temperature ΔT in ga daje,
Q = c × m × ΔT
Vrste prenosa toplote
Obstajajo tri vrste prenosa toplote:
- Vodenje
- Konvekcija
- sevanje
Vodenje
Prenos toplote skozi trdne snovi imenujemo prevodnost. Formula za toploto, ki se prenaša s postopkom prevajanja, je izražena kot:
Q = kA(T Vroče -T hladno) t/d
Kje,
Q je toplota, ki se prenaša s prevodnostjo
k je toplotna prevodnost materiala
A je površina površine
TVročeje temperatura vroče površine
Thladnoje temperatura hladne površine
java zbirke javat je čas
d je debelina materiala
Konvekcija
Prenos toplote skozi tekočine in pline imenujemo konvekcija. Formula za toploto, ki se prenaša s procesom konvekcije, je izražena kot:
Q = H c A(T Vroče -T hladno )
Kje,
Q je toplota, ki se prenaša s konvekcijo
Hcje koeficient prehoda toplote
A je površina površine
TVročeje temperatura vročega sistema
Thladnoje temperatura hladilnega sistema
sevanje
Prenos toplote skozi elektromagnetno valovanje imenujemo sevanje. Formula za toploto, ki jo prenaša proces sevanja, je izražena kot:
Q = σ (T Vroče – T hladno) 4 A
Kje,
instanceofQ je toplota, ki se prenaša s sevanjem
σ je Stefan Boltzmannova konstanta
T Vroče je temperatura vročega sistema
T hladno je temperatura hladilnega sistema
A je površina površine
Stefan Boltzmannova konstanta (σ) se izračuna kot:
σ = 2.p 5 K B 4 / 15 h 3 c 2 = 5,670367(13) × 10 -8 J . m -2 . S -1 . K -4
Kje,
σ je Stefan Boltzmannova konstanta
pi(π) ∼=
k B je Boltzmannova konstanta
h je Planckova konstanta
c je hitrost svetlobe v vakuumu
Vzorčne težave
1. naloga: Sistem z maso 10 kg in začetno temperaturo 200 K se segreje na 450 K. Specifična toplotna kapaciteta sistema je 0,91 KJ/kg K. Izračunajte toploto, ki jo sistem pridobi pri tem procesu.
rešitev:
Glede na vprašanje,
Masa, m = 10 kg
Specifična toplotna kapaciteta, c = 0,91 KJ/kg K
Začetna temperatura, T jaz = 200 K
Končna temperatura, T f = 450 K
Sprememba temperature, ΔT = 450K – 200K = 250K
Z uporabo formule za prenos toplote,
Q = c × m × ΔT
Q = 0,91 x 10 x 250
Q = 2275 KJ
Zato je skupna toplota, ki jo pridobi sistem, 2275 KJ.
Problem 2: Specifična toplota železa je 0,45 J/g°C. Kakšna masa železa je potrebna za prenos toplote 1200 Joulov, če je sprememba temperature 40 °C?
rešitev:
Glede na vprašanje,
Specifična toplota železa, c = 0,45 J/g°C
Sprememba temperature, ΔT = 40°C
Količina prenesene toplote, Q = 1200 J
Z uporabo formule za prenos toplote,
Q = c × m × ΔT
m = Q /(c x ΔT)
m = 1200 /(0,45 x 40)
m = 66,667 g
Zato je potrebna masa železa za prenos toplote 1200 Joulov 66,667 gramov.
Problem 3: Razmislite o dveh vodnih stebrih pri različnih temperaturah, ločenih s stekleno steno dolžine 3 m in širine 1,5 m ter debeline 0,005 m. En vodni stolpec ima 380K, drugi pa 120K. Izračunajte količino prenesene toplote, če je toplotna prevodnost stekla 1,4 W/mK.
rešitev:
Glede na vprašanje,
Toplotna prevodnost stekla, k = 1,4 W/mK.
Temperatura prvega vodnega stolpca, T Vroče = 380K
Temperatura drugega vodnega stolpca, T Hladno = 120K
Površina steklene stene, ki ločuje dva stebra, A = dolžina x širina = 3 m x 1,5 m = 4,5 m 2
Debelina stekla d=0,005m
Z uporabo formule za prenos toplote za prevajanje,
Q = kA(T Vroče -T hladno )t / d
Q = 1,4 x 4,5 (380-120) / 0,005
Q = 327600 W
Zato je količina prenesene toplote 327600 vatov.
Problem 4: Izračunajte prenos toplote s konvekcijo, če je koeficient toplotnega prehoda medija 8 W/(m 2 K) in površina je 25 m 2 temperaturna razlika pa je 20K.
rešitev:
Glede na vprašanje,
Koeficient toplotne prehodnosti, H c = 8 W/(m 2 K)
Površina, A = 25 m 2
Sprememba temperature, (T Vroče – T hladno) = 20K
Z uporabo formule za prenos toplote za konvekcijo,
Q = H c A(T Vroče -T hladno )
Q = 8 x 25 x 20
Q = 4000 W
Zato je količina toplote, prenesene s konvekcijo, 4000 vatov.
teorija avtomatov
Problem 5: Izračunajte toploto, ki se prenaša s sevanjem med dvema črnima telesoma pri temperaturah 300K in 430K in je površina medija 48 m 2 . (Glede na konstanto Stefana Boltzmanna, σ = 5,67 x 10 -8 W/(m 2 K 4 ) ).
rešitev:
Glede na vprašanje,
Temperatura vročega telesa, TVroče= 430K
Temperatura hladnega telesa, Thladno= 300K
Sprememba temperature, (TVroče– Thladno) = 430K – 300K = 130K
Površina, A = 48 m2
Stefan Boltzmannova konstanta, σ = 5,67 x 10-8W/(m2K4)
Z uporabo formule za prenos toplote za sevanje,
Q = σ (TVroče-Thladno) 4A
Q = 5,67 x 10-8x 1304x 48
Q = 777,3 W
Zato je količina toplote, prenesene s sevanjem, 777,3 vatov.