Дефиниција на топлинскиот капацитет и спецификацијата
Дефиниција на топлинскиот капацитет и спецификацијата. Топлина Капацитет на топлина (Ј/К) Специфична моларна топлина, моларен топлински капацитет (Ј/кг К) Испорачана топлина (Ј) Специфична топлинска топлина (Ј/кг К) Количина на супстанција (мол) dq е количеството топлина што телото го произведува топлински капацитет C на маса m и мора да се испорача специфична топлина c од количеството на супстанција ν и моларен капацитет на топлина cm за да се загрее со температурната разлика ΔT. Дефиницијата претпоставува дека не се преминува ниту една фаза на гранична линија.
Калории и Jул Дефиниција на калории (1 калорија): количина на топлина за загревање на 1 g вода за 1 Келвин 1 кал = 4,19 J Специфичен топлински капацитет на вода c (H 2 0) = 1 kcal/(kg K) = 4,19 kj/( кг К) Ова е највисоката специфична топлина од сите материјали! Интересно Во табелите за исхрана, калориите се даваат наместо килокалории (x 1000)!
Практични размислувања (1) 100 гр чоколадо има калориска вредност од 600 калории = 600 kcal = 2514 kJ е доволно за да се загреат 6 литри вода на 0 100 C е доволно за да се подигне алпинист од 100 кг за h = 2500 m наспроти гравитацијата. (не вклучувајќи мускулна ефикасност, триење и сл.) Доволно е да испарите 1 кг вода, 1 кг губење на тежината преку потење одговара на само околу 100 гр губење на маснотии! П. 122
Практични размислувања (2) Топлински капацитет на вода Гаснење на пожар: Високиот топлински капацитет обезбедува брзо намалување на температурата на пожарот и за гаснење на океаните се важни складишта на топлина во глобалната клима Поморска клима Континентална клима в (Н 2 0) = 10 х в (бакар) стр. 123
Топлински капацитет на цврстиот експеримент Набervationудување: Двата метални блока имаат ист волумен И двата блока имаат иста почетна температура (100 C) Оловото е потешко! Но: челикот тоне подлабоко во парафинот ! Зошто ? Објаснување: Густина на бројот n = ρ/m: Челикот има поголема внатрешна енергија
Правило на Дулонг и Петит Внатрешната енергија на цврста состојба на температура Т одговара на количината на топлина што е потребна од 0 за да се загрее до нејзината температура Т. Како резултат на потенцијалната и кинетичката енергија на атомите во кристалната решетка, внатрешната енергија на цврстата состојба е. Ова значи дека сите цврсти тела имаат ист моларен топлински капацитет, без оглед на температурата или материјалното својство, правило Дулонг-Петит (но: важи само многу над температурата на Деби) стр. 125
Специфична топлина на идеалниот гас, на V = конст. Ако гасот не работи (PdV = 0), важи следново: Внатрешната енергија на гасот се одредува според бројот на честички на гасот, степени на слобода по честички на гас и температура. Соодветно на тоа, моларниот топлински капацитет е: S. 126
Специфична топлина на идеалниот гас, при P = конструкција Ако притисокот треба да остане константен за време на загревањето, идеалниот гас мора да се прошири и да изврши работа: W = P dv Внатрешната енергија на гасот потоа се одредува со топлинската внатрешна енергија (на V = конст) минус буг на обем работа знак на dw ? Моларниот топлински капацитет при постојан притисок е соодветно: Со адијабатски коефициент: стр. 127
Идеја за калориметрија Мешање на материја со позната количина (маса) и температура со втора материја со позната количина и температура Температурите се исти како и Одредување на топлинскиот капацитет на супстанциите Топлински капацитет на калориметарот стр. 128
Калориметрија: Определување на специфична топлина (1) Се бара: Специфична топлина c на непознато тело со маса m Идеја 1: Загрејте го телото на добро позната температура T 1 водена бања со позната почетна температура T 0 и маса m H20 Измерете ја крајната температура (T 2 = TK = T H20) во рамнотежа по мешање. Одреди ја количината на топлина од температурната компензација водена бања Единствената непозната: се бараше! Вредност на водата = топлински капацитет на калориметарот стр. 129
Калориметрија: Определување на специфична топлина (2) Се бара: Специфична топлина в на непознато тело со маса m Идеја 2: Донесете дефинирана количина на топлина во водената бања (маса m H20) за да се измери почетокот (Т 20) и крајната температура (Т 2) во рамнотежа: Во празниот калориметар електрична моќност на греењето (струја на напон): количина на топлина во калориметарот исполнет со тело м Само непознато: се бара! Значи: c K може да се одреди без априори познавање на својствата на калориметарот и својствата на водата стр. 130
Зрачење на топлинска спроводливост со конвекција на топлина
Примери за конвективен топлински транспорт Се чувствува температурата на ветерот пониска отколку кога нема ветер Ладење на моторот од авторот (вентилатор на воздухот) Соларен ветер (дел од енергијата од сонцето до нас) Сузбивање на конвекција Термос колба + технички криостат Вакуумска изолација помеѓу 2 wallsида на контејнер
Конвекција во биологијата Конвекцијата преку артериската крв ја носи топлината од горниот дел на телото до нозете Топлинската спроводливост помеѓу wallsидовите на садовите ја загрева повратната венска крв за да не стане премногу студена до срцето. http://www.ifdn.tu-bs.de/physikdidaktik Разликување помеѓу слободна и присилна конвекција: Присилна конвекција: крв од пингвин Бесплатна конвекција: гас помеѓу двојни стакла од Голфскиот тек http://www.ifdn.tu-bs.de/physikdidaktik стр. 134
Топлинска спроводливост/Закон на Фурие Резервоар Т 1 потопол од резервоарот Т 2 Поврзување преку прачка со пресечна површина А и должина dx Температурниот градиент dt/dx генерира општ проток на топлина: Константа на пропорционалност е топлинска спроводливост λ [W/m K] Негативниот знак го означува протокот на топло ладно
Топлинска отпорност Законот на Фурие може да се трансформира Термичка отпорност R [K/W] Аналогија со електрониката: U = R I Врската на термички отпори во серија е додаток Паралелното поврзување на термичките отпори е реципрочно додаток стр. 137
Топлинска спроводливост Подобра изолација wallsидови на куќата: Повеќекратна изолација Човечка облека Повеќе слоеви Зголемена загуба на топлина Голем и голем прозорец Големи области на телото (слонови уши) (г. Халидеј Физик стр. 138
Механизми на спроводливост на топлина Диелектрични цврсти материи (изолатори) Расејување на фонони = пренесување на квантизирани вибрации преку судири со соседни атоми/молекули Електрично спроводливи цврсти материи (метали) Дополнително: Носачите со бесплатно полнење ја транспортираат енергијата и ја пренесуваат на мрежните вибрации (телефони). Закон за Видеман-Франц Топлинската спроводливост λ на металите е пропорционална на електричната спроводливост σ el:
Механизми на спроводливост на топлина Течности и гасови Спроводливост на топлина преку судири помеѓу честички Дополнително: темелно мешање, дифузија i Топлинската спроводливост во гасовите е независна од притисокот: ако слободната патека е мала во споредба со димензиите на садот (обично до приближно 1 mbar). λ пропорционален на притисокот, ако слободната патека е голема во споредба со (примена во вакуумски сензори !) стр. 140
Лабораториски експерименти (1) Експеримент Пламенот на свеќа не може да помине низ метално сито: спроводливоста на топлината ја намалува температурата на гасот под точката на палење.Ако притиснете цигара на памучна крпа, има ознака на изгореници. Нема ознака на изгореница ако има метална паричка под неа. Дрвениот паркет се чувствува потопол од камени подови: топлината на телото се дисипира побавно.20 вода од бања е ладна. Температурата на воздухот од 20 C е топла (видете погоре) На 20 C можете да го допрете дрвото со голи раце, но веднаш замрзнувате на железо со иста температура (видете паркет!) Стр. 141
Експеримент со феномен на Лајденфрост Течност што е во контакт со тело што е потопло од неговата температура на вриење испарува брзо и формира перниче за гас што изолира топлина. Капки вода танцуваат на рингла. Течни меурчиња од азот на подот во лабораторијата. Може да ја потопите раката во течен азот за многу кратко време. Но, бидете внимателни. Течноста мора да може да истекува насекаде. Не смее да има метални предмети g на раката (спроводливост на топлина!) П. 142
Типични вредности на топлинска спроводливост за топлинска спроводливост на супстанцијата. λ [W/m K] за суперфлуиди зависни од Т-хелиум! До> 100 000 истражувања/магнетна технологија јаглеродни наноцевки 6000 мол.Електроника дијамант 2300 алатки/мелни глави сребро 429 најдобри метални бакари 401 ладилници за ладење алуминиум 237 технички важен нерѓосувачки челик V2A 15 технички важен мраз (-20,0 C) 2,33 игло бетон 2,1 модерна конструкција Стакло 1.0 Виндоус Цврсто brickидарство од тули 0,5-1,4 Стари згради Дрво 013-0,13 018 0,18 Стиропорна табла 0,035-0,050 Ефтина плоча за топлинска изолација Плочка за изолација од вакуум 0,004-0,006 Скапа волна плоча за топлинска изолација 0,035035 Shf Овчо воздух 0,024 помеѓу двојно стакло стр. 143
Равенка за топлинска спроводливост 1Д Снабдување со топлина од лево: Дисипација на топлина од десно: Разликата во моќноста ја загрева масата: од стр. 144
Равенка на топлинска спроводливост 1D & 3D Равенка на топлинска спроводливост (1D) Равенка на топлинска спроводливост (3D) Топлинска спроводливост стр. 145
Лабораториски експерименти (2) Експериментирајте ја дистрибуцијата на температурата на прачката Cu, која се загрева од едната страна. Може да следите како напредува температурата и, една по друга, восочните сфери се топат од прачката стр. 146
Прв пристап до својствата на топлинско зрачење Експеримент со коцка Леслишер Купна коцка исполнета со топла вода Едната страна е обоена во црна боја Едната страна е обоена во бела боја Едната страна се огледува на термопилот на растојание d од коцката мери различни температури Зрачената моќност Цврст агол Емисивноста емитерска површина
Зрачење на шуплината Шуплина со мала влезна дупка е добра апроксимација за црно тело (совршен апсорбер, А 1), бидејќи зрачењето излегува повторно само со мала веројатност. Ако оваа празнина се загрева, таа има емисивност ε 1. Во стационарна состојба, се применува детална рамнотежа: Зрачењето е изотропно: Енергетската густина во шуплината е хомогена стр. 149
Енергетска густина на топлинско зрачење Енергетска густина во застапеност на фреквенцијата во (J/m 3 Hz 1) Енергија на фотон Густина на режимот Конверзија помеѓу фреквенцијата и брановата должина: Фотони по бранова форма во шуплината (= по режим) Густина на енергијата како функција на брановата должина (J/m 3/m) Енергија на густина на фотонски режим на фотони по режим
Неколку факти за зрачењето на шуплината (= електромагнетно зрачење од црно тело) Интензитет на зрачење I (ν) Енергетска густина u (ν): Зрачената моќност на тело со емисивност ε е резултат на интеграција на законот за радијација на Планк како што е законот на Стефан Болцман со константа на Стефан Болцман С. 151 година
Закон за раселување на Виена Од законот за радијација на Планк се наоѓа за сонцето: Т = 5600 К λ макс = 533 нм Земја: Т = 300 К λ макс = 10 μm стр. 152
Релевантност на термичкото зрачење Човечкото око е најчувствително таму каде што има најинтензивно сончево зрачење: во зелено/жолто спектрално подрачје (550 nm) Зелените ласерски покажувачи се гледаат 16 пати подобро од црвените ласерски покажувачи со иста моќ Ефект на стаклена градина yellowолтата сончева светлина се пренесува добро од атмосферата се апсорбира од земјата, термизираната светлина се емитува на Т = 300 K повторно Ова одговара на максимална бранова должина од приближно 10 µm Оваа бранова должина добро се апсорбира од атмосферата (CO 2, метан) Потсетување: CO 2 ласерот има главна бранова должина од 10,6 μm S 153
Излез на сончево греење во надворешната атмосфера Краткорочни процеси Соларна константа: I = 1367 W/m 2 Долгорочни процеси со ефект на складирање: Просечна вредност над површината на земјата Сончево зрачење на подрачјето на пресекот на земјата π R 2 Вкупна површина 4 π R 2 Просечна сончева константа: I = 2 еф 342 W/m Вкупно зрачење Моќта на сонцето: Ова одговара на околу 10 17 нуклеарни централи со по 3 4 GW стр. 154
Зрачење на телото Тело со: температура на кожата T = 32 C = 305 K, површина на кожата A = 1,5 m 2, просторија со температура 20 C = 293 K Нето загуба на моќност: За 24 часа: 9,4 MJ = 2200 kcal Но: облеката драстично ја намалува потрошувачката! Всушност: Вкупна потрошувачка на тивки луѓе: приближно 70.100 W = 2000 kcal/ден Термичко зрачење Топлина спроводливост Основен мускулен тонус, срце/мозок перформанси Затоплување и навлажнување на воздухот што го дишите (значителен фактор) стр. 156
Tonутнов закон за ладење за изедначување на температурата во секојдневниот живот Доказ (1): Доказ (2): стр. 157
Конструкција на криостат (најдобар можен изолатор на топлина) Течна хелиумска бања: LHe висок вакуум спречува конвективен k транспорт на алуминизиран миларски филм: го намалува преносот на зрачење и конвекција на течен азот: ја ограничува температурата на зрачење до 77 K висока вакуумска јакна и алуминизираниот миларски филм стр. 158
Адиабатска компресија на ладилникот Загревање на гасот Разменувач на топлина (калеми за ладење на задниот wallид) Кондензација Вентил за проширување: испарување и понатамошно ладење на адијабатско проширување Топлина на испарување го лади оставата, чајната кујна стр. 159