Види теплопередачі

Види теплопередачі#

Теплопередача (теплообмін) — процес зміни внутрішньої енергії тіла або частини тіла без виконання роботи. Інакше кажучи, це процес передачі енергії від більш нагрітих тіл до менш нагрітих без виконання механічної роботи.

Загальний принцип:

Довільно внутрішня енергія завжди передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого.
Чим більша різниця температур, тим швидше відбувається процес передачі тепла.

Види теплопередачі

Існують три основні види теплопередачі:

  1. Теплопровідність — передача тепла за рахунок хаотичного руху частинок речовини, без перенесення самої речовини. Наприклад, метали є гарними провідниками тепла, тоді як дерево, скло та повітря — поганими. Газ — найгірший провідник тепла.

  2. Конвекція — перенос тепла потоками рідини або газу. Вона може бути природною (завдяки різниці густин) або примусовою (використовуючи насоси чи вентилятори). У твердих тілах конвекція неможлива. При природній конвекції теплі потоки рідини чи газу піднімаються догори завдяки меншій густині (архімедова сила), а холодні — опускаються. Приклади: циркуляція повітря в приміщенні, нагрівання води у каструлі, вітри та морські течії.

  3. Випромінювання — передача теплової енергії у вигляді електромагнітних хвиль. Це єдиний вид теплопередачі, можливий у вакуумі. Наприклад, Сонце передає енергію Землі через випромінювання. Інші приклади: інфрачервоне випромінювання, більше нагрівання темних поверхонь, порівняно із світлими поверхнями.

Як визначити кількість теплоти#

Кількість теплоти \(Q\) — це фізична величина, що дорівнює енергії, яку тіло одержує або віддає в ході теплопередачі.

Одиниця кількості теплоти в системі СІ: 1 Дж (Джоуль)

Кількість теплоти, яка поглинається при нагріванні (або виділяється при охолодженні), визначається за формулою:

\[ Q = cm\Delta t = cm(T - T_0) \]

де:

  • \(c\) — питома теплоємність речовини

  • \(m\) — маса речовини

  • \(\Delta T = T - T_0\) — зміна температури

  • \(T\) - кінцева температура

  • \(T_0\) - початкова температура

Важливо зазначити, що добуток питомої теплоємності та маси речовини називають теплоємністю тіла: \(C = cm\). Таким чином, якщо відома теплоємність тіла, кількість теплоти можна обчислити за спрощеною формулою: \(Q = C\Delta T\).

Кількість теплоти при фазових переходах

  1. Плавлення (кристал → рідина): Кількість теплоти при поглинається при плавленні або виділяється при кристалізації визначається формулою:

\[ Q = \lambda m \]

де:

  • \(\lambda\) — питома теплота плавлення;

  • \(m\) — маса речовини.

  1. Пароутворення (рідина → пара): Кількість теплоти при пароутворенні або конденсації:

\[ Q = r m \quad \text{або} \quad Q = L m \]

де:

  • \(r\) або \(L\) — питома теплота пароутворення;

  • \(m\) — маса речовини.

Важливо пам'ятати, що під час плавлення або кипіння температура речовини залишається сталою. Але також варто зауважити, що фазовий перехід "рідина ↔ пара" відбувається за будь-якої температури, а не лише за температури кипіння; при цьому вищевказана формула буде справедливою і в цьому випадку (однак тут уже будуть зміни температур).

Підсумок:

  1. Нагрівання/охолодження: \(Q = cm\Delta T\)

  2. Плавлення/кристалізація: \(Q = \lambda m\)

  3. Пароутворення/кипіння/конденсація: \(Q = r m\)

Код із прикладами#

# Функція для кількості теплоти при нагріванні/охолодженні
def heat_energy_heating(c, m, delta_t):
    """
    Обчислює кількість теплоти при нагріванні або охолодженні.
    c : питома теплоємність (Дж/(кг*°C))
    m : маса речовини (кг)
    delta_t : зміна температури (°C)
    """
    Q = c * m * delta_t
    return Q

# Нагрівання
c = 4200  # Дж/(кг*°C) - питома теплоємність води
m = 2  # кг
delta_t = 30  # °C
Q_heating = heat_energy_heating(c, m, delta_t)
print(f"Кількість теплоти при нагріванні: {Q_heating:.2f} Дж")

Кількість теплоти при нагріванні: 252000.00 Дж

# Функція для кількості теплоти при плавленні
def heat_energy_melting(lambda_value, m):
    """
    Обчислює кількість теплоти при плавленні або кристалізації.
    lambda_value : питома теплота плавлення (Дж/кг)
    m : маса речовини (кг)
    """
    Q = lambda_value * m
    return Q

# Плавлення
lambda_value = 334000  # Дж/кг - питома теплота плавлення льоду
m = 1.5  # кг
Q_melting = heat_energy_melting(lambda_value, m)
print(f"Кількість теплоти при плавленні: {Q_melting:.2f} Дж")

Кількість теплоти при плавленні: 501000.00 Дж

# Функція для кількості теплоти при пароутворенні
def heat_energy_evaporation(r, m):
    """
    Обчислює кількість теплоти при пароутворенні або конденсації.
    r : питома теплота пароутворення (Дж/кг)
    m : маса речовини (кг)
    """
    Q = r * m
    return Q

# Пароутворення
r = 2260000  # Дж/кг - питома теплота пароутворення води
m = 2.5  # кг
Q_evaporation = heat_energy_evaporation(r, m)
print(f"Кількість теплоти при пароутворенні: {Q_evaporation:.2f} Дж")

Кількість теплоти при пароутворенні: 5650000.00 Дж