Căldura este o măsură a energiei termice care poate fi transferată dintr-un punct în altul. Căldura este transferul de energie cinetică de la o sursă de energie la un mediu sau de la un mediu sau obiect la un alt mediu sau obiect.
Căldura este una dintre componentele importante ale schimbărilor de fază asociate cu munca și energia. Căldura este, de asemenea, măsura energiei cinetice deținute de particulele dintr-un sistem. Energia cinetică a particulelor din sistem crește odată cu creșterea temperaturii sistemului. Prin urmare, măsurarea căldurii se modifică în timp.
Transfer de căldură
Când un sistem la o temperatură mai mare este adus în contact cu un sistem la o temperatură mai scăzută, energia este transferată de la particulele din primul sistem către particulele din al doilea. Prin urmare, transferul de căldură poate fi definit ca procesul de transfer de căldură de la un obiect (sau un sistem) la o temperatură mai mare la un alt obiect (sau un sistem) la o temperatură mai scăzută.
Formula de transfer de căldură
Formula de transfer de căldură determină cantitatea de căldură transferată de la un sistem la altul.
Q = c × m × ΔT
Unde,
Q este căldura furnizată sistemului
m este masa sistemului
c este capacitatea termică specifică a sistemului
ΔT este modificarea temperaturii sistemului
Capacitatea termică specifică (c) este definită ca cantitatea de căldură (în Jouli) absorbită pe unitatea de masă (kg) a materialului atunci când temperatura acestuia crește cu 1 K (sau 1 °C). Unitățile sale sunt J/kg/K sau J/kg/°C.
Derivarea formulei
Lăsa m fie masa sistemului și c fie capacitatea termică specifică a sistemului. Lăsa ΔT fie modificarea temperaturii sistemului.
Apoi cantitatea de căldură furnizată ( Q ) este produsul masei m , capacitate termică specifică c și schimbarea temperaturii ΔT și este dat de,
Q = c × m × ΔT
Tipuri de transfer de căldură
Există trei tipuri de transfer de căldură:
- Conducere
- Convecție
- Radiația
Conducere
Transferul de căldură prin materiale solide se numește conducție. Formula pentru căldura transferată prin procesul de conducere se exprimă astfel:
dacă altceva în java
Q = kA(T Fierbinte -T Rece) t/d
Unde,
Q este căldură transferată prin conducție
k este conductivitatea termică a materialului
A este aria suprafeței
TFierbinteeste temperatura suprafeței fierbinți
TReceeste temperatura suprafeței reci
este timpul
d este grosimea materialului
Convecție
Transferul de căldură prin lichide și gaze se numește convecție. Formula pentru căldura transferată prin procesul de convecție este exprimată astfel:
Q = H c LA Fierbinte -T Rece )
Unde,
Q este transferul de căldură prin convecție
Hceste coeficientul de transfer termic
A este aria suprafeței
TFierbinteeste temperatura sistemului fierbinte
TReceeste temperatura sistemului rece
Radiația
Transferul de căldură prin unde electromagnetice se numește radiație. Formula pentru căldura transferată prin procesul de radiație este exprimată astfel:
Q = σ (T Fierbinte – T Rece) 4 A
Unde,
Q este căldura transferată prin radiație
σ este constanta lui Stefan Boltzmann
T Fierbinte este temperatura sistemului fierbinte
java matematică.aleatorieT Rece este temperatura sistemului rece
A este aria suprafeței
Constanta Stefan Boltzmann (σ) se calculează astfel:
σ = 2.p 5 K B 4 / 15 h 3 c 2 = 5,670367(13) × 10 -8 J . m -2 . S -1 . K -4
Unde,
σ este constanta lui Stefan Boltzmann
pi(π) ∼=
k B este constanta Boltzmann
h este constanta lui Planck
c este viteza luminii în vid
Exemple de probleme
Problema 1: Un sistem cu o masă de 10 kg și o temperatură inițială de 200 K este încălzit la 450 K. Capacitatea termică specifică a sistemului este de 0,91 KJ/kg K. Calculați căldura câștigată de sistem în acest proces.
Soluţie:
Conform intrebarii,
Masa, m = 10 kg
Capacitate termică specifică, c = 0,91 KJ/kg K
Temperatura inițială, T i = 200 K
Temperatura finală, T f = 450 K
model de proiectare din fabricăSchimbarea temperaturii, ΔT = 450K – 200K = 250K
Folosind formula de transfer de căldură,
Q = c × m × ΔT
Q = 0,91 x 10 x 250
Q = 2275 KJ
Prin urmare, căldura totală câștigată de sistem este de 2275 KJ.
Problema 2: Căldura specifică a fierului este de 0,45 J/g°C. Ce masă de fier este necesară pentru un transfer de căldură de 1200 Jouli dacă schimbarea temperaturii este de 40°C?
Soluţie:
Conform intrebarii,
Căldura specifică a fierului, c = 0,45 J/g°C
Modificarea temperaturii, ΔT = 40°C
Cantitatea de căldură transferată, Q = 1200 J
Folosind formula de transfer de căldură,
Q = c × m × ΔT
m = Q /(c x ΔT)
m = 1200 /(0,45 x 40)
m = 66,667 g
Prin urmare, masa necesară de fier pentru un transfer de căldură de 1200 Jouli este de 66,667 grame.
Problema 3: Luați în considerare două coloane de apă la temperaturi diferite separate de un perete de sticlă cu lungimea de 3m și lățime de 1,5m și o grosime de 0,005m. O coloană de apă este la 380K, iar cealaltă este la 120K. Calculați cantitatea de căldură transferată dacă conductivitatea termică a sticlei este de 1,4 W/mK.
Soluţie:
Conform intrebarii,
Conductibilitatea termică a sticlei, k = 1,4 W/mK.
Temperatura primei coloane de apă, T Fierbinte = 380K
Temperatura celei de-a doua coloane de apă, T Rece = 120K
Suprafața peretelui de sticlă care separă două coloane, A = lungime x lățime = 3 m x 1,5 m = 4,5 m 2
Grosimea sticlei, d = 0,005m
Folosind formula de transfer de căldură pentru conducere,
Q = kA(T Fierbinte -T Rece )t/d
Q = 1,4 x 4,5 (380-120) / 0,005
Q = 327600 W
Prin urmare, cantitatea de căldură transferată este de 327600 wați.
Problema 4: Calculați transferul de căldură prin convecție dacă coeficientul de transfer de căldură al unui mediu este de 8 W/(m 2 K) și suprafata este de 25 m 2 iar diferența de temperatură este de 20K.
Soluţie:
Conform intrebarii,
Coeficientul de transfer termic, H c = 8 W/(m 2 K)
Aria, A = 25m 2
Schimbarea temperaturii, (T Fierbinte – T Rece) = 20K
Folosind formula de transfer de căldură pentru convecție,
Q = H c LA Fierbinte -T Rece )
Q = 8 x 25 x 20
Q = 4000 W
Prin urmare, cantitatea de căldură transferată prin convecție este de 4000 de wați.
Problema 5: Calculați căldura transferată prin radiație între două corpuri negre la temperaturi de 300K și 430K și aria mediului este de 48 m 2 . (Având în vedere constanta lui Stefan Boltzmann, σ = 5,67 x 10 -8 W/(m 2 K 4 ) ).
nu este egal cu mysql
Soluţie:
Conform intrebarii,
Temperatura corpului fierbinte, TFierbinte= 430K
Temperatura corpului rece, TRece= 300K
Schimbarea temperaturii, (TFierbinte– TRece) = 430K – 300K = 130K
Aria, A = 48 m2
Stefan Boltzmann Constanta, σ = 5,67 x 10-8W/(m2K4)
Folosind formula de transfer de căldură pentru radiații,
Q = σ (TFierbinte-TFrig)4A
Q = 5,67 x 10-8x 1304x 48
Q = 777,3 W
Prin urmare, cantitatea de căldură transferată prin radiație este de 777,3 wați.