Varme - Heat

The Sun og jord danner en pågående eksempel på en oppvarmingsprosessen. Noen av solens termiske stråling treffer og varmer jorden. Sammenlignet med solen har jorden en mye lavere temperatur og sender derfor mye mindre termisk stråling tilbake til solen. Varmen fra denne prosessen kan kvantifiseres av nettomengden og retningen (sol til jorden) av energi den overførte i en gitt tidsperiode.

I termodynamikk , varme er energi i overføring til eller fra et termodynamisk system, av andre enn mekanismer termodynamiske arbeids eller overføring av materie . De forskjellige mekanismene for energioverføring som definerer varme er angitt i neste del av denne artikkelen.

I likhet med termodynamisk arbeid er varmeoverføring en prosess som involverer mer enn ett system, ikke en egenskap for et og samme system. I termodynamikk, overføres energi som varme bidrar til endring i systemets kardinal energi variabel tilstand , for eksempel dens indre energi , eller for eksempel dens entalpi . Dette skal skilles fra den vanlige språkoppfatningen av varme som en egenskap til et isolert system.

Mengden energi overført som varme i en prosess er mengden overført energi unntatt termodynamisk arbeid som ble utført og all energi som finnes i materien overført. For den presise definisjonen av varme, er det nødvendig at det skjer ved en bane som ikke inkluderer materieoverføring.

Selv om det ikke er umiddelbart etter definisjonen, men i spesielle prosesser, kan mengden energi som overføres som varme måles ved dens effekt på tilstandene til organer som virker sammen. For eksempel, henholdsvis under spesielle omstendigheter, kan varmeoverføring måles av mengden is smeltet, eller ved endring i temperaturen til et legeme i omgivelsene til systemet. Slike metoder kalles kalorimetri .

Den konvensjonelle symbolet som benyttes for å representere mengden av varme som overføres i en termodynamisk prosess er Q . Som en energimengde (overføres), en SI-enhet er av varme den joule (J).

Overføringsmekanismer som definerer varme

Mekanismene for energioverføring som definerer varme inkluderer ledning , gjennom direkte kontakt med immobile kropper, eller gjennom en vegg eller barriere som er ugjennomtrengelig for materie; eller stråling mellom atskilte legemer; eller friksjon på grunn av isokorisk mekaniske eller elektriske eller magnetiske eller gravitasjons arbeid utført av omgivelsene på systemet av interesse, slik som Joule oppvarming på grunn av en elektrisk strøm drives gjennom systemet av interesse ved et eksternt system, eller gjennom en magnetrører . Når det er en passende bane mellom to systemer med forskjellige temperaturer , skjer varmeoverføring nødvendigvis, umiddelbart og spontant fra det varmere til det kaldere systemet. Termisk ledning skjer ved stokastisk (tilfeldig) bevegelse av mikroskopiske partikler (for eksempel atomer eller molekyler). Derimot er termodynamisk arbeid definert av mekanismer som virker makroskopisk og direkte på systemets variabler i hele kroppen ; for eksempel endring av systemets volum gjennom et stempelbevegelse med ekstern målbar kraft; eller endring av systemets interne elektriske polarisering gjennom en ekstern målbar endring i elektrisk felt. Definisjonen av varmeoverføring krever ikke at prosessen på noen måte er jevn. For eksempel kan et lyn overføre varme til kroppen.

Konvektiv sirkulasjon tillater en kropp å varme opp en annen, gjennom en mellomliggende sirkulerende væske som bærer energi fra en grense til den ene; den faktiske varmeoverføringen skjer ved ledning og stråling mellom væsken og de respektive kroppene. Konvektiv sirkulasjon, selv om den er spontan , forekommer ikke nødvendigvis og umiddelbart bare på grunn av en liten temperaturforskjell; for at det skal forekomme i et gitt systemarrangement, er det en terskel som må krysses.

Selv om varmen strømmer spontant fra en varmere kropp til en kjøligere, er det mulig å konstruere en varmepumpe som bruker arbeid for å overføre energi fra en kaldere kropp til en varmere kropp. Derimot reduserer en varmemotor en eksisterende temperaturforskjell for å levere arbeid til et annet system. En annen termodynamisk type varmeoverføringsenhet er en aktiv varmespreder , som utvider arbeidet med å øke hastigheten på overføring av energi til kaldere omgivelser fra et varmere legeme, for eksempel en datakomponent.

Notasjon og enheter

Som en form for energi har varme enheten joule (J) i det internasjonale systemet for enheter (SI). Imidlertid brukes i mange anvendte felt innen engineering ofte den britiske termiske enheten (BTU) og kalorien . Standardenheten for overført varmehastighet er watt (W), definert som en joule per sekund.

Symbolet Q for den totale mengden energi som ble overført som varme ble brukt av Rudolf Clausius i 1850:

"La den mengden varme som må tilføres under overgangen av gassen på en bestemt måte fra en hvilken som helst gitt tilstand til en annen, der dens volum er v og temperaturen t , kalles Q "

Varme som frigjøres av et system til omgivelsene er etter konvensjon en negativ mengde ( Q <0 ); når et system absorberer varme fra omgivelsene, er det positivt ( Q > 0 ). Varmeoverføringshastighet, eller varmestrøm per tidsenhet, betegnes med . Dette skal ikke forveksles med et tidsderivat av en tilstandsfunksjon (som også kan skrives med punktnotasjonen) siden varme ikke er en funksjon av tilstand. Varmestrøm er definert som hastighet på varmeoverføring per enhetstverrsnittsareal (enheter watt per kvadratmeter).

Klassisk termodynamikk

Varme og entropi

Rudolf Clausius

I 1856 definerte Rudolf Clausius , med henvisning til lukkede systemer, der materieoverføringer ikke forekommer, den andre grunnleggende setningen (den andre loven om termodynamikk ) i den mekaniske teorien om varme ( termodynamikk ): "hvis to transformasjoner som uten å nødvendiggjøre enhver annen permanent forandring, som gjensidig kan erstatte hverandre, kalles ekvivalente, så har generasjonene av mengden varme Q fra arbeid ved temperaturen T , ekvivalensverdien : "

I 1865 kom han til å definere entropien symbolisert av S , slik at på grunn av tilførselen av mengden varme Q ved temperaturen T, økes entropien til systemet med

 

 

 

 

( 1 )

I en overføring av energi som varme uten arbeid blir det endringer i entropi i både omgivelsene som mister varme og systemet som får den. Økningen, Δ S , av entropi i systemet kan ansees å bestå av to deler, en tilvekst, Δ S ' som samsvarer med, eller 'kompenserer', den forandring, S ' , av entropi i omgivelsene, og en ytterligere økning, Δ S ′ ′ som kan betraktes som "generert" eller "produsert" i systemet, og sies derfor å være "ukompensert". Og dermed

Dette kan også skrives

Den totale endringen av entropi i systemet og omgivelsene er dermed

Dette kan også skrives

Det er da sies at en mengde av entropi Δ S ' er blitt overført fra omgivelsene i systemet. Fordi entropi ikke er en bevart mengde, er dette et unntak fra den generelle måten å snakke på, der et overført beløp er av en bevart mengde.

Fra den andre loven om termodynamikk følger det i en spontan varmeoverføring, der temperaturen i systemet er forskjellig fra omgivelsene:

For matematiske analyser av overføringer tenker man på fiktive prosesser som kalles reversible , med temperaturen T i systemet nesten ikke mindre enn omgivelsene, og overføringen skjer i en umerkelig langsom hastighet.

Etter definisjonen ovenfor i formel ( 1 ), for eksempel en fiktiv reversibel prosess, en mengde av overførte varme δ Q (en unøyaktig differensial er) analysert som en mengde t d S , med d S (en nøyaktig differensial ):

Denne likeverdigheten er bare gyldig for en fiktiv overføring der det ikke er produksjon av entropi, det vil si der det ikke er noen kompensert entropi.

Hvis, i motsetning til dette er den prosess naturlig, og kan virkelig forekomme, med irreversibilitet, så er det entropi produksjon , med d S ukompensert > 0 . Mengden T d S ukompenserte ble betegnet etter Clausius den "ukompenserte varme", skjønt det ikke i samsvar med dagens terminologi. Så har man

Dette fører til uttalelsen

som er den andre loven om termodynamikk for lukkede systemer.

I ikke-likevektstermodynamikk som tilnærmes ved å anta hypotesen om lokal termodynamisk likevekt, er det en spesiell notasjon for dette. Overføringen av energi som varme antas å finne sted over et uendelig lite temperaturforskjellen, slik at systemet elementet og dets omgivelser er nær nok den samme temperatur T . Så skriver man

hvor per definisjon

Den andre loven for en naturlig prosess hevder det

Varme og entalpi

For et lukket system (et system som uansett kan gå inn eller ut), én versjon av termodynamikkens første lov fastslår at endringen i indre energi Δ U av systemet er lik den varmemengde Q tilføres systemet minus mengden termodynamisk arbeid W utført av systemet på omgivelsene. Ovennevnte skiltkonvensjon for arbeid er brukt i denne artikkelen, men en alternativ skiltkonvensjon, etterfulgt av IUPAC, for arbeid, er å betrakte arbeidet som utføres på systemet av omgivelsene som positivt. Dette er konvensjonen som ble vedtatt av mange moderne lærebøker om fysisk kjemi, slik som de av Peter Atkins og Ira Levine, men mange lærebøker om fysikk definerer arbeid som arbeid utført av systemet.

Denne formelen kan omskrives slik at den uttrykker en definisjon av mengden energi som overføres som varme, basert på begrepet adiabatisk arbeid, hvis det antas at Δ U defineres og måles utelukkende ved prosesser med adiabatisk arbeid:

Det termodynamiske arbeidet som gjøres av systemet er gjennom mekanismer definert av dets termodynamiske tilstandsvariabler, for eksempel volumet V , ikke gjennom variabler som nødvendigvis involverer mekanismer i omgivelsene. Sistnevnte er som akselarbeid, og inkluderer isokorisk arbeid.

Den indre energien, U , er en tilstandsfunksjon . I sykliske prosesser, som for eksempel drift av en varmemotor, går tilstandsfunksjonene til arbeidsstoffet tilbake til sine opprinnelige verdier etter fullført syklus.

Den differensielle eller forsvinnende inkrement, for den indre energi i en forsvinnende prosess er en nøyaktig differensial d U . Symbolet for eksakte differensialer er små bokstaver d .

Derimot representerer ingen av de uendelige trinnene δ Q eller δ W i en uendelig liten prosess tilstanden til systemet. Dermed er uendelige trinn på varme og arbeid unøyaktige differensialer. Små greske bokstaver delta, δ , er symbolet for unøyaktige differensialer . Integralet av enhver unøyaktig differensial over tiden det tar for et system å forlate og gå tilbake til samme termodynamiske tilstand, er ikke nødvendigvis lik null.

Som omtalt nedenfor, i avsnittet med tittelen Entropy , observerer den andre loven om termodynamikk at hvis varme tilføres et system der ingen irreversible prosesser finner sted og som har en veldefinert temperatur T , økningen av varme δ Q og temperaturen T danner nøyaktig differensial

og at S , arbeiderkroppens entropi, er en funksjon av tilstanden. På samme måte, med et veldefinert trykk, P , bak den bevegelige grensen, kombineres arbeidsforskjellen, δ W og trykket, P for å danne den eksakte differensialen

med V volumet av systemet, som er en tilstandsvariabel. Generelt, for homogene systemer,

Assosiert med dette differensialligning er at det indre energi kan anses å være en funksjon u ( S , V ) fra dens naturlige variablene S og V . Den interne energirepresentasjonen av den grunnleggende termodynamiske relasjonen er skrevet

Hvis V er konstant

og hvis P er konstant

med H entalpi definert av

Entalpien kan anses å være en funksjon H ( S , P ) av sin naturlige variablene S- og P . Entalpirepresentasjonen av den grunnleggende termodynamiske relasjonen er skrevet

Den interne energirepresentasjonen og entalpirepresentasjonen er delvise Legendre-transformasjoner av hverandre. De inneholder den samme fysiske informasjonen, skrevet på forskjellige måter. I likhet med den indre energien, er entalpi oppgitt som en funksjon av dens naturlige variabler et termodynamisk potensial og inneholder all termodynamisk informasjon om en kropp.

Hvis en mengde Q varme tilføres kroppen mens den gjør ekspansjonsarbeid W på omgivelsene, har man det

Hvis dette er begrenset til å skje ved konstant trykk med Δ P = 0 , blir ekspansjonsarbeidet W utført av kroppen gitt av W = P Δ V ; husker den første loven om termodynamikk, har man

Følgelig har man ved bytte

I dette scenariet er økningen i entalpi lik mengden varme som tilføres systemet. Siden mange prosesser foregår ved konstant trykk, eller omtrent ved atmosfæretrykk, får entalpi derfor noen ganger det misvisende navnet "varmeinnhold". Noen ganger kalles det også varmefunksjonen.

Når det gjelder de naturlige variablene S og P for tilstandsfunksjonen H , kan denne prosessen med tilstandsendring fra tilstand 1 til tilstand 2 uttrykkes som

Det er kjent at temperaturen T ( S , P ) er identisk angitt av

Følgelig

I dette tilfellet spesifiserer integralet en mengde varme som overføres ved konstant trykk.

Historie

Som et vanlig substantiv refererer engelsk varme eller varme (akkurat som fransk chaleur , tysk Wärme , latinsk kalor , gresk θάλπος, etc.) til (den menneskelige oppfatningen av ) enten termisk energi eller temperatur . Spekulasjoner om termisk energi eller "varme" som en egen form for materie har en lang historie, se kalori teori , phlogiston og ild (klassisk element) .

Den moderne forståelsen av termisk energi stammer fra Thompsons mekaniske teori om varme fra 1798 ( En eksperimentell forespørsel om varmekilden som er opphisset av friksjon ), og postulerer en mekanisk ekvivalent til varme . Et samarbeid mellom Nicolas Clément og Sadi Carnot ( Reflections on the Motive Power of Fire ) på 1820-tallet hadde noe relatert tenkning nær de samme linjene. I 1845 publiserte Joule en artikkel med tittelen The Mechanical Equivalent of Heat , der han spesifiserte en numerisk verdi for mengden mekanisk arbeid som kreves for å "produsere en varmeenhet". Teorien om klassisk termodynamikk modnet på 1850- til 1860-tallet. John Tyndall 's Heat Regnes som Mode of Motion (1863) var medvirkende i popular ideen om varme som bevegelse til den engelsktalende publikum. Teorien ble utviklet i akademiske publikasjoner på fransk, engelsk og tysk. Fra en tidlig tid ble det franske tekniske begrepet chaleur brukt av Carnot tatt som ekvivalent med den engelske varmen og tyske Wärme (bokstavelig talt "varme", ekvivalent med varme ville være tyske Hitze ).

Prosessen funksjon Q ble innført ved Rudolf Clausius i 1850. Clausius beskriver det med det tyske forbindelsen Wärmemenge , oversatt som "varmemengde".

James Clerk Maxwell i sin 1871 Theory of Heat skisserer fire bestemmelser for definisjonen av varme:

  • Det er noe som kan overføres fra ett legeme til et annet , i henhold til termodynamikkens andre lov .
  • Det er en målbar mengde , og kan derfor behandles matematisk.
  • Det kan ikke behandles som et materielt stoff , fordi det kan forvandles til noe som ikke er et materiale, for eksempel mekanisk arbeid .
  • Varme er en av energiformene .

Den prosess funksjon Q er referert til som Wärmemenge etter Clausius, eller som "varmemengde" i oversettelse. Bruk av "varme" som en forkortet form for det spesifikke begrepet "mengde energi overført som varme" førte til en viss terminologisk forvirring tidlig på 1900-tallet. Den generiske betydningen av "varme", selv i klassisk termodynamikk, er bare "termisk energi". Siden 1920-tallet har det blitt anbefalt praksis å bruke entalpi for å referere til "varmeinnhold ved konstant volum", og til termisk energi når "varme" i generell forstand er ment, mens "varme" er reservert for den helt spesifikke konteksten av overføring av termisk energi mellom to systemer. Leonard Benedict Loeb i sin Kinetic Theory of Gases (1927) gjør et poeng av å bruke "quanitity of heat" eller "heat-kvantitet" når han refererer til Q :

Etter perfeksjonen av termometri [...] var det neste store fremskrittet innen varmeområdet definisjonen av et begrep som kalles varmemengden. [... etter oppgivelse av kalorieteori ,] Det gjenstår fortsatt å tolke dette veldig bestemte konseptet, mengden varme, i form av en teori som tilskriver all varme til kinetikken til gassmolekyler.

Karatéodori (1909)

En hyppig definisjon av varme er basert på arbeidet til Carathéodory (1909), og refererer til prosesser i et lukket system.

Den indre energi U X av et legeme i en vilkårlig tilstand X kan bestemmes ved mengder arbeid adiabatisk utført av kroppen på omgivelsene når den starter fra en referansetilstand O . Slikt arbeid vurderes ut fra mengder som er definert i kroppens omgivelser. Det antas at slikt arbeid kan vurderes nøyaktig, uten feil på grunn av friksjon i omgivelsene; friksjon i kroppen er ikke ekskludert av denne definisjonen. Den adiabatiske ytelsen til arbeidet er definert i form av adiabatiske vegger, som tillater overføring av energi som arbeid, men ingen annen overføring, av energi eller materie. Spesielt tillater de ikke passering av energi som varme. I henhold til denne definisjonen er arbeid utført adiabatisk generelt ledsaget av friksjon i det termodynamiske systemet eller kroppen. På den annen side, ifølge Carathéodory (1909), eksisterer det også ikke-adiabatiske, diatermale vegger, som antas å være permeabel bare for varme.

For definisjonen av mengden energi som overføres som varme, er det vanlig å tenke seg at en vilkårlig tilstand av interesse Y blir nådd fra tilstand O ved en prosess med to komponenter, en adiabatisk og den andre ikke adiabatisk. For enkelhets skyld kan man si at den adiabatiske komponenten var summen av arbeidet som kroppen utførte gjennom volumendring gjennom bevegelse av veggene mens den ikke-adiabatiske veggen midlertidig ble gjengitt adiabatisk, og av isokorisk adiabatisk arbeid. Da er den ikke-adiabatiske komponenten en prosess med energioverføring gjennom veggen som bare overfører varme, nylig gjort tilgjengelig for formålet med denne overføringen, fra omgivelsene til kroppen. Endringen i intern energi for å nå tilstanden Y fra tilstanden O er forskjellen mellom de to energimengdene som overføres.

Selv om Carathéodory selv ikke uttalte en slik definisjon, er det etter teoriene vanlig i teoretiske studier å definere varme, Q , til kroppen fra omgivelsene, i den kombinerte prosessen med forandring til tilstand Y fra tilstand O , som endring i indre energi, Δ U Y , minus mengden av arbeid, W , gjort av kroppen på dens omgivelser ved den adiabatiske prosessen, slik at Q = Δ U Y - W .

I denne definisjonen, av hensyn til konseptuell strenghet, er ikke mengden energi overført som varme spesifisert direkte i forhold til den ikke-adiabatiske prosessen. Den er definert ved kjennskap til nøyaktig to variabler, endring av indre energi og mengden av adiabatiske arbeid utført, for den kombinerte endringsprosessen fra referanse tilstand O til tilstand vilkårlig Y . Det er viktig at dette ikke eksplisitt involverer mengden energi overført i den ikke-adiabatiske komponenten i den kombinerte prosessen. Det antas her at mengden energi som kreves for å passere fra tilstand O til tilstand Y , endringen av indre energi, er kjent, uavhengig av den kombinerte prosessen, ved en bestemmelse gjennom en ren adiabatisk prosess, slik som for bestemmelse av indre energi av tilstand X ovenfor. Nøyaktigheten som er verdsatt i denne definisjonen er at det er en og en type energioverføring som er tillatt som grunnleggende: energi overført som arbeid. Energioverføring som varme betraktes som en avledet mengde. Det unike med arbeidet i denne ordningen anses å garantere strenghet og renhet av unnfangelsen. Den konseptuelle renheten til denne definisjonen, basert på begrepet energi overført som arbeid som en ideell forestilling, er avhengig av ideen om at noen friksjonsfrie og ellers ikke-dissiperende prosesser for energioverføring kan realiseres i fysisk virkelighet. Den andre loven om termodynamikk, derimot, forsikrer oss om at slike prosesser ikke finnes i naturen.

Før den strenge matematiske definisjonen av varme basert på Carathéodorys papir fra 1909, ble varme, temperatur og termisk likevekt historisk sett presentert i termodynamiske lærebøker som felles primitive forestillinger . Carathéodory introduserte sitt papir fra 1909 slik: "Proposisjonen om at disiplinen med termodynamikk kan rettferdiggjøres uten å bruke noen hypotese som ikke kan bekreftes eksperimentelt, må betraktes som en av de mest bemerkelsesverdige resultatene av forskningen innen termodynamikk som ble utført i løpet av forrige århundre . " Med henvisning til "synspunktet som ble vedtatt av de fleste forfattere som var aktive de siste femti årene", skrev Carathéodory: "Det eksisterer en fysisk mengde som kalles varme som ikke er identisk med de mekaniske størrelsene (masse, kraft, trykk osv.) og hvis variasjoner kan bestemmes av kalorimetriske målinger. " James Serrin introduserer en redegjørelse for teorien om termodynamikk slik: "I det følgende skal vi bruke de klassiske forestillinger om varme , arbeid , og hotness som primitive elementer, ... Det varme er en hensiktsmessig og naturlig primitive for termodynamikk var allerede akseptert av Carnot. Den fortsatte gyldigheten som et primitivt element i den termodynamiske strukturen skyldes at den syntetiserer et vesentlig fysisk konsept, så vel som den vellykkede bruken i nylig arbeid for å forene forskjellige konstituerende teorier. " Denne tradisjonelle presentasjonen av grunnlaget for termodynamikken inkluderer ideer som kan oppsummeres med utsagnet om at varmeoverføring utelukkende skyldes romlig ujevnhet i temperaturen, og skyldes ledning og stråling, fra varmere til kaldere legemer. Noen ganger blir det foreslått at denne tradisjonelle presentasjonen nødvendigvis hviler på "sirkulær resonnement"; mot dette forslaget står den streng logiske matematiske utviklingen av teorien presentert av Truesdell og Bharatha (1977).

Denne alternative tilnærmingen til definisjonen av energimengde som overføres som varme, skiller seg i logisk struktur fra den i Carathéodory, fortalt rett ovenfor.

Denne alternative tilnærmingen innrømmer kalorimetri som en primær eller direkte måte å måle mengden energi overført som varme. Den er avhengig av temperatur som et av sine primitive begreper, og brukes i kalorimetri. Det forutsettes at det eksisterer nok prosesser fysisk til å tillate måling av forskjeller i indre energier. Slike prosesser er ikke begrenset til adiabatiske overføringer av energi som arbeid. De inkluderer kalorimetri, som er den vanligste praktiske måten å finne interne energiforskjeller på. Den nødvendige temperaturen kan være enten empirisk eller absolutt termodynamisk.

I motsetning til dette, bruker ikke Carathéodory-måten som er nevnt like over, kalorimetri eller temperatur i sin primære definisjon av mengden energi som overføres som varme. Carathéodory-måten ser bare på kalorimetri som en sekundær eller indirekte måte å måle mengden energi overført som varme. Som omtalt mer detaljert rett ovenfor, anser Carathéodory-mengden energi som overføres som varme i en prosess som primært eller direkte definert som en restmengde. Den beregnes ut fra forskjellen på de interne energiene i systemets innledende og endelige tilstand, og fra det faktiske arbeidet som ble utført av systemet under prosessen. At intern energiforskjell antas å ha blitt målt på forhånd gjennom prosesser med ren adiabatisk overføring av energi som arbeid, prosesser som tar systemet mellom start- og slutttilstandene. På Carathéodory-måten antas det som kjent fra eksperimentet at det faktisk eksisterer nok slike adiabatiske prosesser, slik at det ikke er behov for å bruke kalorimetri for måling av mengden energi overført som varme. Denne forutsetningen er viktig, men blir ikke eksplisitt merket som en lov om termodynamikk eller som et aksiom av den karatéodoriske måten. Faktisk er den faktiske fysiske eksistensen av slike adiabatiske prosesser faktisk for det meste antagelse, og de antatte prosessene har i de fleste tilfeller ikke blitt bekreftet empirisk for å eksistere.

Varmeoverføring

Varmeoverføring mellom to kropper

Med henvisning til ledning skriver Partington : "Hvis et varmt legeme bringes i kontakt med et kaldt legeme, faller temperaturen på det varme legemet og det til det kalde legemet stiger, og det sies at en mengde varme har gått fra varm kropp til den kalde kroppen. "

Med henvisning til stråling skriver Maxwell : "I stråling mister den varmere kroppen varmen, og den kaldere kroppen mottar varme ved hjelp av en prosess som forekommer i noe mellomliggende medium som ikke i seg selv blir varmt."

Maxwell skriver at konveksjon som sådan "ikke er et rent termisk fenomen". I termodynamikk betraktes konveksjon generelt som transport av intern energi . Hvis imidlertid konveksjonen er lukket og sirkulatorisk, kan den betraktes som et mellomledd som overfører energi som varme mellom kilde og destinasjonslegemer, fordi den bare overfører energi og ikke materie fra kilden til destinasjonsorganet.

I samsvar med den første loven for lukkede systemer, overføres energi utelukkende når varme forlater en kropp og går inn i en annen, og endrer de indre energiene til hver. Overføring, mellom kroppene, av energi som arbeid er en komplementær måte å endre interne energier på. Selv om det ikke er logisk streng fra synspunkt av strenge fysiske begreper, er en vanlig form for ord som uttrykker dette, å si at varme og arbeid er interkonvertible.

Syklisk drevne motorer, som bare bruker varme- og arbeidsoverføringer, har to termiske magasiner, en varm og en kald. De kan klassifiseres etter rekkevidden av arbeidstemperaturen til arbeidskroppen, i forhold til disse reservoarene. I en varmemotor er arbeidskroppen til enhver tid kaldere enn det varme reservoaret og varmere enn det kalde reservoaret. På en måte bruker den varmeoverføring for å produsere arbeid. I en varmepumpe blir arbeidskroppen, i stadier av syklusen, både varmere enn det varme reservoaret og kaldere enn det kalde reservoaret. På en måte bruker den arbeid for å produsere varmeoverføring.

Varmemotor

I klassisk termodynamikk er en vanlig betraktet modell varmemotoren . Den består av fire kropper: arbeidsorganet, det varme reservoaret, det kalde reservoaret og arbeidsreservoaret. En syklisk prosess etterlater arbeidskroppen i uendret tilstand, og antas å bli gjentatt på ubestemt tid. Arbeidsoverføringer mellom arbeidsorganet og arbeidsreservoaret er tenkt å være reversible, og det trengs derfor bare ett arbeidsreservoar. Men det er behov for to termiske reservoarer, fordi overføring av energi som varme er irreversibel. En enkelt syklus ser energi tatt av arbeidsorganet fra det varme reservoaret og sendes til de to andre reservoarene, arbeidsreservoaret og det kalde reservoaret. Det varme reservoaret leverer alltid og bare energi og det kalde reservoaret mottar alltid og bare energi. Den andre loven om termodynamikk krever at ingen syklus kan forekomme der ingen energi mottas av det kalde reservoaret. Varmemotorer oppnår høyere effektivitet når forskjellen mellom start- og sluttemperatur er større.

Varmepumpe eller kjøleskap

En annen vanlig modell er varmepumpen eller kjøleskapet. Igjen er det fire kropper: arbeidslegemet, det varme reservoaret, det kalde reservoaret og arbeidsmagasinet. En enkelt syklus starter med arbeidende kropp kaldere enn det kalde reservoaret, og deretter blir energi tatt inn som varme av arbeidslegemet fra det kalde reservoaret. Deretter fungerer arbeidsreservoaret på arbeidslegemet, og tilfører mer den interne energien, noe som gjør det varmere enn det varme reservoaret. Den varme arbeidende kroppen fører varmen til det varme reservoaret, men forblir fortsatt varmere enn det kalde reservoaret. Deretter blir arbeidslegemet kaldere enn det kalde reservoaret, ved å la det utvide seg uten å gjøre arbeid på en annen kropp og uten å overføre varme til en annen kropp. Den kan nå akseptere varmeoverføring fra det kalde reservoaret for å starte en ny syklus.

Enheten har transportert energi fra et kaldere til et varmere reservoar, men dette regnes ikke som et livløst organ. snarere betraktes det som ved å utnytte arbeidet. Dette er fordi arbeid leveres fra arbeidsreservoaret, ikke bare ved en enkel termodynamisk prosess, men ved en syklus av termodynamiske operasjoner og prosesser, som kan betraktes som ledet av et animasjons- eller utnyttingsorgan. Følgelig er syklusen fortsatt i samsvar med den andre loven om termodynamikk. Effektiviteten til en varmepumpe er best når temperaturforskjellen mellom de varme og kalde reservoarene er minst.

Funksjonelt brukes slike motorer på to måter, og skiller et målreservoar og en ressurs eller et reservoar rundt. En varmepumpe overfører varme til det varme reservoaret som mål, fra ressursen eller det omkringliggende reservoaret. Et kjøleskap overfører varme, fra det kalde reservoaret som mål, til ressursen eller reservoaret rundt. Målreservoaret kan betraktes som lekker: når målet lekker varme til omgivelsene, brukes varmepumping; når målet lekker kulde til omgivelsene, brukes kjøling. Motorene bruker arbeid for å overvinne lekkasjer.

Makroskopisk utsikt

I følge Planck er det tre hovedbegrepsmessige tilnærminger til varme. Den ene er den mikroskopiske eller kinetiske teorien. De to andre er makroskopiske tilnærminger. Den ene er tilnærmingen gjennom loven om bevaring av energi tatt før termodynamikken, med en mekanisk analyse av prosesser, for eksempel i Helmholtz-arbeidet. Dette mekaniske synet er tatt i denne artikkelen som for tiden vanlig for termodynamisk teori. Den andre makroskopiske tilnærmingen er den termodynamiske, som innrømmer varme som et primitivt konsept, som bidrar ved vitenskapelig induksjon til kunnskap om loven om bevaring av energi. Denne oppfatningen blir allment tatt som den praktiske, hvor varmemengden måles ved kalorimetri.

Bailyn skiller også ut de to makroskopiske tilnærmingene som mekaniske og termodynamiske. Termodynamikken ble tatt av grunnleggerne av termodynamikken i det nittende århundre. Den betrakter mengden overført energi som varme som et primitivt konsept som er sammenhengende med et primitivt temperaturbegrep, målt primært ved kalorimetri. Et kalorimeter er et legeme i omgivelsene til systemet, med sin egen temperatur og indre energi; når det er koblet til systemet via en vei for varmeoverføring, måler endringer i det varmeoverføring. Det mekaniske synet var banebrytende av Helmholtz og utviklet og brukt i det tjuende århundre, hovedsakelig gjennom innflytelse fra Max Born . Det betrakter mengden overført varme som varme som et avledet konsept, definert for lukkede systemer som mengde varme overført av andre mekanismer enn arbeidsoverføring, sistnevnte blir ansett som primitiv for termodynamikk, definert av makroskopisk mekanikk. I følge Born kan overføring av intern energi mellom åpne systemer som følger med overføring av materie "ikke reduseres til mekanikk". Det følger at det ikke er noen velbegrunnet definisjon av mengder energi overført som varme eller som arbeid knyttet til overføring av materie.

For den termodynamiske beskrivelsen av ikke-likevektsprosesser er det likevel ønskelig å vurdere effekten av en temperaturgradient etablert av omgivelsene over hele systemet av interesse når det ikke er noen fysisk barriere eller vegg mellom systemet og omgivelsene, det vil si når de er åpne med hensyn til hverandre. Umuligheten av en mekanisk definisjon i form av arbeid under denne omstendigheten endrer ikke det fysiske faktum at en temperaturgradient forårsaker en diffus strøm av intern energi, en prosess som i termodynamisk syn kan foreslås som et kandidatkonsept for overføring av energi som varme.

Under denne omstendigheten kan det forventes at det også kan være aktive andre drivere for diffus strøm av intern energi, slik som gradient av kjemisk potensial som driver overføring av materie, og gradient av elektrisk potensial som driver elektrisk strøm og iontoforese; slike effekter samhandler vanligvis med diffus strøm av intern energi drevet av temperaturgradient, og slike interaksjoner er kjent som krysseffekter.

Hvis krysseeffekter som resulterer i diffus overføring av intern energi også ble merket som varmeoverføringer, ville de noen ganger bryte regelen om at ren varmeoverføring bare skjer nedover en temperaturgradient, aldri opp en. De ville også motsette prinsippet om at all varmeoverføring er av samme slag, et prinsipp som er basert på ideen om varmeledning mellom lukkede systemer. Man kan prøve å tenke snevert på varmestrøm drevet utelukkende av temperaturgradient som en konseptuell komponent av diffusiv intern energiflyt, i termodynamisk syn, konseptet hviler spesifikt på nøye beregninger basert på detaljert kunnskap om prosessene og blir indirekte vurdert. Under disse omstendighetene, hvis det hender at ingen overføring av materie blir aktualisert, og det ikke er noen krysseeffekter, faller det termodynamiske konseptet og det mekaniske konseptet sammen, som om man hadde å gjøre med lukkede systemer. Men når det er overføring av materie, må de nøyaktige lovene som temperaturgradienten driver diffusiv strøm av intern energi, i stedet for å være nøyaktig kjent, for det meste antas, og i mange tilfeller er de praktisk talt ikke kontrollerbare. Følgelig, når det er materieoverføring, vil beregningen av den rene 'varmestrøm' -komponenten av den diffusive strømmen av intern energi hvile på praktisk talt ikke-kontrollerbare forutsetninger. Dette er en grunn til å tenke på varme som et spesialisert konsept som primært og presist relaterer seg til lukkede systemer, og som kun kan brukes på en svært begrenset måte til åpne systemer.

I mange skrifter i denne sammenheng brukes begrepet "varmestrøm" når det som menes derfor mer nøyaktig kalles diffus flux of internal energy; slik bruk av begrepet "varmestrøm" er en rest av eldre og nå foreldet språkbruk som tillot at kroppen kan ha et "varmeinnhold".

Mikroskopisk utsikt

I den kinetiske teorien blir varme forklart i form av mikroskopiske bevegelser og interaksjoner mellom bestanddeler, slik som elektroner, atomer og molekyler. Den umiddelbare betydningen av den kinetiske energien til bestanddelene er ikke like varm. Det er som en komponent av intern energi. I mikroskopiske termer er varme en overføringsmengde, og beskrives av en transportteori, ikke som jevn lokalisert kinetisk energi av partikler. Varmeoverføring oppstår fra temperaturgradienter eller forskjeller, gjennom diffus utveksling av mikroskopisk kinetisk og potensiell partikkelenergi, ved partikkelkollisjoner og andre interaksjoner. Et tidlig og vagt uttrykk for dette ble gjort av Francis Bacon . Nøyaktige og detaljerte versjoner av den ble utviklet i det nittende århundre.

I statistisk mekanikk , for et lukket system (ingen overføring av materie), er varme energioverføringen assosiert med en forstyrret, mikroskopisk virkning på systemet, assosiert med hopp i okkupasjonsnummer av energinivåene i systemet, uten endring i verdiene av selve energinivåene. Det er mulig for makroskopisk termodynamisk arbeid å endre okkupasjonstallene uten endring i verdiene til systemets energinivåer, men det som skiller overføring som varme, er at overføringen helt skyldes uordnet, mikroskopisk virkning, inkludert stråleoverføring. En matematisk definisjon kan formuleres for små trinn av kvasistatisk adiabatisk arbeid når det gjelder den statistiske fordelingen av et ensemble av mikrostater.

Kalorimetri

Mengden overført varme kan måles ved kalorimetri, eller bestemmes gjennom beregninger basert på andre størrelser.

Kalorimetri er det empiriske grunnlaget for ideen om mengde varme som overføres i en prosess. Den overførte varmen måles ved endringer i en kropp med kjente egenskaper, for eksempel temperaturøkning, endring i volum eller lengde, eller faseendring, slik som issmelting.

En beregning av mengden overført varme kan stole på en hypotetisk mengde energi overført som adiabatisk arbeid og på den første loven om termodynamikk . Slik beregning er den primære tilnærmingen til mange teoretiske studier av mengden overført varme.

Ingeniørfag

En rødglødende jernstang der varmeoverføring til omgivelsene hovedsakelig vil være gjennom stråling .

Disiplinen varmeoverføring , vanligvis betraktet som et aspekt av maskinteknikk og kjemiteknikk , omhandler spesifikke anvendte metoder hvor termisk energi i et system genereres, eller konverteres eller overføres til et annet system. Selv om definisjonen av varme implisitt betyr overføring av energi, omfatter begrepet varmeoverføring denne tradisjonelle bruken i mange ingeniørfag og lekmannsspråk.

Varmeoverføring er generelt beskrevet som inkludert mekanismer for varmeledning , varmekonveksjon , termisk stråling , men kan inkludere masseoverføring og varme i prosesser med faseendringer .

Konveksjon kan beskrives som de kombinerte effektene av ledning og væskestrøm. Fra termodynamisk synspunkt strømmer varme inn i en væske ved diffusjon for å øke energien, fluidet overfører ( fraråder ) denne økte indre energien (ikke varmen) fra et sted til et annet, og dette blir deretter fulgt av en andre termisk interaksjon som overfører varme til et annet legeme eller system, igjen ved diffusjon. Hele denne prosessen blir ofte sett på som en tilleggsmekanisme for varmeoverføring, selv om det teknisk sett er "varmeoverføring" og dermed oppvarming og avkjøling bare i hver ende av en slik ledende strøm, men ikke som et resultat av strømning. Således kan ledning sies å "overføre" varme bare som et nettoresultat av prosessen, men kan ikke gjøre det hver gang i den kompliserte konvektive prosessen.

Latent og fornuftig varme

Joseph Black

I et foredrag med tittelen 1847 På Matter, levende kraft, og varme , James Prescott Joule karakterisert begrepene latente varme og følbar varme som komponenter av varme hver påvirker forskjellige fysiske fenomener, nemlig den potensielle og kinetiske energien til partiklene, respektivt. Han beskrev latent energi som energien som eies via en distansering av partikler der tiltrekningen var over en større avstand, dvs. en form for potensiell energi , og den fornuftige varmen som en energi som involverer bevegelse av partikler, dvs. kinetisk energi .

Latent varme er varmen som frigjøres eller absorberes av et kjemisk stoff eller et termodynamisk system under en tilstandsendring som skjer uten endring i temperatur. En slik prosess kan være en faseovergang , slik som issmelting eller koking av vann.

Varmekapasitet

Varmekapasitet er en målbar fysisk størrelse lik forholdet mellom varmen som tilføres et objekt og den resulterende temperaturendringen . Den molare varmekapasiteten er varmekapasiteten per enhetsmengde (SI-enhet: mol ) av et rent stoff, og den spesifikke varmekapasiteten , ofte kalt ganske enkelt spesifikk varme , er varmekapasiteten per enhetsmasse av et materiale. Varmekapasitet er en fysisk egenskap for et stoff, noe som betyr at det avhenger av tilstanden og egenskapene til stoffet som vurderes.

Den spesifikke varmen til monatomiske gasser, slik som helium, er nesten konstant med temperaturen. Diatomagasser som hydrogen viser noe temperaturavhengighet, og triatomagasser (f.eks. Karbondioksid) enda mer.

Før utviklingen av termodynamikkens lover ble varme målt ved endringer i tilstandene til de deltakende organene.

Noen generelle regler, med viktige unntak, kan angis som følger.

Generelt utvider de fleste kropper med oppvarming. Under denne omstendigheten øker oppvarming av et legeme med et konstant volum trykket det utøver på de begrensende veggene, mens oppvarming med et konstant trykk øker volumet.

Utover dette har de fleste stoffer tre vanlig gjenkjente tilstander av materie , fast, flytende og gass. Noen kan også eksistere i et plasma . Mange har videre, mer fint differensierte, tilstander av materie, som for eksempel glass og flytende krystall . I mange tilfeller, ved fast temperatur og trykk, kan et stoff eksistere i flere forskjellige tilstandstilstander i det som kan sees på som den samme 'kroppen'. For eksempel kan det flyte is i et glass vann. Så sies det at isen og vannet utgjør to faser i 'kroppen'. Det er kjent bestemte regler som forteller hvordan forskjellige faser kan eksistere sammen i en 'kropp'. For det meste, ved et fast trykk, er det en bestemt temperatur der oppvarming får et fast stoff til å smelte eller fordampe, og en bestemt temperatur der oppvarming får en væske til å fordampe. I slike tilfeller har kjøling omvendte effekter.

Alle disse, de vanligste tilfellene, passer med en regel om at oppvarming kan måles ved kroppsendringer. Slike tilfeller leverer det som kalles termometriske legemer , som gjør det mulig å definere empiriske temperaturer. Før 1848 ble alle temperaturer definert på denne måten. Det var således en tett kobling, tilsynelatende logisk bestemt, mellom varme og temperatur, selv om de ble anerkjent som konseptuelt grundig forskjellige, spesielt av Joseph Black i det senere attende århundre.

Det er viktige unntak. De bryter den åpenbart tilsynelatende koblingen mellom varme og temperatur. De gjør det klart at empiriske definisjoner av temperatur er avhengig av de spesielle egenskapene til bestemte termometriske stoffer, og er dermed utelukket fra tittelen "absolutt". For eksempel trekker vann seg sammen ved oppvarming nær 277 K. Det kan ikke brukes som et termometrisk stoff i nærheten av den temperaturen. I løpet av et bestemt temperaturområde trekker is seg sammen ved oppvarming. Dessuten kan mange stoffer eksistere i metastabile tilstander, for eksempel med undertrykk, som bare overlever forbigående og under helt spesielle forhold. Slike fakta, noen ganger kalt 'anomale', er noen av årsakene til den termodynamiske definisjonen av absolutt temperatur.

I de tidlige dagene med måling av høye temperaturer var en annen faktor viktig, og ble brukt av Josiah Wedgwood i pyrometeret sitt . Temperaturen som ble nådd i en prosess ble estimert ved krymping av en prøve av leire. Jo høyere temperatur, jo mer krymping. Dette var den eneste tilgjengelige mer eller mindre pålitelige målemetoden for temperaturer over 1000 ° C. Men slik svinn er irreversibel. Leiren ekspanderer ikke igjen ved avkjøling. Derfor kan den brukes til målingen. Men bare en gang. Det er ikke et termometrisk materiale i vanlig forstand av ordet.

Likevel gjør den termodynamiske definisjonen av absolutt temperatur vesentlig bruk av varmebegrepet, med riktig omtenksomhet.

"Hotness"

I følge Denbigh (1981) er egenskapen til hetthet en bekymring for termodynamikk som bør defineres uten referanse til varmebegrepet. Betraktning av hethet fører til begrepet empirisk temperatur. Alle fysiske systemer er i stand til å varme opp eller kjøle andre. Med referanse til varme er de komparative begrepene varmere og kaldere definert av regelen om at varme strømmer fra det varmere legemet til det kaldere.

Hvis et fysisk system er inhomogent, eller veldig raskt eller uregelmessig endrer seg, for eksempel ved turbulens, kan det være umulig å karakterisere det med en temperatur, men det kan fortsatt være overføring av energi som varme mellom det og et annet system. Hvis et system har en fysisk tilstand som er regelmessig nok, og vedvarer lenge nok til å la det nå termisk likevekt med et spesifisert termometer, har det en temperatur i henhold til det termometeret. Et empirisk termometer registrerer varmhetsgrad for et slikt system. En slik temperatur kalles empirisk. For eksempel skriver Truesdell om klassisk termodynamikk: "Hver gang tildeles kroppen et reelt tall kalt temperatur . Dette tallet er et mål på hvor varmt kroppen er."

Fysiske systemer som er for turbulente til å ha temperaturer, kan fremdeles variere i varme. Et fysisk system som overfører varme til et annet fysisk system sies å være det varmeste av de to. Mer kreves for at systemet skal ha en termodynamisk temperatur. Dens oppførsel må være så regelmessig at den empiriske temperaturen er den samme for alle kalibrerte og skalerte termometre, og deretter sies dens varme å ligge på den endimensjonale varmefordelingen. Dette er en del av grunnen til at varme defineres etter Carathéodory og Born, utelukkende som å forekomme annet enn ved arbeid eller overføring av materie; temperatur er anbefalt og bevisst ikke nevnt i denne nå allment aksepterte definisjonen.

Dette er også grunnen til at termodynamikkens nullverdier er angitt eksplisitt. Hvis tre fysiske systemer, A , B og C ikke er i hver sin tilstand av intern termodynamisk likevekt, er det mulig at A, med passende fysiske forbindelser mellom dem, A kan varme B og B kan varme C og C kan varme opp A . I ikke-likevektssituasjoner er strømningssykluser mulig. Det er den spesielle og unike karakteristikken ved indre termodynamisk likevekt at denne muligheten ikke er åpen for termodynamiske systemer (som skilt mellom fysiske systemer) som er i deres egne tilstander med intern termodynamisk likevekt; dette er grunnen til at termodynamikkens nul lov trenger eksplisitt uttalelse. Det vil si at forholdet 'ikke er kaldere enn' mellom generelle ikke-likevektige fysiske systemer ikke er transitive, mens derimot forholdet 'ikke har en lavere temperatur enn' mellom termodynamiske systemer i sine egne tilstander av intern termodynamisk likevekt er forbigående. Det følger av dette at forholdet 'er i termisk likevekt med' er transitivt, som er en måte å angi nullen lov.

Akkurat som temperaturen kan være udefinert for et tilstrekkelig inhomogent system, kan også entropi være udefinert for et system som ikke er i sin egen tilstand av intern termodynamisk likevekt. For eksempel er 'temperaturen i solsystemet' ikke en definert størrelse. På samme måte er 'solsystemets entropi' ikke definert i klassisk termodynamikk. Det har ikke vært mulig å definere ikke-likevekt entropi, som et enkelt tall for et helt system, på en klart tilfredsstillende måte.

Se også

Referanser

Sitater

Bibliografi over siterte referanser

Videre bibliografi

  • Beretta, fastlege; EP Gyftopoulos (1990). "Hva er varme?" (PDF) . Utdanning i termodynamikk og energisystemer . AES. 20 .
  • Gyftopoulos, EP, & Beretta, GP (1991). Termodynamikk: fundament og applikasjoner. (Dover-publikasjoner)
  • Hatsopoulos, GN, & Keenan, JH (1981). Prinsipper for generell termodynamikk. RE Krieger Publishing Company.

Eksterne linker