» » » » » » » Căldura și temperatura

Căldura și temperatura

postat în: Căldura | 0

Explozie solară

Înainte de definirea matematică riguroasă a căldurii pe baza hârtiei Carathéodory din 1909, istoric, căldura, temperatura și echilibrul termic au fost prezentate în manualele termodinamice ca noțiuni primare comune. Carathéodody a prezentat lucrarea sa din 1909 astfel: „Propunerea ca disciplina termodinamicii să poată fi justificată fără a recurge la nicio ipoteză care nu poate fi verificată experimental trebuie privită ca fiind una dintre cele mai notabile rezultate ale cercetării în termodinamică care a fost realizată în ultimul secol .“ Referindu-se la „punctul de vedere adoptat de majoritatea autorilor activi în ultimii cincizeci de ani”, Carathéodory a scris: „Există o cantitate fizică denumită căldură care nu este identică cu cantitățile mecanice (masă, forță, presiune etc.) și ale căror variații pot fi determinate prin măsurători calorimetrice.” James Serrin introduce o descriere a teoriei termodinamicii astfel: „În următoarea secțiune, vom folosi noțiunile clasice de căldură, de lucru mecanic și de fierbințeală ca elemente primitive, … Căldura este o primitivă adecvată și naturală pentru termodinamică, a fost deja acceptată de Carnot. Validitatea sa continuă ca element primar al structurii termodinamice se datorează faptului că ea sintetizează un concept fizic esențial, precum și utilizarea sa reușită în lucrarea recentă de unificare a diferitelor teorii constitutive”. Acest tip tradițional de prezentare a bazei termodinamicii include idei care pot fi rezumate prin afirmația că transferul de căldură se datorează pur și simplu unei neuniformități spațiale a temperaturii și se face prin conducție și radiație, de la corpuri mai calde la cele mai reci. Se sugerează uneori că această prezentare tradițională se bazează în mod necesar pe „raționamentul circular”; împotriva acestei propuneri se află dezvoltarea matematică riguros logică a teoriei prezentate de Truesdell și Bharatha (1977).

Această abordare alternativă a definiției cantității de energie transferată sub formă de căldură diferă în structură logică de cea a Carathéodory, relatată exact mai sus.

Această abordare alternativă admite calorimetria ca modalitate primară sau directă de a măsura cantitatea de energie transferată sub formă de căldură. Se bazează pe temperatură ca unul dintre conceptele sale primitive și se utilizează în calorimetrie. Se presupune că există suficiente procese fizice pentru a permite măsurarea diferențelor în energiile interne. Astfel de procese nu se limitează la transferurile adiabatice de energie ca muncă. Acestea includ calorimetria, care este cea mai frecventă modalitate practică de a găsi diferențe energetice interne. Temperatura necesară poate fi fie termodinamică empirică, fie absolută.

În schimb, modul Carathéodory relatat exact mai sus nu utilizează calorimetria sau temperatura în definirea primară a cantității de energie transferată sub formă de căldură. Modul Carathéodory privește calorimetria doar ca modalitate secundară sau indirectă de măsurare a cantității de energie transferată sub formă de căldură. Modul Carathéodory privește cantitatea de energie transferată sub formă decăldură într-un proces ca în primul rând sau direct definită ca o cantitate reziduală. Se calculează din diferența dintre energiile interne ale stărilor inițiale și finale ale sistemului și din activitatea efectivă efectuată de sistem în timpul procesului. Această diferență energetică internă se presupune că a fost măsurată în avans prin procese de transfer pur adiabatice de energie ca lucru mecanic, procese care iau sistemul între stările inițiale și cele finale. Prin modul Carathéodory se presupune, așa cum se știe din experiment, că există, de fapt fizic, suficiente astfel de procese adiabatice, astfel încât nu este nevoie să se recurgă la calorimetrie pentru măsurarea cantității de energie transferată sub formă de căldură. Această presupunere este esențială, dar nu este explicit menționată nici ca o lege a termodinamicii, nici ca o axiomă a modului Carathéodory. De fapt, existența fizică reală a unor astfel de procese adiabatice este, într-adevăr, în cea mai mare parte, o supoziție, iar procesele presupuse în majoritatea cazurilor nu au fost verificate empiric.

Transferuri de energie sub formă de căldură între două corpuri

Referindu-se la conducție, Partington scrie: „Dacă un corp fierbinte este adus în contact cu un corp rece, temperatura corpului fierbinte scade și temperatura corpului rece crește, și se spune că o cantitate de căldură a trecut de la corpul fierbinte la corpul rece.”

Referindu-se la radiații, Maxwell scrie: „În radiație, corpul mai fierbinte pierde căldura, iar corpul rece primește căldură prin intermediul unui proces care apare într-un mediu care nu devine astfel fierbinte”.

Maxwell scrie că convecția ca atare „nu este un fenomen pur termic”. În termodinamică, convecția în general este considerată transportul energiei interne. Dacă, totuși, convecția este închisă și circulatorie, atunci ea poate fi privită ca un intermediar care transferă energia sub formă de căldură între corpurile sursă și destinație, deoarece transferă numai energia și nu materie de la sursă la corpul de destinație.

Notație și unități

Ca formă de energie, căldura are unitatea joule (J) în Sistemul Internațional de Unități (SI). Totuși, în multe domenii aplicate în inginerie se utilizează adesea unitatea termică britanică (BTU) și caloria. Unitatea standard pentru rata de căldură transferată este watt (W), definită ca un joule pe secundă.

Cantitatea totală de energie transferată sub formă de căldură este convențional scrisă Q (de la quantity, cantitate) în scopuri algebrice. Căldura eliberată de un sistem în vecinătățile sale este convențional o cantitate negativă (Q <0); când un sistem absoarbe căldura din împrejurimile sale, este pozitivă (Q> 0). Rata transferului de căldură sau fluxul de căldură pe unitate de timp este notată cu . Aceasta nu trebuie confundată cu o derivată de timp al unei funcții de stare (care poate fi scris și cu notația punctuală), deoarece căldura nu este o funcție de stare. Fluxul de căldură este definit ca rata de transfer de căldură pe unitatea de secțiune transversală a unității, rezultând unitatea de wați pe metru pătrat.

Acest text este disponibil sub licența Creative Commons cu atribuire și distribuire în condiții identice

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *