गर्मी हस्तांतरण के तरीके.
थर्मल सुखाने का प्रदर्शन करते समय, दो प्रक्रियाओं को प्रतिष्ठित किया जाता है:
1) हटाने के लिए नमी का वाष्पीकरण;
2) सामग्री की सतह से उत्पन्न भाप को हटाना।
1 किलो नमी के वाष्पीकरण के लिए, वाष्पीकरण के क्षेत्र में एक निश्चित मात्रा में गर्मी लाना आवश्यक है। इसलिए, गर्मी हस्तांतरण सुखाने वाले पौधों में होने वाली कार्य प्रक्रियाओं का आधार है। व्यवहार में, अधिक या कम हद तक, गर्मी हस्तांतरण के सभी तीन मुख्य रूपों को महसूस किया जाता है: 1) तापीय चालकता; 2) संवहन; 3) विकिरण।
इसके अलावा, कई ड्रायर में, एक विशेष प्रकार के गर्मी हस्तांतरण का बहुत महत्व है, अर्थात्, अल्पकालिक संपर्क द्वारा गर्मी हस्तांतरण, जो होता है, उदाहरण के लिए, रोलर ड्रायर में, वैक्यूम ड्रायर के हीटिंग ग्रेट्स पर और ड्रम ड्रायर में जब ठंडी सामग्री आंतरिक उपकरणों के गर्म तत्वों के साथ परस्पर क्रिया करती है।
सुखाने की तकनीक में गर्मी हस्तांतरण की समस्याओं का दृष्टिकोण इंजीनियरिंग की अन्य शाखाओं के दृष्टिकोण से भिन्न होता है। मैकेनिकल इंजीनियरिंग में, गर्मी हस्तांतरण और गर्मी प्राप्त करने वाले तत्वों के आकार और आयाम ज्यादातर मामलों में जाने जाते हैं (पाइप, प्लेट्स, आदि)। सुखाने वाले पौधों में, सुखाने के अधीन अधिकांश कृषि उत्पादों का ज्यामितीय आकार अत्यंत विविध है, इसलिए विश्लेषणात्मक निर्भरता द्वारा पर्याप्त सटीकता के साथ इसका वर्णन करना मुश्किल है।
एक और कठिनाई यह है कि सामग्री में नमी वाष्पीकरण क्षेत्र लगातार बढ़ रहा है और प्रक्रिया की स्थिति पर निर्भर करता है। इस कारण से, सुखाने वाले पौधों में, किसी भी अन्य तकनीकी क्षेत्र की तुलना में, प्रायोगिक अध्ययन उपकरणों की गणना और डिजाइन का आधार बनते हैं।
कृषि सुखाने वाले संयंत्रों में होने वाली प्रक्रियाओं की पूरी समझ के लिए आवश्यक सीमा तक गर्मी हस्तांतरण के बुनियादी नियमों को नीचे प्रस्तुत किया जाएगा।
गर्मी हस्तांतरण की एक विधि के रूप में तापीय चालकता
चालन द्वारा ऊष्मा का स्थानान्तरण ठोसों, स्थिर द्रवों और गैसों के भीतर होता है, जो एक से ऊष्मा के रूप में ऊर्जा के स्थानान्तरण के कारण होता है। प्राथमिक कणदूसरे करने के लिए। ऊष्मा का स्थानांतरण उच्च तापमान वाले क्षेत्र से कम तापमान वाले क्षेत्र में होता है। स्थिर अवस्था में, शरीर की दो समानांतर सतहों के बीच ऊष्मा प्रवाह घनत्व तापमान अंतर, दीवार की मोटाई और थर्मोफिजिकल स्थिरांक - तापीय चालकता K (चित्र। 3.13) पर निर्भर करता है:
चावल। 3.13. एक सपाट दीवार की तापीय चालकता
क्यू गर्मी प्रवाह घनत्व है, kcal/(m2 h);
- तापीय चालकता, kcal/(m h );
U1, U2 - पहली और दूसरी सतहों पर तापमान, ;
s - दीवार की मोटाई, m
एक सजातीय शरीर के मामले में बंधे चपटी सतहें, स्थिर अवस्था तापीय शासन में उनके बीच का तापमान एक रैखिक नियम के अनुसार गिरता है। के लिये
एक जटिल संरचना के निकायों, असीम रूप से छोटी मोटाई डीएस की एक परत में प्रक्रिया को फॉर्म के समीकरण द्वारा वर्णित किया गया है
जहां dυ असीम मोटाई, °C की एक परत में तापमान का अंतर है। समीकरण में ऋणात्मक चिह्न इंगित करता है कि ऊष्मा का प्रवाह निम्न तापमान की ओर निर्देशित है।
असीम रूप से छोटी मोटाई की एक परत में प्रक्रिया के विचार के आधार पर पूरे शरीर में प्रक्रिया के बारे में निष्कर्ष निकालने के लिए, कुछ सीमा शर्तों के तहत एकीकरण करना आवश्यक है।
संवहन (गर्मी हस्तांतरण विधि)
संवहन द्वारा ऊष्मा अंतरण में अनिवार्य रूप से दो प्रक्रियाएँ शामिल होती हैं (चित्र 3.17):
1) एक ठोस शरीर की सतह से एक लामिना की सीमा परत के माध्यम से अशांत प्रवाह कोर के आसपास के क्षेत्र में थर्मल चालन द्वारा गर्मी हस्तांतरण;
2) लामिना की सीमा परत से अशांत प्रवाह के मूल में अशांत स्थानांतरण द्वारा गर्मी हस्तांतरण।
सुखाने की विशेषता गर्मी प्रवाह की विपरीत दिशा है: सुखाने वाले एजेंट से ठोस की सतह तक। गर्मी हस्तांतरण समीकरण गर्मी प्रवाह घनत्व के साथ प्रवाह और शरीर की सतह के बीच तापमान अंतर से संबंधित है:
गर्मी हस्तांतरण गुणांक कहाँ है, kcal/(m2 h °C);
UL;U0 - दीवार पर तापमान और प्रवाह के मूल में, °С।
चावल। 3.17. एक लामिना की सीमा परत के माध्यम से एक ठोस शरीर की सतह पर एक अशांत प्रवाह से गर्मी हस्तांतरण के दौरान तापमान प्रोफ़ाइल: उल - प्रवाह के मूल में तापमान; U0 - शरीर की सतह पर तापमान
संवहनी गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रियाओं को समझने के लिए, प्राथमिक प्रक्रियाओं (एकल निकायों के चारों ओर प्रवाह) और जटिल प्रक्रियाओं (थोक सामग्री की एक परत में गर्मी हस्तांतरण, काउंटर- और आगे प्रवाह, आदि) के बीच अंतर करना आवश्यक है।
लामिना सीमा परत, अशांत प्रवाह कोर, तापीय चालन और अशांत मिश्रण द्वारा गर्मी हस्तांतरण, साथ ही आगे और पीछे की दिशाओं में सीमा परत में बड़े पैमाने पर स्थानांतरण, परस्पर जुड़े हुए हैं और एक दूसरे पर विभिन्न प्रकार के प्रभाव डालते हैं। इन प्रक्रियाओं को ऊर्जा और जन विनिमय के संतुलन समीकरणों का उपयोग करके वर्णित किया जा सकता है। विवरण के लिए, आयाम रहित मानदंड पेश करना समीचीन है जो कई भौतिक और तकनीकी मापदंडों को जोड़ता है। इस तरह के मानदंडों की मदद से, वास्तविक भौतिक निर्भरता को अधिक सरल और अधिक स्पष्ट रूप से वर्णित किया जा सकता है, जबकि प्रक्रिया की विशेषता वाले भौतिक मापदंडों का सीधे उपयोग करने से इनकार करते हुए।
विकिरण द्वारा विकिरण गर्मी हस्तांतरण
विकिरण द्वारा गर्मी हस्तांतरण (उदाहरण के लिए, अवरक्त हीटिंग के साथ) तब होता है जब ऊर्जा स्थानांतरित होती है। एक शरीर से दूसरे शरीर में विद्युत चुम्बकीय तरंगें। इस मामले में, विकिरण द्वारा ऊर्जा के हस्तांतरण में न तो एक ठोस, न ही एक तरल, न ही एक गैसीय वाहक शामिल होता है। स्टीफन-बोल्ट्ज़मैन कानून के अनुसार, किसी पिंड द्वारा आसपास के स्थान में विकीर्ण की गई ऊर्जा उसके तापमान (डिग्री केल्विन में) से चौथी शक्ति के समानुपाती होती है:
q विकिरण ऊर्जा प्रवाह घनत्व है, काल/(m2 x);
सी शरीर की उत्सर्जन है;
टी - तापमान, के।
यदि हम अलग-अलग तापमान वाले दो निकायों को एक-दूसरे के करीब लाते हैं (चित्र। 3.21), तो इनमें से प्रत्येक निकाय की अवशोषित और विकिरणित ऊर्जा के बीच अंतर का अनुमान समीकरण द्वारा लगाया जाता है
क्यू = ए1 12[( टी 1 / 100)4 – (टी2 / 100)4] = ए2 सी21[( टी 1 / 100)4 – (T2 / 100)4],
कहाँ पे क्यू- विकिरण ऊर्जा का ऊष्मा प्रवाह, kcal/h; ए 1, ए 2 - निकायों 1 और 2 की विकिरण सतह; C12, C21 - विकिरण गुणांक, kcal/[m2-h (K/100)4]। व्यक्तिगत निकायों के उत्सर्जन के प्रतिनिधित्व के आधार पर गुणांक C12 या C21, निम्नलिखित समीकरणों से प्राप्त किए जाते हैं:
1 / C12 \u003d 1 / C1 + A1 / A2 (1 / C2 - 1 / Cs);
1 / C21 \u003d 1 / C2 + A2 / A1 (1 / C1 - 1 / सीएस);
चावल। 3.22. विभिन्न तापमानों पर गर्म किए गए पिंडों के बीच विकिरण ऊर्जा प्रवाह घनत्व (C=4.0 पर)
चित्र 3.23। एक सिरेमिक प्लेट में तापमान वितरण जब अवरक्त किरणों की एक धारा द्वारा गर्म किया जाता है (कार्य के अनुसार)
जहां Cs ब्लैक बॉडी एमिसिटी है; सीएस = 4.96 किलो कैलोरी/[एम 2-एच (के/100) 4]।
तालिकाएँ अक्सर सापेक्ष विशेषता का मान देती हैं (सारणी 3.10)
अंजीर पर। चित्र 3.22 इस धारणा के तहत तापमान υ1 और υ2 पर विकिरण ऊर्जा प्रवाह घनत्व की निर्भरता को दर्शाता है कि C12 = C21 = 4 kcal/[m2-h (K/100)4]। ग्राफ से यह देखा जा सकता है कि बड़े तापमान अंतर पर, विकिरण ऊर्जा केवल गर्म शरीर के तापमान पर निर्भर करती है।
विशेष रुचि सुखाने वाले प्रतिष्ठानों में विकिरण की मदद से गर्मी की आपूर्ति की प्रक्रिया है, जो विभिन्न मीडिया में विकिरण ऊर्जा के प्रवेश की संभावना के कारण है। विकिरण के दौरान ऊष्मा प्रवाह की प्रवेश गहराई सामग्री के प्रकार और विकिरण के प्रकार पर निर्भर करती है। कार्बनिक मूल के केशिका-छिद्रपूर्ण निकायों के लिए, यह गहराई 0.1-2 मिमी है।
यह जानते हुए कि आवश्यक गर्मीआंशिक रूप से शरीर के अंदर जारी किया जाता है, और न केवल इसकी सतह पर, सतह पर कुछ शर्तों के तहत, गर्मी प्रवाह घनत्व को कई गुना बढ़ाया जा सकता है।
तालिका 3.10 श्मिट के अनुसार किसी पदार्थ की उत्सर्जकता
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पदार्थ |
तापमान, °С |
उत्सर्जन = सी/ सी |
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सोना, चांदी, तांबा पॉलिश |
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पॉलिश, थोड़ा ऑक्सीकृत |
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रेत से भरा |
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काला (ऑक्सीडाइज्ड) |
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साफ जमीन |
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अत्यधिक ऑक्सीकृत |
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मिट्टी जली |
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बर्फ चिकनी है, पानी |
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बर्फ, खुरदरी सतह |
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ए.वी. ल्यकोव के अनुसार, ऊर्जा प्रवाह घनत्व, उदाहरण के लिए, विकिरण के लिए संवहन के लिए 750 kcal/(m2-h) से बढ़ाकर 22,500 kcal/(m2-h) किया जा सकता है। अंजीर पर। 3.23 चित्रमय रूप में विकिरण ऊर्जा की सहायता से शरीर को गर्म करने की प्रक्रिया को दर्शाता है। ग्राफ से यह स्पष्ट रूप से देखा जाता है कि तापीय ऊर्जाशुरू में केवल शरीर के अंदर ही छोड़ा जाता है, अन्यथा अधिकतम तापमान शरीर की सतह पर होना चाहिए।
हीट एक्सचेंज से संपर्क करें
संपर्क गर्मी हस्तांतरण तब देखा जाता है जब प्रारंभिक समय में अलग-अलग तापमान वाले दो शरीर एक-दूसरे के संपर्क में आते हैं, जिसके परिणामस्वरूप इन निकायों का तापमान कुछ सामान्य औसत तापमान तक पहुंच जाता है। व्यवहार में, इस तरह का गर्मी हस्तांतरण गर्म या गर्म सतहों पर डालने, कंपन, सूखे सामग्री के फिसलने के दौरान पाया जा सकता है।
दो निकायों के संपर्क के बाद समय के पहले क्षण में, जिसमें शुरू में अलग-अलग तापमान थे, उनके संपर्क की सतह पर एक औसत तापमान स्थापित होता है, जिसे U0 द्वारा दर्शाया जाता है। मान को शरीर की तापीय गतिविधि कहा जाता है। जिसमें:
कम गर्मी हस्तांतरण गुणांक का औसत मूल्य, संदर्भित। समय अंतराल टी और तापमान अंतर यू0-यू∞ (जहां - यू∞ ठंडे शरीर का प्रारंभिक तापमान है), सूत्र द्वारा गणना की जाती है।
अल्पकालिक संपर्क के साथ, कम गर्मी हस्तांतरण गुणांक का औसत मूल्य काफी अधिक हो सकता है।
एक वैकल्पिक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में हीटिंग के दौरान गर्मी हस्तांतरण।
यदि दो धातु प्लेटों को एक दूसरे से एक निश्चित दूरी पर एक वैकल्पिक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में रखा जाता है, तो क्षेत्र की ताकत और समाई के आधार पर उनके बीच एक प्रत्यावर्ती धारा दिखाई देगी
चित्र 3.25. आवृत्ति के एक समारोह के रूप में पारगम्यता v और ढांकता हुआ नुकसान स्पर्शरेखा tgδ में परिवर्तन एफपरिवर्तनशील विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र और देवदार की लकड़ी की नमी (कार्य के अनुसार)
यदि संधारित्र प्लेटों के बीच एक सामग्री रखी जाती है, तो सामग्री की पारगम्यता के अनुपात में कैपेसिटिव धारा बढ़ जाएगी। कृषि उत्पादों में निहित पानी, उनके शुष्क द्रव्यमान की तुलना में, उच्च ढांकता हुआ स्थिरांक (0 ° C = 80 के तापमान पर) होता है, इसलिए सामग्री की नमी को मापने के लिए निरंतर ई का उपयोग किया जा सकता है।
विशुद्ध रूप से कैपेसिटिव करंट गीली सामग्री को गर्म नहीं करता है। सामग्री के अंदर चरण-स्थानांतरित धाराओं में भी एक सक्रिय घटक होता है। सक्रिय और कैपेसिटिव घटकों के अनुपात द्वारा व्यक्त मूल्य को ढांकता हुआ नुकसान कोण के स्पर्शरेखा कहा जाता है:
आईआर वर्तमान ताकत का सक्रिय घटक है, ए; आईसी - वर्तमान ताकत का कैपेसिटिव घटक, ए; यू - ऑपरेटिंग वोल्टेज, वी; आर - सक्रिय प्रतिरोध, ओम; वू- परिपत्र आवृत्ति, 1 / एस; सी - क्षमता, एफ; - ढांकता हुआ स्थिरांक; एफ- आवृत्ति हर्ट्ज।
सामग्री में गर्मी की रिहाई केवल वर्तमान के सक्रिय घटक के कारण होती है:
यदि हम वोल्टेज को क्षेत्र की ताकत ई (प्लेटों को अलग करने वाली दूरी का वोल्टेज प्रति सेंटीमीटर) के रूप में व्यक्त करते हैं, तो हम वॉल्यूमेट्रिक हीट रिलीज की शक्ति को दर्शाने वाली अभिव्यक्ति प्राप्त कर सकते हैं:
क्यू - गर्मी रिलीज, किलो कैलोरी / एच; V कंडेनसर का आयतन है, cm3; ई - तनाव विद्युत क्षेत्र, वी / सेमी।
टीजीδ और ढांकता हुआ निरंतर ई द्वारा निर्धारित नुकसान सामग्री की नमी सामग्री और परिवर्तन की आवृत्ति पर काफी हद तक निर्भर हैं विद्युत चुम्बकीय(चित्र 3.25)। पहले से ही अपेक्षाकृत कम नमी सामग्री पर, उपरोक्त दोनों मापदंडों में काफी वृद्धि हुई है। यह तथाकथित ढांकता हुआ सुखाने के लिए आवश्यक शर्तें बनाता है। साथ ही, गर्मी उत्पादन विशेष रूप से बड़ा हो जाता है जहां नमी सबसे अधिक निहित होती है। नतीजतन, ऐसी जगहों पर नमी तेजी से वाष्पित हो जाती है। इसके अलावा, में ये मामलासामग्री को पहले अंदर से निर्जलित किया जाता है, जिसमें है बहुत महत्वसंकोचन तनाव (जब लकड़ी सूख जाती है) से इसके विनाश को रोकने के लिए, पारंपरिक सुखाने के तरीकों के दौरान मनाया जाता है, जब सामग्री पहले बाहर और फिर अंदर से सूख जाती है।
वायुमंडलीय दबाव में, गीले पदार्थ के अंदर का तापमान लगभग 100 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ जाता है और उस स्तर पर स्थिर रहता है। यदि नमी इतनी बड़ी मात्रा में वाष्पित हो जाती है कि सामग्री हीड्रोस्कोपिक क्षेत्र में है, तो तापमान और बढ़ जाएगा। नतीजतन, सामग्री का मूल जल सकता है जबकि इसकी बाहरी परतें अभी भी गीली हैं।
ढांकता हुआ, या उच्च आवृत्ति सुखाने, न केवल बड़े पूंजी निवेश और उच्च योग्य रखरखाव की लागत के कारण, बल्कि प्रक्रिया की उच्च ऊर्जा तीव्रता के कारण भी व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया जाता है। नमी के वाष्पीकरण के लिए आवश्यक तापीय ऊर्जा विद्युत ऊर्जा के रूपांतरण के परिणामस्वरूप प्राप्त होती है, जबकि ऊर्जा रूपांतरण ध्यान देने योग्य नुकसान से जुड़ा होता है।
गर्मी हस्तांतरण का सिद्धांत थर्मल ऊर्जा के वितरण और हस्तांतरण के पैटर्न का अध्ययन करता है। ऊष्मा के रूप में ऊर्जा का आदान-प्रदान अलग-अलग निकायों या एक ही शरीर के हिस्सों के बीच तापमान अंतर की उपस्थिति में होता है और तब तक जारी रहता है जब तक कि दोनों निकायों का तापमान बराबर न हो जाए। चूंकि तापमान आंतरिक ऊर्जा का एक माप है, इसलिए, गर्मी हस्तांतरण के दौरान, एक (ठंडे) शरीर की आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि दूसरे शरीर (गर्म) में कमी के कारण होती है।
गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रिया प्राकृतिक और अपरिवर्तनीय है, अर्थात यह हमेशा एक दिशा में आगे बढ़ती है: गर्म शरीर से ठंडे शरीर की ओर।
गर्मी हस्तांतरण तीन प्रकार के होते हैं: चालन, संवहन और विकिरण।
ऊष्मीय चालकता- ठोस और द्रव अवस्था में ऊष्मा के प्रसार की प्रक्रिया। डाइलेक्ट्रिक्स में (उन सामग्रियों में जो बिजली का संचालन नहीं करते हैं), थर्मल ऊर्जा को दोलनों द्वारा स्थानांतरित किया जाता है क्रिस्टल लैटिस, और धातुओं में - मुख्य रूप से जाली में मुक्त इलेक्ट्रॉनों की गति के कारण। अपने शुद्ध रूप में तापीय चालकता केवल में देखी जाती है ठोस.
कंवेक्शन- व्यक्तिगत द्रव्यमान और तरल और गैसीय निकायों की मात्रा के आंदोलन के दौरान गर्मी का हस्तांतरण।
आमतौर पर, संवहन और ऊष्मा चालन एक साथ होते हैं। ऐसी प्रक्रिया कहलाती है संवहनी गर्मी हस्तांतरण. संवहन और ऊष्मा चालन के दौरान एक शरीर से दूसरे शरीर में ऊष्मा का स्थानांतरण तभी होता है जब वे संपर्क में आते हैं।
विकिरण-रूप में कुछ दूरी पर पिंडों के बीच ऊष्मा विनिमय लू-स्वच्छ ऊर्जा. दीप्तिमान ऊर्जा के वाहक विद्युत चुम्बकीय तरंगें (फोटॉन) हैं। विकिरण करते समय, गर्म शरीर की तापीय ऊर्जा विकिरण ऊर्जा में बदल जाती है, आसपास के स्थान में फैल जाती है, दूसरे शरीर पर गिरती है और फिर से तापीय ऊर्जा में बदल जाती है।
गर्मी हस्तांतरण समस्याओं का समाधान हमेशा एक विशिष्ट चरित्र होता है, जो स्पष्ट रूप से प्रक्रियाओं की स्थितियों से निर्धारित होता है।
इन शर्तों में शामिल हैं:
- निकायों की सतहों और उनके आस-पास की जगह (आकृति, आकार) की ज्यामितीय विशेषताएं;
- समय में प्रक्रिया की विशेषताएं;
- गर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया की सीमा विशेषताएं, अर्थात मूल्य और वितरण भौतिक मात्रागर्मी हस्तांतरण में शामिल निकायों के इंटरफेस पर;
- भौतिक और रासायनिक गुणऔर माध्यम के पैरामीटर जिसमें गर्मी हस्तांतरण होता है।
हालांकि, ये विशिष्टता स्थितियां हमेशा किसी को गर्मी हस्तांतरण के सिद्धांत में समस्याओं का विश्लेषणात्मक समाधान प्राप्त करने की अनुमति नहीं देती हैं। इसलिए, गर्मी हस्तांतरण प्रक्रियाओं के अध्ययन के लिए, भौतिक प्रयोग और उनके परिणामों का सामान्यीकरण असाधारण महत्व का है।
ऊष्मीय चालकता
ऊष्मा चालन की घटना की विशेषताएं निकायों में तापमान के वितरण से जुड़ी हैं। सामान्य स्थिति में, समय के साथ अंतरिक्ष में सभी बिंदुओं पर पिंडों का तापमान बदल सकता है। अध्ययनाधीन स्थान के सभी बिन्दुओं पर तात्क्षणिक ताप मानों के समुच्चय को कहते हैं तापमान क्षेत्र.
तापमान क्षेत्र है सजातीय, यदि अंतरिक्ष में सभी बिंदुओं पर तापमान समान है, और विजातीयअगर यह अलग है। समान तापमान वाले बिंदुओं वाली सतहों को कहा जाता है इज़ोटेर्माल, और इन सतहों का अनुप्रस्थ काट - समतापी(चित्र 3.1) ऊष्मा समतापी सतहों पर नहीं फैलती है। सबसे तेज़ तापमान परिवर्तन सामान्य से इज़ोटेर्मल सतहों की दिशा में होता है।
चावल। 3.1. तापमान क्षेत्र
दो समतापों के तापमान अंतर के अनुपात की सीमा सामान्य के साथ उनके बीच की दूरी, जब एनशून्य की ओर प्रवृत्त होता है कहलाता है ढाल
तापमान मात्राऔर grad . द्वारा निरूपित टी.
ढाल - तापमान परिवर्तन की सबसे बड़ी तीव्रता का एक उपाय; यह एक वेक्टर मात्रा है। जिस दिशा में तापमान बढ़ता है उसे सकारात्मक माना जाता है। मात्रात्मक रूप से, गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता की विशेषता है गर्मी प्रवाह घनत्वअर्थात्, प्रति इकाई समय में एक इकाई सतह से गुजरने वाली ऊष्मा की मात्रा। फूरियर कानून के अनुसार - थर्मल चालकता का मूल कानून - गर्मी प्रवाह घनत्व, डब्ल्यू / एम 2, सूत्र द्वारा निर्धारित किया जाता है
कहाँ पे क्यू- गर्मी की मात्रा, जे; एफ- क्षेत्र, एम 2 ; τ - समय, हु
फूरियर का नियम कहता है कि ऊष्मा प्रवाह घनत्व तापमान प्रवणता के समानुपाती होता है
कहाँ पे λ - तापीय चालकता का गुणांक, जो गर्मी के प्रसार की तीव्रता को दर्शाता है, यानी एक यूनिट हीट एक्सचेंज सतह के माध्यम से प्रति यूनिट समय में तापीय चालकता के परिणामस्वरूप गुजरने वाली गर्मी की मात्रा जब तापमान सामान्य से 1 डिग्री प्रति यूनिट लंबाई से इज़ोटेर्मल सतह तक गिर जाता है। , डब्ल्यू / एम के।
दायीं ओर का माइनस साइन शरीर में गर्मी के प्रवाह और तापमान में बदलाव की विपरीत दिशा को दर्शाता है। तापीय चालकता गुणांक निर्भर करता है रासायनिक संरचनानिकायों, उनकी संरचना, घनत्व, आर्द्रता, दबाव, तापमान और 0.01 से 400 डब्ल्यू / (एम के) के क्रम पर है।
जिन निकायों में λ <0,2 Вт/(м·К), называются गर्मी इन्सुलेटर. ऊष्मा के सुचालक वे पिंड होते हैं जिनमें λ > 20 डब्ल्यू / (एम के)।
सबसे छोटा मानगैसों में तापीय चालकता गुणांक (0.01 से 1 W / (m K)) होता है, सबसे बड़ा - धातु (चांदी - 410, तांबा -
360, एल्यूमीनियम - 200-300, स्टील - 45-55 डब्ल्यू / (एम के))।
फूरियर ताप समीकरण शरीर के किसी भी स्थान पर समय के साथ तापमान परिवर्तन की प्रक्रिया का गणितीय विवरण है, जो परिणामी गर्मी हस्तांतरण के कारण होता है।
गर्मी चालन समीकरण आमतौर पर ज्ञात विशिष्टता स्थितियों का उपयोग करके विशिष्ट प्रक्रिया स्थितियों के लिए विश्लेषणात्मक रूप से हल किए जाते हैं।
व्यवहार में, किसी को गर्मी चालन की विभिन्न समस्याओं का सामना करना पड़ता है, जिन्हें पारंपरिक रूप से तीन समूहों में विभाजित किया जाता है:
1) स्थिर तापीय चालकता, जब शरीर में तापमान वितरण समय में अपरिवर्तित रहता है और तदनुसार, गर्मी प्रवाह घनत्व स्थिर रहता है। हीटिंग उपकरणों और उपकरणों में हीट एक्सचेंज प्रक्रियाएं, बाहरी और लंबी अवधि के निरंतर तापमान पर भवन संरचनाओं की संरचनाओं को घेरना आंतरिक पर्यावरणसमय से स्वतंत्र माना जा सकता है;
2) गैर-स्थिर तापीय चालकता, जब तापमान क्षेत्र समय के साथ बदलता है। गैर-स्थिर तापीय चालकता देखी जाती है, उदाहरण के लिए, निकायों को गर्म करने और ठंडा करने के दौरान, जब थर्मल एक्सपोजर की शुरुआत से पहले पूरे शरीर के द्रव्यमान का तापमान समान था;
3) आवधिक तापीय प्रभावों के अधीन निकायों में तापमान तरंगें। उदाहरण के लिए, पृथ्वी की सतह परत में तापमान में वार्षिक उतार-चढ़ाव, बाहरी हवा के तापमान में दैनिक उतार-चढ़ाव और, उनके प्रभाव में, संलग्न संरचनाओं की सतहों का तापमान।
स्थिर गर्मी चालन की दो समस्याओं के लिए फूरियर समीकरण का एक विशेष समाधान नीचे दिया गया है।
1. समतल दीवार में ऊष्मा का एक आयामी वितरण (चित्र 3.2)। समतल दीवार में ऊष्मा का प्रवाह किसके बराबर होता है
समाचार एफ 1 और एफ 2, डिग्री सेल्सियस।
परत की मोटाई वाली सैंडविच दीवार के लिए iऔर तापीय चालकता गुणांक iगर्मी प्रवाह समीकरण निम्नानुसार सामान्यीकृत है:
कहाँ पे α - संवहन गर्मी हस्तांतरण का गुणांक, संवहन द्वारा गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता की विशेषता, डब्ल्यू / (एम 2 के); टी- दीवार से दूर तरल तापमान, °С; टी स्टू- दीवार की सतह का तापमान, °С; एफ- शरीर की ऊष्मा ग्रहण करने वाली सतह, मी 2।
संवहनी गर्मी हस्तांतरण के सिद्धांत के मुख्य कार्यों में से एक विशिष्ट प्रक्रिया स्थितियों के लिए गर्मी हस्तांतरण गुणांक का मूल्य निर्धारित करना है।
राशि से α कई कारक प्रभावित करते हैं, जिनमें से मुख्य हैं संवहन की प्रकृति, गति का तरीका, तरल के भौतिक गुण, ऊष्मा विनिमय में शामिल निकायों की सतह की ज्यामितीय विशेषताएं।
संवहन कहलाता है नि: शुल्क, यदि यह तरल के तापमान क्षेत्र की असमानता के कारण दबाव अंतर (घनत्व) के कारण उत्पन्न होता है। मुक्त संवहन की घटना गर्म पिंडों की सतह पर देखी जा सकती है, जब इन सतहों के पास स्थित वायु कण गर्म होकर ऊपर की ओर उठते हैं, और ठंडी हवाएं अपने स्थान पर दौड़ती हैं (चित्र। 3.4)।
मुक्त संवहन स्वाभाविक रूप से किसी भी मात्रा में होता है जहां विभिन्न तापमान वाले शरीर होते हैं, और अधिक तीव्रता से आगे बढ़ते हैं, तापमान अंतर जितना अधिक होता है।
चावल। 3.4. मुक्त संवहन: एक- ऊर्ध्वाधर गर्म दीवार; बी- क्षैतिज प्लेट; में- क्षैतिज स्टोव, नीचे से गरम किया गया
मजबूर संवहनबाहरी बलों की कार्रवाई के तहत एक तरल की गति के दौरान गर्मी हस्तांतरण कहा जाता है, उदाहरण के लिए, एक पंप, पंखे, कंप्रेसर द्वारा बनाया गया। इस मामले में, गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता जितनी अधिक होती है, शरीर की सतहों को धोने वाले तरल के प्रवाह की गति उतनी ही अधिक होती है।
प्रवाह वेग में वृद्धि के साथ गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता में वृद्धि का कारण द्रव गति के मोड को बदलना है, लामिना से अशांत गति में संक्रमण (चित्र 3.1 देखें)।
एक लामिना के प्रवाह में, तापीय ऊर्जा को ऊष्मा चालन और अनुप्रस्थ द्रव्यमान प्रसार द्वारा स्थानांतरित किया जाता है। इस तरह के ऊर्जा हस्तांतरण की तीव्रता माध्यम के गुणों पर निर्भर करती है, और प्रवाह की मोटाई जितनी कम होगी, उतनी ही अधिक होगी। एक अशांत प्रवाह में, द्रव्यमान को मिलाकर तरल से दीवार तक ऊर्जा स्थानांतरित की जाती है, और केवल सीमा परत में - तापीय चालकता द्वारा। इसलिए, एक अशांत प्रवाह में गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता लामिना की तुलना में अधिक होती है।
लामिना और अशांत द्रव प्रवाह को मजबूर और नीचे दोनों में देखा जा सकता है मुक्त संचलन. हालांकि, बाद के मामले में, ये मोड विशेष रूप से थर्मल क्रिया की शर्तों द्वारा बनाए जाते हैं, जबकि मजबूर गति में, द्रव प्रवाह को प्रभावित करने के कृत्रिम तरीकों का उपयोग किया जाता है।
संवहनी गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता भी तरल के भौतिक गुणों पर निर्भर करती है, जो तापीय चालकता और तापीय प्रसार, गर्मी क्षमता, वॉल्यूमेट्रिक विस्तार के गुणांक और गतिज चिपचिपाहट के गुणांक के मूल्य की विशेषता है।
संवहनी गर्मी हस्तांतरण की ज्यामितीय स्थितियां शरीर के आकार, उसके आयामों और तरल पदार्थ द्वारा प्रवाहित सतह की प्रकृति से निर्धारित होती हैं।
ज्यामितीय स्थितियों के अनुसार, पाइप, चैनलों में द्रव के आंतरिक प्रवाह के दौरान गर्मी हस्तांतरण को प्रतिष्ठित किया जाता है ( आंतरिक कार्य) और एक धारा (बाहरी कार्य) द्वारा सतहों की बाहरी धुलाई। बाहरी प्रवाह के साथ, प्रवाह के संबंध में अनुदैर्ध्य हो सकता है सबसे बड़ा आकारसतह या अनुप्रस्थ (उदाहरण के लिए, प्रवाह की दिशा के लंबवत स्थित पाइपों के एक बंडल के चारों ओर बहते समय)।
सभी मामलों में, ज्यामितीय स्थितियों का प्रवाह में गति और तापमान के वितरण पर, गति के मोड पर, गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता को बदलने पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। इन कारकों को ध्यान में रखने के लिए, शरीर के विशिष्ट आयामों और आकार को निर्दिष्ट करना आवश्यक है।
गर्मी हस्तांतरण गुणांक का मान विभिन्न कार्यसंवहनी गर्मी हस्तांतरण मानदंड समीकरणों को हल करके निर्धारित किया जाता है, जिसकी सहायता से प्रयोगात्मक अध्ययन के डेटा को सामान्यीकृत किया जाता है, उदाहरण के लिए, मुक्त संवहन के लिए, फॉर्म का समीकरण
कहाँ पे न्यू मैं -नुसेल्ट मानदंड; α -संवहनी ऊष्मा का गुणांक-
ग्राशोफ़; जी- गुरुत्वाकर्षण का त्वरण, मी/से 2 ; β - बड़ा गुणांक
रेनॉल्ड्स; से, एन, एम- प्रायोगिक गुणांक, - द्रव वेग, मी/से.
इलेक्ट्रोथर्मल प्रक्रियाएं गर्मी हस्तांतरण के नियमों के अनुसार शरीर के अंदर (ठोस, तरल, गैसीय) या एक मात्रा से दूसरे में तापीय ऊर्जा के हस्तांतरण के साथ विद्युत ऊर्जा के तापीय ऊर्जा में रूपांतरण से जुड़ी होती हैं।
हीट ट्रांसफर (हीट एक्सचेंज) अंतरिक्ष के एक हिस्से से दूसरे हिस्से में, एक शरीर से दूसरे हिस्से में, या शरीर के अंदर एक हिस्से से दूसरे हिस्से में गर्मी का स्थानांतरण है। गर्मी हस्तांतरण के लिए एक अनिवार्य शर्त अलग-अलग निकायों या निकायों के वर्गों के बीच तापमान अंतर की उपस्थिति है।
स्थिर और गैर-स्थिर गर्मी हस्तांतरण हैं (चित्र। 2.1)।
गर्मी हस्तांतरण तीन प्रकार के होते हैं, गर्मी हस्तांतरण के तीन अलग-अलग तरीके (चित्र। 2.2)।
ऊष्मीय चालकता सूक्ष्म कणों (अणुओं, परमाणुओं, इलेक्ट्रॉनों) की ऊष्मीय गति और ऊर्जा परस्पर क्रिया के कारण होती है, उच्च ऊर्जा वाले कण (अधिक गर्म और इसलिए, अधिक मोबाइल) अपनी ऊर्जा का हिस्सा कम गर्म (कम मोबाइल) को देते हैं। इस मामले में गर्मी हस्तांतरण की दर निर्भर करती है भौतिक गुणपदार्थ, विशेष रूप से इसके घनत्व पर। घने निकायों (धातु) के लिए, छिद्रपूर्ण (पॉलीस्टाइनिन) के लिए गर्मी हस्तांतरण दर अधिक होती है - कम।
स्थिर अवस्था (फूरियर नियम द्वारा निर्धारित) पर एक सपाट दीवार के माध्यम से गर्मी प्रवाह दीवार की सतह के तापमान अंतर के समानुपाती होता है और दीवार के थर्मल प्रतिरोध के व्युत्क्रमानुपाती होता है।
जब ऊष्मा को विकिरण द्वारा स्थानांतरित किया जाता है, तो ऊर्जा का स्थानान्तरण रूप में होता है विद्युतचुम्बकीय तरंगें. इस प्रकार का ऊष्मा स्थानांतरण इन किरणों के पारदर्शी माध्यम में ही हो सकता है।
पारदर्शी माध्यम में प्रत्येक अपारदर्शी गर्म पिंड प्रकाश की गति से फैलते हुए, सभी दिशाओं में उज्ज्वल ऊर्जा विकीर्ण करता है। अन्य पूरी तरह या आंशिक रूप से अपारदर्शी निकायों के साथ मिलने पर, यह उज्ज्वल ऊर्जा फिर से (पूरे या आंशिक रूप से) गर्मी में परिवर्तित हो जाती है, इन निकायों को गर्म करती है। नतीजतन, उज्ज्वल गर्मी हस्तांतरण ऊर्जा के दोहरे परिवर्तन के साथ होता है - थर्मल ऊर्जा को उज्ज्वल ऊर्जा में और फिर फिर से तापीय ऊर्जा में उज्ज्वल ऊर्जा।
यदि उन पिंडों का तापमान जिनके बीच विकिरण ऊष्मा विनिमय किया जाता है, तो उनके बीच ऊष्मा विनिमय के परिणामस्वरूप, अधिक गर्म शरीर से कम गर्म शरीर में गर्मी स्थानांतरित हो जाएगी, उनमें से एक गर्म हो जाएगी, और दूसरा अपना तापमान कम कर देगा।
जब एक गर्म शरीर असीमित स्थान (एक तरफा गर्मी हस्तांतरण के साथ) में विकिरण करता है, तो चमकदार गर्मी प्रवाह पूरी तरह से काले शरीर की निरंतर उत्सर्जन के लिए आनुपातिक होता है, शरीर के कालेपन की डिग्री, संख्यात्मक रूप से इसकी अवशोषण क्षमता के बराबर होती है, और गर्म शरीर का पूर्ण तापमान।
चावल। 2.2. गर्मी हस्तांतरण की विधि के अनुसार गर्मी हस्तांतरण का वर्गीकरण
संवहनी गर्मी हस्तांतरण से जुड़ी समस्याओं का विश्लेषणात्मक समाधान महत्वपूर्ण कठिनाइयों को प्रस्तुत करता है, क्योंकि इस प्रक्रिया का वर्णन किया गया है जटिल सिस्टम विभेदक समीकरण. इसलिए, प्रयोगात्मक रूप से प्राप्त स्थिरांक और मात्राओं का उपयोग करके संवहनी गर्मी हस्तांतरण की समस्याओं को हल किया जाता है। संवहन ऊष्मा अंतरण का ऊष्मा प्रवाह न्यूटन-रिचमैन नियम के आधार पर निर्धारित किया जाता है। इस कानून के अनुसार, गर्मी का प्रवाह धुलाई की सतह, शीतलक की गति (गर्मी हस्तांतरण गुणांक) और दीवार और गैस या तरल के बीच तापमान अंतर के सीधे आनुपातिक होता है।
आज हम इस सवाल का जवाब खोजने की कोशिश करेंगे कि "हीट ट्रांसफर है? ..."। लेख में, हम विचार करेंगे कि प्रक्रिया क्या है, यह किस प्रकार की प्रकृति में मौजूद है, और यह भी पता लगाएं कि गर्मी हस्तांतरण और थर्मोडायनामिक्स के बीच क्या संबंध है।
परिभाषा
हीट ट्रांसफर एक भौतिक प्रक्रिया है, जिसका सार ट्रांसफर है। दो निकायों या उनके सिस्टम के बीच एक एक्सचेंज होता है। इस मामले में, एक पूर्वापेक्षा अधिक गर्म निकायों से कम गर्म निकायों में गर्मी का स्थानांतरण है।
प्रक्रिया विशेषताएं
गर्मी हस्तांतरण एक ही प्रकार की घटना है जो सीधे संपर्क और विभाजन को अलग करने के साथ हो सकती है। पहले मामले में, सब कुछ स्पष्ट है; दूसरे में, निकायों, सामग्रियों और मीडिया को बाधाओं के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। गर्मी हस्तांतरण उन मामलों में होगा जहां दो या दो से अधिक निकायों वाली प्रणाली एक राज्य में नहीं है थर्मल संतुलन. अर्थात्, किसी एक वस्तु का तापमान दूसरे की तुलना में अधिक या कम होता है। यहीं पर ऊष्मा ऊर्जा का स्थानांतरण होता है। यह मानना तर्कसंगत है कि जब सिस्टम थर्मोडायनामिक या थर्मल संतुलन की स्थिति में आता है तो यह समाप्त हो जाएगा। प्रक्रिया अनायास होती है, जो हमें बता सकती है
प्रकार
गर्मी हस्तांतरण एक प्रक्रिया है जिसे तीन तरीकों से विभाजित किया जा सकता है। उनके पास एक बुनियादी प्रकृति होगी, क्योंकि उनके भीतर वास्तविक उपश्रेणियों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है, जिसमें सामान्य पैटर्न के साथ-साथ अपनी विशिष्ट विशेषताएं भी होती हैं। आज तक, तीन को अलग करने की प्रथा है। ये तापीय चालकता, संवहन और विकिरण हैं। आइए पहले वाले से शुरू करें, मुझे लगता है।
तरीके
यह इस या उस की संपत्ति का नाम है भौतिक शरीरऊर्जा हस्तांतरण करें। उसी समय, इसे गर्म भाग से ठंडे भाग में स्थानांतरित किया जाता है। यह घटना अणुओं की अराजक गति के सिद्धांत पर आधारित है। यह तथाकथित ब्राउनियन गति है। शरीर का तापमान जितना अधिक होता है, उसमें अणु उतनी ही अधिक सक्रिय रूप से गति करते हैं, क्योंकि उनमें गतिज ऊर्जा अधिक होती है। ऊष्मा चालन की प्रक्रिया में इलेक्ट्रॉन, अणु, परमाणु भाग लेते हैं। यह शरीर में किया जाता है, जिसके विभिन्न भागों में अलग-अलग तापमान होते हैं।
यदि कोई पदार्थ ऊष्मा का संचालन करने में सक्षम है, तो हम एक मात्रात्मक विशेषता की उपस्थिति के बारे में बात कर सकते हैं। इस मामले में, इसकी भूमिका तापीय चालकता के गुणांक द्वारा निभाई जाती है। यह विशेषता दर्शाती है कि समय की प्रति इकाई लंबाई और क्षेत्रफल के इकाई संकेतकों से कितनी गर्मी गुजरेगी। इस मामले में, शरीर का तापमान ठीक 1 K से बदल जाएगा।
पहले, यह माना जाता था कि विभिन्न निकायों (संलग्न संरचनाओं के गर्मी हस्तांतरण सहित) में गर्मी का आदान-प्रदान इस तथ्य के कारण होता है कि तथाकथित कैलोरी शरीर के एक हिस्से से दूसरे हिस्से में बहती है। हालांकि, किसी को भी इसके वास्तविक अस्तित्व के संकेत नहीं मिले, और जब आणविक-गतिज सिद्धांत एक निश्चित स्तर तक विकसित हुआ, तो हर कोई कैलोरी के बारे में सोचना भूल गया, क्योंकि परिकल्पना अस्थिर हो गई थी।
संवहन। जल गर्मी हस्तांतरण
ऊष्मा ऊर्जा विनिमय की इस पद्धति को आंतरिक प्रवाह के माध्यम से स्थानांतरण के रूप में समझा जाता है। आइए पानी की एक केतली की कल्पना करें। जैसा कि आप जानते हैं, गर्म हवा की धाराएँ ऊपर की ओर उठती हैं। और ठंडे, भारी वाले डूब जाते हैं। तो पानी कोई अलग क्यों होना चाहिए? उसके साथ बिल्कुल ऐसा ही है। और इस तरह के एक चक्र की प्रक्रिया में, पानी की सभी परतें, चाहे कितनी भी हों, तब तक गर्म होंगी जब तक कि थर्मल संतुलन की स्थिति नहीं हो जाती। कुछ शर्तों के तहत, बिल्कुल।
विकिरण
यह विधि विद्युत चुम्बकीय विकिरण के सिद्धांत पर आधारित है। यह आंतरिक ऊर्जा से आता है। हम सिद्धांत में ज्यादा नहीं जाएंगे, हम केवल ध्यान देंगे कि इसका कारण आवेशित कणों, परमाणुओं और अणुओं की व्यवस्था है।
साधारण ऊष्मा चालन समस्या
अब बात करते हैं कि व्यवहार में गर्मी हस्तांतरण की गणना कैसी दिखती है। आइए गर्मी की मात्रा से संबंधित एक साधारण समस्या को हल करें। मान लीजिए कि हमारे पास आधा किलोग्राम के बराबर पानी है। पानी का प्रारंभिक तापमान 0 डिग्री सेल्सियस है, अंतिम तापमान 100 है। आइए जानें कि इस द्रव्यमान को गर्म करने के लिए हमने कितनी गर्मी खर्च की।
ऐसा करने के लिए, हमें सूत्र क्यू \u003d सेमी (टी 2 -टी 1) की आवश्यकता है, जहां क्यू गर्मी की मात्रा है, सी विशिष्ट एम पदार्थ का द्रव्यमान है, टी 1 प्रारंभिक है, टी 2 है अंतिम तापमान। जल के लिए c का मान सारणीबद्ध है। विशिष्ट ऊष्मा 4200 जे / किग्रा * सी के बराबर होगा। अब हम इन मानों को सूत्र में प्रतिस्थापित करते हैं। हम पाते हैं कि ऊष्मा की मात्रा 210,000 J, या 210 kJ के बराबर होगी।
ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम
ऊष्मप्रवैगिकी और गर्मी हस्तांतरण कुछ कानूनों द्वारा परस्पर जुड़े हुए हैं। वे इस ज्ञान पर आधारित हैं कि एक प्रणाली के भीतर आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन दो तरीकों से प्राप्त किया जा सकता है। पहला यांत्रिक कार्य है। दूसरा एक निश्चित मात्रा में ऊष्मा का संचार है। वैसे, ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम इसी सिद्धांत पर आधारित है। यहाँ इसका सूत्रीकरण है: यदि प्रणाली को एक निश्चित मात्रा में गर्मी प्रदान की जाती है, तो इसे बाहरी निकायों पर काम करने या इसकी आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाने पर खर्च किया जाएगा। गणितीय संकेतन: dQ = dU + dA.
पक्ष या विपक्ष?
ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम के गणितीय संकेतन में शामिल सभी मात्राओं को धन चिह्न और ऋण चिह्न दोनों के साथ लिखा जा सकता है। इसके अलावा, उनकी पसंद प्रक्रिया की शर्तों से तय होगी। मान लें कि सिस्टम कुछ मात्रा में गर्मी प्राप्त करता है। ऐसे में इसमें शरीर गर्म हो जाता है। इसलिए, गैस फैलती है, जिसका अर्थ है कि काम हो गया है। नतीजतन, मान सकारात्मक होंगे। यदि ऊष्मा की मात्रा को हटा दिया जाए, तो गैस ठंडी हो जाती है और उस पर कार्य किया जाता है। मूल्यों को उलट दिया जाएगा।
ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम का वैकल्पिक सूत्रीकरण
आइए मान लें कि हमारे पास समय-समय पर ऑपरेटिंग इंजन है। इसमें वर्किंग बॉडी (या सिस्टम) एक सर्कुलर प्रोसेस करती है। इसे आमतौर पर एक चक्र कहा जाता है। नतीजतन, सिस्टम अपनी मूल स्थिति में वापस आ जाएगा। यह मान लेना तर्कसंगत होगा कि इस स्थिति में आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन होगा शून्य. यह पता चला है कि गर्मी की मात्रा किए गए कार्य के बराबर होगी। ये प्रावधान हमें ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम को एक अलग तरीके से तैयार करने की अनुमति देते हैं।
इससे हम समझ सकते हैं कि प्रकृति में पहली तरह की एक सतत गति मशीन मौजूद नहीं हो सकती है। यानी एक ऐसा उपकरण जो बाहर से प्राप्त ऊर्जा की तुलना में अधिक मात्रा में कार्य करता है। इस मामले में, कार्रवाई समय-समय पर की जानी चाहिए।
आइसोप्रोसेसेस के लिए थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम
पहले आइसोकोरिक प्रक्रिया पर विचार करें। यह मात्रा को स्थिर रखता है। इसका अर्थ है कि आयतन में परिवर्तन शून्य होगा। अतः कार्य भी शून्य के बराबर होगा। आइए हम इस पद को ऊष्मागतिकी के पहले नियम से हटा दें, जिसके बाद हमें सूत्र dQ = dU प्राप्त होता है। इसका मतलब यह है कि एक आइसोकोरिक प्रक्रिया में, सिस्टम को आपूर्ति की जाने वाली सारी गर्मी गैस या मिश्रण की आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाने के लिए जाती है।
अब बात करते हैं समदाब रेखीय प्रक्रिया की। नियत मानउसमें दबाव है। इस मामले में, आंतरिक ऊर्जा काम के साथ समानांतर में बदल जाएगी। यहाँ मूल सूत्र है: dQ = dU + pdV। हम किए गए कार्य की गणना आसानी से कर सकते हैं। यह व्यंजक uR(T 2 -T 1) के बराबर होगा। वैसे, यह है भौतिक अर्थयूनिवर्सल गैस स्थिरांक। गैस के एक मोल और एक केल्विन के तापमान अंतर की उपस्थिति में, सार्वभौमिक गैस स्थिरांक समदाब रेखीय प्रक्रिया में किए गए कार्य के बराबर होगा।
गर्मी विनिमय- यह शरीर या शरीर पर ही काम किए बिना आंतरिक ऊर्जा को बदलने की प्रक्रिया है।
गर्मी हस्तांतरण हमेशा एक निश्चित दिशा में होता है: उच्च तापमान वाले निकायों से कम तापमान वाले निकायों तक.
जब पिंडों का तापमान बराबर हो जाता है, तो गर्मी हस्तांतरण बंद हो जाता है।
हीट एक्सचेंज तीन तरीकों से किया जा सकता है:
- ऊष्मीय चालकता
- कंवेक्शन
- विकिरण
ऊष्मीय चालकता
ऊष्मीय चालकता- शरीर के एक हिस्से से दूसरे हिस्से में या एक शरीर से दूसरे शरीर में उनके सीधे संपर्क से आंतरिक ऊर्जा के हस्तांतरण की घटना।
धातुओं में उच्चतम तापीय चालकता होती है- उनके पास पानी से सैकड़ों गुना ज्यादा है। अपवाद पारा और सीसा हैं।, लेकिन यहां भी तापीय चालकता पानी की तुलना में दस गुना अधिक है।
एक गिलास में धातु की सुई को कम करते समय गर्म पानीबहुत जल्द भाषण का अंत भी गर्म हो गया। नतीजतन, आंतरिक ऊर्जा, किसी भी प्रकार की ऊर्जा की तरह, एक शरीर से दूसरे शरीर में स्थानांतरित की जा सकती है। आंतरिक ऊर्जा को शरीर के एक भाग से दूसरे भाग में भी स्थानांतरित किया जा सकता है। इसलिए, उदाहरण के लिए, यदि एक कील का एक सिरा लौ में गरम किया जाता है, तो उसका दूसरा सिरा, जो हाथ में है, धीरे-धीरे गर्म होकर हाथ को जला देगा।
एक इलेक्ट्रिक स्टोव पर एक पैन का ताप गर्मी चालन के माध्यम से होता है।
आइए हम ठोस, द्रव और गैसों के साथ प्रयोगों की एक श्रृंखला करके इस घटना का अध्ययन करें।
आइए एक लकड़ी की छड़ी के सिरे को आग में डालें। यह प्रज्वलित करेगा। छड़ी का दूसरा सिरा, जो बाहर है, ठंडा होगा। माध्यम, लकड़ी में खराब तापीय चालकता होती है.
हम एक पतली कांच की छड़ के सिरे को शराब के दीपक की लौ में लाते हैं। थोड़ी देर बाद यह गर्म हो जाएगा, जबकि दूसरा सिरा ठंडा रहेगा। इसलिए, और कांच में खराब तापीय चालकता है.
यदि हम धातु की छड़ के सिरे को आग में गर्म करते हैं, तो बहुत जल्द पूरी छड़ बहुत गर्म हो जाएगी। हम इसे अब अपने हाथों में नहीं रख सकते।
माध्यम, धातुएँ ऊष्मा का अच्छी तरह से संचालन करती हैं, अर्थात उनमें उच्च तापीय चालकता होती है। चांदी और तांबे में सबसे अधिक तापीय चालकता होती है।.
तापीय चालकता पर विभिन्न पदार्थको अलग।
ऊन, बाल, पक्षी के पंख, कागज, काग और अन्य झरझरा शरीर में खराब तापीय चालकता होती है।यह इस तथ्य के कारण है कि इन पदार्थों के तंतुओं के बीच हवा निहित है। निर्वात (हवा से मुक्त स्थान) में सबसे कम तापीय चालकता होती है।यह इस तथ्य से समझाया गया है कि तापीय चालकता शरीर के एक हिस्से से दूसरे हिस्से में ऊर्जा का हस्तांतरण है, जो अणुओं या अन्य कणों की बातचीत के दौरान होता है। ऐसे स्थान में जहां कोई कण नहीं हैं, ऊष्मा चालन नहीं हो सकता है।
यदि शरीर को ठंडा या गर्म होने से बचाने की आवश्यकता होती है, तो कम तापीय चालकता वाले पदार्थों का उपयोग किया जाता है। तो, बर्तन, धूपदान, प्लास्टिक के हैंडल के लिए। घरों को लॉग या ईंटों से बनाया जाता है, जिनमें खराब तापीय चालकता होती है, जिसका अर्थ है कि वे शीतलन से सुरक्षित हैं।
कंवेक्शन
कंवेक्शनएक गर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया है जो तरल या गैस के प्रवाह द्वारा ऊर्जा के हस्तांतरण द्वारा की जाती है।
संवहन की घटना का एक उदाहरण: मोमबत्ती की लौ या बिजली के प्रकाश बल्ब के ऊपर रखा गया एक छोटा कागज का पिनव्हील, बढ़ती गर्म हवा के प्रभाव में घूमना शुरू कर देता है। इस घटना को इस तरह से समझाया जा सकता है। गर्म दीपक के संपर्क में आने वाली हवा गर्म होती है, फैलती है और अपने आसपास की ठंडी हवा की तुलना में कम घनी हो जाती है। ठंडी तरफ से ऊपर की ओर गर्म हवा पर काम करने वाला आर्किमिडीज बल गर्म हवा पर लगने वाले गुरुत्वाकर्षण बल से अधिक होता है। नतीजतन, गर्म हवा "तैरती है", ऊपर उठती है, और ठंडी हवा इसकी जगह लेती है।
संवहन में, ऊर्जा गैस या तरल के जेट द्वारा स्वयं स्थानांतरित की जाती है।
संवहन दो प्रकार के होते हैं:
- प्राकृतिक (या मुक्त)
- मजबूर
द्रवों और गैसों में संवहन होने के लिए उन्हें नीचे से गर्म करना आवश्यक है।
ठोस पदार्थों में संवहन नहीं हो सकता।
विकिरण
विकिरण- एक निश्चित तापमान पर किसी पदार्थ द्वारा आंतरिक ऊर्जा के कारण उत्सर्जित विद्युत चुम्बकीय विकिरण।
किसी वस्तु की उष्मीय विकिरण शक्ति जो एक काले शरीर के मानदंड को पूरा करती है, किसके द्वारा वर्णित है? स्टीफन-बोल्ट्जमैन कानून।
निकायों की उत्सर्जक और अवशोषित क्षमताओं का अनुपात वर्णित है किरचॉफ का विकिरण नियम।
विकिरण द्वारा ऊर्जा का स्थानांतरण अन्य प्रकार के ताप हस्तांतरण से भिन्न होता है: यह पूर्ण निर्वात में किया जा सकता है.
सभी पिंड ऊर्जा विकीर्ण करते हैं: दोनों अत्यधिक गर्म और कमजोर रूप से, उदाहरण के लिए, मानव शरीर, एक स्टोव, एक बिजली का प्रकाश बल्ब, आदि। लेकिन शरीर का तापमान जितना अधिक होता है, उतनी ही अधिक ऊर्जा विकिरण द्वारा प्रसारित होती है। इस मामले में, ऊर्जा आंशिक रूप से इन निकायों द्वारा अवशोषित होती है, और आंशिक रूप से परिलक्षित होती है। जब ऊर्जा अवशोषित होती है, तो सतह की स्थिति के आधार पर, शरीर अलग-अलग तरीकों से गर्म होते हैं।
एक अंधेरी सतह वाले पिंड प्रकाश की सतह वाले पिंडों की तुलना में ऊर्जा को बेहतर तरीके से अवशोषित और विकीर्ण करते हैं। उसी समय, एक अंधेरे सतह वाले निकायों को ठंडा किया जाता है तेज़ तरीकाप्रकाश की सतह वाले पिंडों की तुलना में विकिरण। उदाहरण के लिए, एक हल्के चायदानी में गर्म पानीअंधेरे की तुलना में अधिक समय तक गर्मी बरकरार रखता है।
