Общие сведения о термодинамике

Применимость

Концепция тепла

Все предметы состоят из молекул (молекула - группа
атомов).Если, например, потревожить каплю воды, можно увидеть,
как молекулы быстро двигаются в капле.Чем выше скорость молекул, тем больше их энергия
движения.То, что называется теплом, является результатом этой
кинетической энергии, которая временно присутствует в
молекулах.Величина кинетической энергии может быть напрямую
измерена термометром.Тепло это вид кинетической энергии.Низкая кинетическая энергия (молекулы движутся
медленно) = низкая температура.Высокая кинетическая энергия (молекулы движутся
быстро) = высокая температура.Существуют разные способы (различные шкалы) для
записывания температуры.

Различные температурные шкалы

Температурные шкалы имеют различные точки отсчета и
названы в честь их изобретателей.

Цельсий и Фаренгейт

Шкалы имеют нулевую точку и маркированы в
положительных и отрицательных градусах.Показание термометра является измерением
кинетической энергии молекул (= тепло).Из-за того, что есть показания термометра с
отрицательными величинами, молекулы не перестают
двигаться (тепло - ноль) при 0°Согласно научной терминологии физики, неверно
говорить про теплую и холодную температуру. Проще
говоря, различная температура соответствует разным
уровням тепла.При создании своей шкалы, Цельсий выбрал воду как
точку отсчета.Температура кипения воды была выставлена как 100° и
температура замерзания как 0° на его шкале.Фаренгейт порезал свой палец и использовал
температуру крови и замороженную смесь льда и соли, как
свои точки отсчета.Температура его крови была выставлена как 100° и
температура замороженной смеси как 0° на его шкале.Перевод между Цельсием и Фаренгейтом:C = ((F-32) x 5) / 9F = (C x 9) / 5 + 32

Кельвин

Эта шкала основана на кинетической энергии молекул.0° К = абсолютный ноль = молекулы полностью
остановились.

Теплообмен

Теплообмен может осуществляться тремя способами

• Посредством радиации.
• Посредством теплопроводности.
• Посредством конвекции.

Теплообмен часто происходит через сочетание этих
методов.Например, как на иллюстрации:

• тепло от солнца передается через радиацию металлическому столбу
• от металлического столба воде теплопроводностью
• от воды контейнеру конвекцией

Теплообмен может осуществляться только в одном

направлении

Тепло всегда передается от предмета с более высокой
температурой к предмету с более низкой температурой.Чем выше разница температур, тем быстрее процесс
теплообмена.Если химический стакан с холодной водой поставить в
химический стакан с нагретой водой, тепло будет
передаваться из химического стакана с горячей водой
до тех пор, пока температура не станет
одинаковой в обоих лабораторных стаканах.По мере уменьшения разницы между температурами двух
лабораторных стаканов, процесс теплообмена
замедляется.

Изменения в состоянии

Испарение

По мере передачи тепла воде, температура воды
последовательно увеличивается. Однако вода не может
получать и хранить неопределенное количество
тепла.При температуре примерно в 100°С и нормальном
атмосферном давлении вода больше не может поглащать
тепло.Если подача тепла воде продолжается вода будет
отдавать столько же тепла сколько и получает.Вода избавляется от избытка тепла превращением в пар.
Пока есть вода, температура остается на уровне 100°С как в
кипящей воде, так и в паре.В конце концов вся вода испарится.При дальнейшем нагревании пара его температура
увеличется (= перегретый пар).

Примечание: Не путайте количество тепла с температурой.

Например, горящая спичка имеет температуру примерно
600°С, но дает мало тепла; возможно достаточно для того,
чтобы нагреть воду в наперстке на пару градусов.

Конденсация

Если подача тепла прекращается, пар сконденсируется,
через некоторое время, в воду.Это происходит потому что тепло переходит из горячего
пара в более прохладное окружающее пространство.Во время конденсации выделяется столько же тепла
сколько было поглащено во время испарения.

Количество тепла

Для увеличения температуры воды, для испарения воды,
для перегрева пара и для конденсации пара в воду,
требуется различное количество тепла.Если, например, у нас есть определенное количество
тепла, которое мы назовем 1 единицей, это количество
будет следующим:

• 1 единица для того, чтобы увеличить температуру воды с комнатной температуры (20°С) до точки кипения.
• 7 единиц для того, чтобы превратить кипящую воду в пар.
• 0,45 единицы для перегревания пара.
• 7 единиц для конденсации пара в воду.

Большая часть тепла может также передаваться когда
вода переходит из одного состояния в другое.Это касается всех жидкостей, включая хладагентов.Это является одной из причин важности того, чтобы
количество хладагента в системе кондиционирования
было правильным.

• Слишком много хладагента в испарителе ⇒ хладагент нагревается, но испаряется только частично ⇒ меньшее количество тепла забирается из воздуха, что приводит к уменьшению производительности системы.
• Слишком мало хладагента в испарителе ⇒ хладагент испаряется, а пар перегревается ⇒ меньшее количество тепла забирается из воздуха ⇒ уменьшение производительности системы.

Температура - давление - объем

Температура испарения, температура конденсации

Температура при которой жидкость начинает кипеть
зависит не только от того, какая это жидкость, но и от
давления.Вода, например, начинает кипеть и испаряться при
температуре 100°С, при нормальном давлении воздуха (1 бар).Для того, чтобы вода могла кипеть и испаряться,
давление пара должно быть выше давления воздуха.Это означает, что если давление воздуха
увеличивается, точка кипения также увеличивается.
Наоборот, если давление уменьшается, точка кипения
снижается.Например, вода кипит при температуре:

• 180 °С если давление равно 10 бар.
• 20 °С при отрицательном давлении в 0,97 бар.

Изменения в объеме

Нижеуказанное относится ко всем газам:

• при уменьшении объема, давление и температура увеличиваются.
• при увеличении объема, давление и температура уменьшаются.

Изменение в объеме также влияет на температуры
испарения и конденсации.

Закрытая система (общие сведения о термодинамике)

Если два лабораторных стакана, компрессор и воздушный
клапан соединены вместе, как показано на иллюстрации,
это является закрытой системой.Компрессор и воздушный клапан разделяют систему на
зону низкого давления и зону высокого давления.Без воздушного клапана компрессор работал бы только в
качестве насоса.

Функция

Воздушный клапан регулирует количество жидкости
которое передается в правый химический стакан.
Количество жидкости должно быть таким, чтобы последние
остатки жидкости испарились точно перед
горловиной химического стакана. Слишком мало или
слишком много жидкости означает, что количество тепла,
которое может быть поглощено, уменьшается.Компрессор уменьшает давление и температуру в
правом химическом стакане. Жидкость в химическом
стакане закипает и испаряется при низкой температуре.
Это приводит к тому, что разница между
температурами пламени и жидкости становится больше, и
передача тепла от пламени к жидкости становится более
быстрой и более эффективной.Компрессор извлекает газ из правого химического
стакана, увеличивает давление газа и температуру и
выталкивает газ в левом химическом стакане. В
результате, разница между температурой газа и
окружающей температурой становится большой. Затем
газ конденсируется при высокой температуре и передача
тепла от газа к воздуху становится быстрой и эффективной.