Mechanika a molekulová fyzika Přenos tepla, Entropie Doc. RNDr. Petr Sládek, CSc. Pedagogická fakulta Masarykova Univerzita Poříčí 7, 603 00 Brno Pro potřeby přednášky zpracováno s využitím www.studopory.vsb.cz materialy html_files §Přenos vnitřní energie (=přenos tepla) je fyzikální děj, při kterém se část vnitřní energie §tělesa (soustavy, části soustavy) přenáší na jiné těleso (soustavu, část §soustavy). a)tepelnou výměnou vedením b)tepelnou výměnou zářením c)prouděním. § § § § § § § Přenos tepla 2 §a) Tepelná výměna vedením a) § § § § § §Částice, které mají větší kinetickou energii, předávají část této §energie částicím s menší kinetickou energií. Těleso (resp. soustava §těles), ve kterém probíhá tepelná výměna, zůstává přitom v klidu. §Jsou-li teploty míst s vyšší a nižší teplotou udržovány neustále na stejných hodnotách ustálené (stacionární) vedení tepla. §V opačném případě neustálené (nestacionární) vedení tepla. § § § § Přenos tepla 3 §a) Tepelná výměna vedením § §Vlastnost látky umožňující tepelnou výměnu vedením §nazýváme tepelná vodivost a veličinu, která charakterizuje §tepelnou vodivost látky nazýváme součinitel tepelné §vodivosti l . lCu = 400 W.m-1.K-1 , lAl = 240 W.m-1.K-1 § §Tepelný tok F : §Hustota tepelného toku j : §Při ustáleném vedení tepla projde plochou DS desky tloušťky d §za dobu Dt teplo Q, které je přímo úměrné teplotnímu spádu • Fourierův zákon § § Přenos tepla 4 §a) Tepelná výměna vedením § §Experiment podíl součinitele tepelné vodivosti l a měrné elektrické vodivosti g kovů je pro teplotu T pro všechny kovy při nepříliš nízkých teplotách přibližně stejný a úměrný této teplotě § §Wiedemannův- Franzův zákon § ØElektricky nevodivé látky (izolanty) vedou teplo špatně. § lPVC = 0,12 - 0,16 W.m-1.K-1 , lporcelán= 0,86-1,86 W.m-1.K-1 , § lvoda = 0,2 - 0,6 W.m-1.K-1 , lvzduch= 0,023 W.m-1.K-1 § §Tepelný odpor R tělesa tloušťky d Přenos tepla 5 §b) Tepelná výměna zářením a) § § § § §emise záření absorpce záření § §Tepelným zářením nazýváme obvykle (ne zcela přesně) infračervené záření §s vlnovými délkami od asi 0,78 mm do 360 mm. Přenos tepla 6 §b) Tepelná výměna zářením § §Zářivý tok Fe definovaný vztahem § §je výkonem tepelného záření procházejícího danou plochou (jednotkou je 1 W). § §Výkon tepelného záření vyzářený jednotkovou plochou se nazývá intenzita vyzařování Me Jednotkou je 1 W.m-2. § § §Dopadá-li na povrch tělesa zářivý tok Fe , část zářivého toku F er se od povrchu tělesa odráží, část F et tělesem projde a část F ea se tělesem pohltí. §ZZE: Přenos tepla 7 §b) Tepelná výměna zářením § §ZZE: § § § §r odrazivost tepelného záření §t propustnost tepelného záření §a pohltivost tepelného záření § §Je-li a = 1 a r =t = 0 černé těleso. §Je-li r = 1 a a =t = 0 bílé těleso. §Je-li t = 1 a a = r = 0 je těleso dokonale propustné (průteplivé). Přenos tepla 8 §b) Tepelná výměna zářením § §Černé těleso (a = 1) je idealizovaným modelem §Pro vyzařování černého tělesa platí Stefanův-Boltzmannův zákon: § § §kde konstanta úměrnosti s =5,67 ×10-8 W.m-2.K-4 je Stefanova-Boltzmannova konstanta. §Šedé těleso pohltivost a < 1 je stejná pro všechny vlnové délky záření (tj. nezávisí na vlnové délce). §Stefanův-Boltzmannův zákon pro šedé těleso: • kde e je emisivita tělesa. Platí pro ni e =a Přenos tepla 9 §c) Tepelná výměna prouděním a) § § § §Volné proudění (rozdílná hustota) §Nucené proudění (ventilátor, čerpadlo) §Přestup tepla: kde h je součinitel přestupu tepla, § t je teplota tekutiny a tp teplota povrchu stěny z pevné §látky Přenos tepla 10 a) § §Clausius – Boltzmann - Gibbs § Zatímco „ostrá“ rozdělení pravděpodobnosti mají entropii nízkou, naopak „neostrá“ či „rozmazaná“ rozdělení pravděpodobnosti mají entropii vysokou. §Za pravděpodobnostní rozložení s nejvyšší entropií lze považovat normální nebo rovnoměrné rozložení. § §Pi je pravděpodobnost i-tého mikrostavu §Termodynamickou entropii S § § §Carnotův cyklus 2. VT §Ne všechna δQ mohou být kladná, ale některá musí být i záporná soustava, která vykonává vratný kruhový děj tedy nemůže od okolních těles teplo pouze přijímat, ale musí jim také nějaké teplo odevzdávat. Entropie 11 §Princip růstu entropie §Tepelně izolovaná soustava 2 těles o teplotě T1 a T2 . Těleso 1 odevzdá teplo dQ1 a těleso 2 přijme teplo dQ2 , přičemž platí dQ1 = dQ2 . §Změna entropie § §Pro T1 ˃ T2 pak dS ˃ 0 §Při vratném adiabatickém ději může být tedy entropie stálá, avšak nikdy nemůže klesat. § §V přírodě – nevratné děje (tření, odporové síly) §Pokud při nevratném ději působí tření, takže vykonaná práce je menší a v soustavě vzniká třením teplo, je třeba k dosažení výchozího stavu odvádět více tepla než při vratném kruhovém ději, což je vyjádřeno znaménkem nerovnosti. §Celková entropie uzavřeného systému se nemůže nikdy zmenšit. V přírodě tedy všechny děje směřují do více neuspořádaného stavu. Stejně tak roste entropie ve vesmíru. Vyrovnání veškerých teplotních rozdílů - tepelná smrt vesmíru. Entropie 12 §3. Termodynamický zákon - 3. VT - Nernstův teorém § § §Pomocí entropie: § §Není možné dosáhnout T= 0 K. § Entropie 13 https://www.youtube.com/watch?v=DkQfu-8bzEg §? Entropie 14