Issiqlik almashinishi

Issiqlik konveksiya, nurlanish hamda issiqlik o‘tkazuvchanlik vositasida uzatilishi mumkin.

Termodinamikaning ikkinchi bosh qonuni uqtirish berishicha, issiqlik doimo harorat yuqoriroq jismdan harorati pastroq jismga tomon uzatiladi. Biroq, qonunda issiqlik uzatilish mexanizmlari haqida lom-mim deyilmagan. Holbuki, issiqlik uzatilish jarayonlarining mohiyatini yaxshi bilish va ulardan foydali ish chiqara olish - muhandislik fizikasi nuqtai nazaridan nihoyatda muhim masaladir. Shu sababli ham, issiqlik almashinish jarayonlariga oid tafsilotlarni o‘rganish - amaliy fan sohalari bilan shug‘ullanuvchi olimlar va muhandislar oldidagi eng dolzarb muammolardan biri bo‘lib kelgan. Yuqorida ham ta'kidlanganidek, hozirda olimlar issiqlik almashinuv jarayonlarining uch xilini farqlab olishgan va ularning har birining zamirida o‘ziga xos noyob fizik jarayon yotadi.

Issiqlik o‘tkazuvchanlik.

Oldingizda kosada qo‘yilgan qaynoq sho‘rvaga qoshiqni solib qo‘ysangiz, ko‘p o‘tmay qoshiqni ham ushlay olmay qolasiz. Sababi, qoshiq tayyorlangan metall katta issiqlik o‘tkazuvchanlik ko‘rsatkichiga ega bo‘ladi. Shu sababli, metall qoshiqning sho‘rvaga botib turgan qismi, sho‘rva issiqligini butun metall bo‘ylab o‘tkazadi va qoshiq ham qizib ketadi. Umuman olganda, deyarli barcha metallar yuqori issiqlik o‘tkazuvchanlik namoyon qiladi va metallga uzatilgan issiqlik butun metall bo‘ylab juda tez tarqaladi.

o‘zi aslida, tabiatda har qanday jism o‘ziga xos issiqlik o‘tkazuvchanlik ko‘rsatkichiga ega bo‘ladi (turli jismlarning issiqlik o‘tkazuvchanligi). Metallarning issiqlik o‘tkazuvchanligining bu darajada yuqoriligi esa, metallarning atom tabiati bilan bog‘liqdir. Metallarda atomlar uch o‘lchamli kristall panjara shaklida tartiblangan bo‘lib, ular o‘z o‘rta statistik vaziyati bo‘yicha muntazam tebranib turadi. Baland haroratli muhitga solingan metallda esa, atrof-muhitdagi haroratning yuqoriligi va katta tezlik bilan atrofdan o‘ziga kelib urilayotgan zarralarning shiddati ta'sirida, metall atomlarining tebranishi (vibratsiyasi) ham tezlashadi va yanada jadalroq titray boshlaydi. Metallning olovga kirib turgan qismi, yoki, qaynoq suyuqlikka botib turgan qismining harorat juda tezlik bilan, o‘sha olovning, yoki, qaynoq suyuqlikning haroratiga tenglashadi. Lo‘nda qilib aytganda, metallning harorati muhit harorati bilan tez tenglashadi. Shu sababli ham olovga teginib turgan metall qiziganda qizarib chog‘lanib ketadi.

Baland haroratli muhitda termik qo‘zg‘algan metall atomlari o‘ziga qo‘shni bo‘lgan atomlar bilan ham to‘qnasha boshlaydi va issiqlik harakati energiyasini o‘ziga qo‘shni atomga uzatadi. Shu tarzda, qo‘shni atomlar ham tez qizib, muhit haroratigacha isiydi. o‘z energiyasini qo‘shni atomga bergani hamonoq, olovga eng yaqin turgan atomlar ushbu energiyani yana tezkorlik bilan olovdan kelayotgan issiqlik energiyasi hisobidan kompensatsiyalaydi va yana qo‘shnisiga energiya uzatadi.

Shu tarzda, atomlararo zanjir orqali issiqlik metall bo‘ylab tezkorlik bilan tarqaladi va butun metall bo‘ylab yoyiladi. Shunday qilib, issiqlik o‘tkazuvchanlik bu - issiqlik o‘tkazuvchan moddani tashkil qiluvchi atom yoki molekulalarning o‘zaro to‘qnashishi orqali issiqlik uzatilishi va issiqlik almashinishi jarayonlarini asoslab berar ekan. Ya'ni, issiqlik harakati butun jism bo‘ylab tarqaladi; lekin, bu jarayonda issiqlikni bir-biriga uzatadigan atom va molekulalarning o‘zi harakatlanmaydi. Ular o‘z joyida mustahkam o‘rnashgan holda, issiqlikni qo‘shnisidan olib qo‘shnisiga uzatadi va shu tarzda, issiqlik almashinish jarayonida ishtirok etadi.

Issiqlik o‘tkazuvchanlik jarayonini bayon qiluvchi ixcham tenglama quyidagicha ko‘rinishga ega:

Q=A·ΔT/R

bu yerda Q - uzatilayotgan issiqlik energiyasi miqdori; A - issiqlik o‘tkazgich jismning ko‘ndalang kesim yuzasi; ΔT - ikki nuqta orasidagi haroratlar farqi; R esa - materialning issiqlik qarshiligi bo‘lib, u mazkur materialning issiqlik o‘tkazishga nisbatan qanday qarshilik ko‘rsatishini ifodalaydi. Biz yuqorida keltirgan misolda, ΔT - qoshiqning sho‘rvaga botib turgan qismidagi harorat va uning tashqarida, xona haroratida turgan qismi, ya'ni, sopidagi harorat ko‘rsatkichlari ayirmasiga teng bo‘ladi. A - qoshiqning ko‘ndalang kesim yuzasi; R esa har bir metall uchun o‘ziga xos bo‘lib, maxsus ma'lumotnoma-jadvallardan aniqlanadi. Formulaga qarab shu narsani oson payqash mumkinki, haroratlar farqi va metallning ko‘ndalang kesim yuzasi qanchalik katta bo‘lsa, ushbu metall orqali shunchalik ko‘p issiqlik miqdori o‘tkaziladi. Shu bilan birga, agar haroratlar farqi va metallning ko‘ndalang kesim yuzasi ma'lum bo‘lsa, unda bunday metall orqali issiqlik o‘tkazuvchanlik ko‘rsatkichi, mazkur metallning issiqlik qarshiligiga teskari proporsional bo‘ladi. Ya'ni, metallning issiqlik qarshiligi qanchalik baland bo‘lsa, uning issiqlik o‘tkazuvchanligi shunchalik yomon bo‘ladi.

Konveksiya

Endi misolni sho‘rvaning qaynash jarayoniga ko‘chiramiz. Qozon ostiga olov yoqsangiz, avvaliga sho‘rvaning suvi tinch turaveradi. Bunda, issiqlik suvning issiqlik o‘tkazuvchanligi evaziga, pastki qatlamlardan yuqoriga uzatiladi. Suvning harorati ko‘tarilgani sayin, issiqlik o‘tkazish jarayoni o‘zgara boshlaydi. Chunki, endi konveksiya jarayon ishga tushadi.

Idish tubiga yaqin turgan joydagi sho‘rva suvi qizib kengayadi. Qizigan, issiq suvning solishtirma og‘irligi, qozoning yuqoriroq qatlamlarida turgan teng hajmdagi, lekin nisbatan sovuqroq suvning solishtirma og‘irligidan ko‘ra yengilroq bo‘ladi. Bu esa butun sho‘rva sistemasini muvozanatdan chiqaradi va qo‘zg‘alishga olib keladi. Natijada, qizigan va yengillashib qolgan qaynoq suv yuqoriga ko‘tariladi. Uning o‘rniga esa yuqoridan nisbatan sovuqroq suv tushib keladi.

Biroq, jarayon shugina bilan chegaralanib qolmaydi. Chunki, joy almashgan qaynoq va sovuqroq suvlar juda tezlik bilan yana o‘rin almashinishiga to‘g‘ri keladi. Sababi, idish tubiga tushib kelgan suv, u yerdagi yuqori harorat evaziga darhol qiziydi va isib, u ham yuqori ko‘tarila boshlaydi. o‘z navbatida, avvalroq tepaga chiqib olgan boyagi issiq suv ham, u yerda biroz sovib zichlashadi va og‘irlashib, yana tubga sho‘ng‘iydi. Natijada, sho‘rva sistemasi baribir beqaror holatda qolaveradi. Issiq va sovuq suv bir-birini o‘rin almashtirib, idish bo‘ylab pastga va tepaga aylanaveradi. Natijada, butun sho‘rva massasining doimiy sirkulyatsiyasi yuzaga keladi. Buning oqibatida biz qaynayotgan sho‘rvada sirkulyatsion oqimlarni kuzatamiz. Aynan o‘sha, yuqoriga-pastga sirkulyatsiyalanish jarayonini fanda konveksion toklar deyiladi. Siz oshxonada sho‘rva qaynayotganida uning yuzasiga diqqat qilsangiz, konveksiya jarayonini amalda ko‘rishingiz mumkin bo‘ladi. yoki, Buning uchun choy uchun qo‘yilgan va choynakda qaynab chiqqan suvni ham kuzatishingiz mumkin (umuman ochiq idishda qaynayotgan har qanday suvni kuzatsangiz bo‘ladi ).

Konveksion toklar - tabiatda anchayin keng tarqalgan issiqlik almashinish usulidir. Konveksiya hodisasi yulduzlar qa'rida ham yuz beradi. Xususan, bizning yulduzimiz - Quyosh ichkarisida ham, aniqrog‘i, Quyosh yadrosi va Quyosh toji oralig‘ida favqulodda ulkan miqyosli konveksiya jarayoni boradi. Aynan ushbu jarayon Quyosh qa'rida kechayotgan termoyadro reaksiyalari natijasida ajralib chiqayotgan issiqlik energiyasini Quyosh sirtiga olib chiqadi (Quyosh o‘z energiyasini qayerdan oladi?). 150 million km naridagi Quyoshni qo‘ya turing, shundoqqina oyoq ostimizda - Yer mantiyasida ham muntazam konveksiya jarayoni boradi va uning natijasida biz plitalar tektonikasini kuzatamiz. Sayyoramiz atmosferasidagi konveksion oqimlar butun Yer yuzi bo‘ylab iqlimning qanday bo‘lishini hal qiladi desak mubolag‘a bo‘lmaydi. Atmosferadagi konveksiya jarayonlari ekvator va unga yaqin issiq hududlardan isigan havo va suv massalarini qutblar tomon tashib boradi va butun boshli mintaqalar va materiklarning iqlim xususiyatlarini belgilab beradi. Hattoki, alohida holda olingan bitta shahar miqyosida ham konveksiya juda muhim o‘rin tutadi. Siz nima sababdan shahar joylarning harorati qishloqlardagidan bir-ikki daraja baland bo‘lishini fikr qilib ko‘rganmisiz? Buning sababi ham o‘sha konveksiyaga borib taqaladi. Shaharda qizigan asfalt yuzasidan iliq havo muntazam ko‘tarilib turadi va uning o‘rniga sovuqroq havo tushib, doimiy sirkulyatsion oqim hosil qiladi. Shu sababli, katta shaharlarda, ayniqsa, avtomobil harakati zich va jadal bo‘lgan yirik megapolislarda o‘ziga xos mahalliy mikroiqlim yuzaga keladi.

Umumlashtirish o‘rnida shuni ta'kidlaymizki, konveksiya - moddaning harakati evaziga issiqlik uzatilishi jarayonini yuzaga keltiradigan jarayondir. Muayyan bir joyda issiqlikni o‘ziga yig‘ib olgan modda muhit bo‘ylab harakatlanib, issiqlikni o‘zi bilan tashib yuradi va nisbatan joyga borgach, u o‘zi tashib kelgan issiqlikni o‘sha joydagi sovuqroq moddalarga, xususan, atrof muhitga uzatadi. Konveksiya va issiqlik o‘tkazuvchanlikning bir-biridan tubdan farq qiladigan joyi aynan shunda. Ya'ni, issiqlik o‘tkazuvchanlikda issiqlikni uzatayotgan moddaning o‘zi joyidan qo‘zg‘almaydi; konveksiyada esa, issiqlikni modda o‘zi bilan tashib yuradi.

Nurlanish

Avvalgi ikki xil usuldagi issiqlik uzatilishidan tubdan farqli ravishda, nurlanish jarayonida issiqlik uzatilishida, moddaning o‘zi xoh u qattiq modda, xoh u suyuqlik yoki gaz bo‘lsin, issiqlik uzatish ishiga mutlaqo aralashmaydi. Bu holatda, issiqlik almashinuvi borishiga bosh sabab - Stefan-Botsman qonuniga ko‘ra, tabiatda, harorati mutlaq nol haroratdan yuqori bo‘lgan har qanday jismning atrof-muhitga o‘zidan energiya taratishi bo‘ladi. Bunda nurlanish turi jismning haroratiga bog‘liq bo‘ladi. Buni kundalik turmushda ham oddiy misollar orqali kuzatish mumkin. Masalan, temirchi ishlov berayotgan metall qizish jarayonida avvaliga qizaradi, harorat ortgan sari u sarg‘ayib, zarg‘aldoq tusga kiradi va oxiri deyarli oq ranggacha o‘zgaradi. Bu jismning harorati ortib borayotganidan dalolat beradi. Chunki, jism harorati qanchalik baland bo‘lsa, u chiqarayotgan nurlanishlarning to‘lqin uzunligi shunchalik qisqa bo‘ladi. Nisbatan sovuq jismlar infraqizil nurlar diapazonida nurlanish taratadi va biz bu nurlarni ko‘ra olmaymiz, lekin, ularning issiqligini, harorat taftini his qilamiz. Eng qaynoq jismlarning ham rangini biz ko‘ra olmaymiz. Chunki, ular ko‘zga ko‘rinmaydigan mikroto‘lqinlar diapazonida nurlanish taratadi.

Ehtimol, ko‘zga ko‘rinmas nurlarning kashf etilishi borasida eng mashhur holatlardan biri bu - kosmik nurlanishlardagi Relikt mikroto‘lqinli fonning kashf etilishi bo‘lgan bo‘lsa kerak. Ushbu kashfiyot Ulkan Portlash haqidagi gipotezaning haqiqat ekanini tasdiqlovchi dalillardan biriga aylandi. Mohiyatan, ushbu fon Butun Koinot bo‘ylab uning har bir qismida, ya'ni, Koinotning o‘zi tomonidan nurlantirilmoqda, chunki, Koinotning o‘zi to‘xtovsiz kengayib, borgan sari sovib boryapti va o‘zining avvalboshdagi favqulodda ulkan haroratini yo‘qotmoqda.

Bizni ijtimoiy tarmoqlarda ham kuzatib boring:

Feysbukda: https://www.facebook.com/Orbita.Uz/