Presentation laddar. Vänta.

Presentation laddar. Vänta.

1 Värme När två objekt med olika temperatur bringas i kontakt med varandra så kommer de så småningom att anta en gemensam temperatur som ligger någonstans.

Liknande presentationer


En presentation över ämnet: "1 Värme När två objekt med olika temperatur bringas i kontakt med varandra så kommer de så småningom att anta en gemensam temperatur som ligger någonstans."— Presentationens avskrift:

1 1 Värme När två objekt med olika temperatur bringas i kontakt med varandra så kommer de så småningom att anta en gemensam temperatur som ligger någonstans mellan de båda begynnelsetemperaturerna. Värme Termisk jämvikt

2 2 Värme Definition av värme: Värme (heat) är energi som flödar från ett objekt med hög temperatur till ett objekt med låg temperatur, på grund av temperaturskillnaden mellan objekten. SI-enhet: joule (J). OBS!! Skilj på ordet värme’s betydelse i fysikaliska sammanhang och dess användning i vardagslivet. Det är fel att säga att ett objekt innehåller värme (objektet har en viss inre energi som delvis kan överföras till ett annat objekt, det är den överförda energimängden som kallas värme).

3 3 Specifik värmekapacitet För att öka ett objekts temperatur behöver vi tillföra värme. För en given värmemängd så beror temperaturökningen på: det material objektet utgörs av; objektets massa. Värmen Q som behöver tillföras eller tas bort från ett ämne med massan m, för att ändra ämnets temperatur med  T, är Q = m c  T där c är ämnets specifika värmekapacitet. SI-enhet för c:J / [ kg K ] Specifik värmekapacitet benämns ibland: värmekapacitivitet; specifik värme.

4 4 Specifik värmekapacitet Exempel: Vatten med en temperatur 15 °C värms i en varmvattenberedare till temperaturen 70 °C. Om 15 kg varmt vatten går åt vid diskning då diskhon fylls med vatten, beräkna den energi som behövs för att värma vattnet, samt kostnaden för detta (1 kWh elenergi kostar ca 60 öre). Om diskningen istället sker under rinnande vatten går det åt uppskattningsvis 5 gånger så mycket varmt vatten. Beräkna prisskillnaden under ett år för de två diskmetoderna, om det görs en diskning per dag. (c vatten = 4186 J/[kg °C]). Lösning: se tavlan (Q = m c  T)

5 5 Specifik värmekapacitet Gaser När temperaturen för en gas ändras, så ändras i regel också tryck och volym. När den specifika värmekapaciteten bestäms måste dessa storheter kontrolleras. Detta görs genom att hålla antingen tryck eller volym konstant vid värmetillförseln. Beteckningar: Specifik värmekapacitet vid konstant tryck (pressure):c P Specifik värmekapacitet vid konstant volym:c V Värdena för c P och c V är i regel olika för en gas, (medan för fasta ämnen och vätskor det normal sett inte är någon skillnad).

6 6 Mätning av specifik värmekapacitet Exempel: En kalorimeter består av en aluminiumbehållare, med massa m Al = 0,15 kg, samt 0,20 kg vatten.Från början har dessa temperaturen 18 °C. Ett okänt material (m = 0,040 kg) upphettas till temperaturen 97 °C och läggs i vattnet. Efter att termisk jämvikt uppnåtts har hela systemet temperaturen 22 °C. Bestäm specifika värmekapaciteten för det okända ämnet. (Försumma den värmemängd som tas upp av termometern). Lösning: se tavlan

7 7 Fasövergångar Det finns situationer när värme kan tillföras ett objekt utan att dess temperatur ökar!! Tex en bägare med is och vatten. Tillförd värme går till att smälta isen. Först när all is smält ökar temperaturen. Det finns olika typer av faser för ett ämne Fast fas. Vätskefas. Gasfas. Övergång mellan olika faser kallas fasövergång. för fasövergång.

8 8 Fasövergångar Olika typer av fasövergångar: fast  vätskasmältning, vätska  fastfrysning, vätska  gasevaporation, gas  vätskakondensation fast  gassublimering, gas  fastkondensering

9 9 Fasövergångar Upphettningsgraf för vatten Värme Temperatur, °C Is värms upp Is smälter Vatten värms upp Vatten kokar Ånga värms upp

10 10 Fasövergångsentalpi Definition av fasövergångsentalpi Fasövergångsentalpi (latent heat) är den värmemängd per kilogram som måste tillföras eller tas bort när ett ämne vid konstant temperatur övergår från en fas till en annan. Beroende på typ av fasövergång finns olika namn, tex smältentalpi, L f ångbildningsentalpi, L v För vatten L f = 33,5·10 4 J/kg L v = 226·10 4 J/kg

11 11 Fasövergångsentalpi Exempel: Ett 10,0 kg isblock har en temperatur på -10,0 °C. Isblocket absorberar värmemängden 4,11·10 6 J. Vad är vattnets slutliga temperatur? Trycket är en atmosfär (atm). Lösning: se tavlan

12 12 Värmeöverföring Värmeöverföring genom konvektion Värmeöverföring genom ledning. Värmeöverföring genom strålning. När värme överförs till eller från ett ämne, så ändras dess inre energi, vilket kan leda till en förändring av temperaturen eller till en fasändring (till exempel is  vätska) Värme kan överföras på tre olika sätt:

13 13 Konvektion Volymen ökar  densiteten minskar Luft hettas upp  Volymen ökar Mindre densitet  Flytkraft får luften att stiga Varm luft Kall luft

14 14 Konvektion Konvektion Vid konvektion så förs värme från plats till plats genom massrörelse av fluiden Exempel: Uppvärmning av hus Kylskåp Värmeöverföring genom konvektion är svårt att beskriva kvantitativt. Man hör ofta talas om konvektion i gaser och vätskor, men inte i fasta ämnen. Varför?

15 15 Värmeledning Värmeledning Värmeledning är den process genom vilken värme överförs direkt genom ett ämne utan att massrörelse spelar någon roll. Mikroskopisk förklaring till värmeledning: Atom och molekylvibrationer. Elektrontransport av energi (metaller).

16 16 Värmeledning Värmeflöde, Q L Tvärsnittsarea A Mängden värme, Q, som överförs genom värmeledning beror på Längden, L, av det ledande materialet (Q  1/L). T varm T kall Tvärsnittsarean, A, av det ledande materialet (Q  A). Temperaturskillnaden,  T = T varm - T kall, mellan ändpunkterna (Q   T). Tiden, t, under vilket materialet leder värme (Q  t).

17 17 Värmeledning Värmeledning genom ett ämne Den värmemängd Q som under tiden t leds genom en stav av längden L och tvärsnittsarea A är Q = [ k·A·  T·t ] / L där  T är temperaturskillnaden mellan stavens ändpunkter och k är materialets värmeledningsförmåga. SI-enhet för värmeledningsförmåga: J/[s·m·C°] T varm T kall Tvärsnitts- area A L

18 18 Termisk resistans Värmeledning genom en vägg kan skrivas Q / t = [ A·  T ] / [ L / k ] = [ A·  T ] / R T där R T kallas termisk resistans (enhet: [s·m 2 ·C°] / J ) L 12 L 23 T1T1 T2T2 T3T3 k frigolit k cement Q / t ( Q / t ) R 21 = A [ T 2 - T 1 ] ( Q / t ) R 32 = A [ T 3 - T 2 ] ( Q / t ) R tot = A [ T 3 - T 1 ] = A [ T 3 - T 2 + T 2 - T 1 ] = ( Q / t ) [ R 32 + R 21 ]  R tot = R 21 + R 32 Termiska resistanser adderas! R 21 = L 12 /k frigolit R 32 = L 23 /k cement

19 19 U-värde Genom att införa värmegenomgångskoefficienten U = 1/R T = k / L (SI-enhet W/m 2 ·K), och skriva överförd värme/tidsenhet som överförd effekt Q / t = P kan effektflödet genom en vägg skrivas P = U ·[ A ·  T ] Värmegenomgångskoefficienten, U, benämns också U-värde och kallades tidigare K-värde. I en mer detaljerad beskrivning tillkommer, förutom värmeledning, värmeövergångskoefficienter i gränsytor mellan olika material

20 20 Strålning Strålning Vid värmestrålning överförs energi genom elektromagnetiska vågor. Strålning kräver inget medium! Exempel: Solstrålning Glödlampa Eld

21 21 Strålning Alla kroppar utsänder energi i form av elektromagnetiska (e-m) vågor Elektromagnetiska vågor delas in i olika områden beroende på dess våglängd: Radiovågor Mikrovågor Infraröd strålning Synligt ljus Ultraviolett strålning Röntgenstrålning Gammastrålning Energimängd och våglängd på den utsända strålningen beror på kroppens temperatur. I allmänhet sänder kroppar ut mycket lite synbart ljus under T = 1000 K.

22 22 Elektromagnetisk strålning

23 23 Strålning Vid överföring av energi så är absorption av e-m vågor, lika viktigt som emission. Hur mycket strålningsenergi som ett objekt absorberar eller sänder ut beror också på dess yta T stiger snabbt T stiger sakta Energi reflekteras Energi absorberas Två kroppar med samma temperatur placeras så att de träffas av solstrålar

24 24 Strålning Ett objekt som absorberar all e-m strålning som faller in mot det kallas en perfekt svartkropp (ibland: svartkropp eller svartkroppsstrålare). Ett objekt som befinner sig i termisk jämvikt (och till vilket värme ej överförs via konvektion eller ledning) utsänder lika mycket e-m strålning som det absorberar (annars skulle dess temperatur ändras).  Ett objekt som är en god absorbator är också en god utsändare.

25 25 Strålning Den energimängd som utsänds genom strålning av en strålkälla beror på: Tiden, t, under vilken objektet utsänder strålning, Q  t. Objektets ytarea, A, Q  A. Fjärde potensen av Kelvin temperaturen Q  T 4, vilket fastslagits experimentellt. Hur väl objektet utgör en perfekt svartkroppsstrålare Q  e, där e  1 är en emissionskoefficient. För en perfekt svartkroppsstrålare är e = 1.

26 26 Stefan-Boltzmanns lag Stefan-Boltzmanns strålningslag Den strålningsenergi Q, som utsänds under tiden t, av ett objekt som har en Kelvin temperaturen T, en yt-area A, och en emissionskoefficient e, ges av Q =  ·e·T 4 ·A·t där  = 5,67 · J/(s·m 2 ·K 4 ) är Stefan-Boltzmanns konstant,

27 27 Strålning - Exempel Exempel: En vedspis värmer ett rum till 29 °C. Vedspisen själv uppnår temperaturen 198 °C. Bestäm nettostrålningseffekten som vedspisen genererar. Spisen har en emissionskoefficient e = 0,900 och en yt-area på 3,50 m 2. P = Q/t =  ·e·T 4 ·A Lösning: se tavlan

28 28 Solfångare Kallt vatten in Varmt vatten ut Botten av solfångare svartmålad Ökad absorption av strålning Kopparrör Bra värmeledning till vatten (svartmålade) Ökad absorption av strålning Solfångare täckt med glashölje Minskar konvektionsförluster till luften

29 29 Värmeledning genom ett ämne Den värmemängd Q som under tiden t leds genom en stav av längden L och tvärsnittsarea A är Q = [ k·A·  T·t ] / L där  T är temperaturskillnaden mellan stavens ändpunkter och k är materialets värmeledningsförmåga. SI-enhet för värmeledningsförmåga: J/[s·m·C°] Vid konvektion så förs värme från plats till plats genom massrörelse av fluiden Konvektion Värmeledning är den process genom vilken värme överförs direkt genom ett ämne utan att massrörelse spelar någon roll. Värmeledning Vid värmestrålning överförs energi genom elektromagnetiska vågor. Strålning Stefan-Boltzmanns strålningslag Den strålningsenergi Q, som utsänds under tiden t, av ett objekt som har en Kelvin temperaturen T, en yt-area A, och en emissionskoefficient e, ges av Q =  ·e·T 4 ·A·t där  = 5,67 · J/(s·m 2 ·K 4 ) är Stefan-Boltzmanns konstant, Sammanfattning


Ladda ner ppt "1 Värme När två objekt med olika temperatur bringas i kontakt med varandra så kommer de så småningom att anta en gemensam temperatur som ligger någonstans."

Liknande presentationer


Google-annonser