Je tepelná rovnováha systém: 7 faktů, které byste měli vědět

by

Tepelná rovnováha je stav systému a okolí, aby byly ve stavu teplotní rovnováhy. V tomto článku budeme diskutovat o tom, jak je tepelná rovnováha systému.

Každý předmět má tendenci nabýt tepelně rovnovážného stavu vyzařováním svého vnitřního tepla do okolí nebo získáváním tepla z okolí. Tepelná rovnováha je systém, kdy je systém v izolovaném stavu.

Co je tepelná rovnováha?

Tepelná rovnováha je stav, kdy systém dosáhne bodu, kdy teplota systému odpovídá teplotě okolí.

Tepelná rovnováha je stav, při kterém se tok tepelné energie ze systému do okolního zastaví a systém a okolí mají stejnou teplotu. Teplo se přenáší z vysoké energetické hladiny do nízkoteplotní zóny.

Pokud jsou dva systémy ve stavu tepelné rovnováhy, pak třetí stav v kontaktu s těmito dvěma systémy bude také ve stavu tepelné rovnováhy. To je uvedeno v Nultém termodynamickém zákonu.

Proč je tepelná rovnováha systém?

Systém je v tepelné rovnováze, když nedochází k žádnému vyzařování tepla ze systému do okolí, nikoli k odebírání tepla z okolí.

Tepelně rovnovážný systém je zcela izolován od okolí. Tento typ systému neztrácí svou hmotu, ale může docházet pouze k přenosu tepla. Jakmile systém dosáhne teplotní rovnovážné polohy, tok tepla se zastaví.

Jakýkoli systém bude mít tendenci zvyšovat svou vnitřní energii, pokud je do systému dodáváno teplo. Například při dodávání tepla do nádoby s vodou se teplota vody bude s časem zvyšovat. Pokud dojde k vypnutí přívodu tepla, pak stejný objem vody vydá své teplo do okolí a tím se časem ochladí.

Když je systém v tepelné rovnováze?

Systém je v tepelné rovnováze, když jeho vnitřní teplota odpovídá vnější teplotě okolí.

Mezi systémem a okolím neproudí z žádné strany energie. Teplota zůstává u obou konstantní. Také nedochází k přenosu hmoty ze systému.

Dva systémy s rozdílnými teplotami jsou udržovány pohromadě v kontaktu, pak dojde k přenosu tepla z horkého bodu do bodu nízké teploty. Tento tepelný tok bude pokračovat, dokud oba systémy nezískají stejné množství vnitřní tepelné energie. Tento stav systému se nazývá tepelně rovnovážný stav systému.

Je tepelná rovnováha uzavřeným systémem?

Tepelná rovnováha nastává pouze v případě uzavřených systémů nebo dvou těles, ve kterých může být přenášena pouze tepelná energie a nikoli hmota.

Tepelná rovnováha se v podstatě zabývá teplotou systému a tím, jak je synchronizován s okolní hmotou. Pokud je teplota systému vysoká než okolní, hmota z okolí přebírá teplo ze systému a naopak.

Aby systém dosáhl stavu tepelné rovnováhy, musí existovat pouze tok tepla. Pokud existuje pouze tok hmoty, pak teplo, které získá na mol hmoty, zůstane pouze s hmotností hmoty. A pokud existuje také tok hmoty a tepla, pak by žádný systém nebyl schopen dosáhnout stavu tepelné rovnováhy.

Pokaždé by nová hmota letěla do systému, který by mohl mít proměnlivou teplotu ve srovnání se systémem. Systému nějakou dobu trvá, než se dostane do rovnovážného stavu tokem tepla.

Může v otevřeném systému nastat tepelná rovnováha?

Systém, který není ohraničen zdmi a izolován od okolí, se nazývá otevřený systém.

Otevřené systémy nejsou schopny dosáhnout stavu rovnováhy. V otevřeném systému dochází nejen k výměně tepla, ale i hmoty. Objem hmoty se přenáší z okolí do systému.

V případě otevřeného systému lze teplo snadno přenášet ze systému do okolí. Systém však nikdy nebude schopen dosáhnout rovnovážné polohy. Hmota se totiž plynule vyměňuje ze systému do okolí a spolu s hmotou se ze systému odevzdává i teplo.

Nové množství přidané hmoty buď sníží celkovou tepelnou energii systému, nebo se zvýší a proces pokračuje. Ale v některých částech hraje otevřený systém také hlavní roli při uvedení systému do stavu tepelné rovnováhy.

Jak dochází k tepelné rovnováze v otevřeném systému?

Tepelná rovnováha může nastat v některých scénářích a ve velkém měřítku v otevřeném systému.

Tepelná energie vždy proudí z oblasti s vyšší teplotou do oblasti s nízkou teplotou. To je fakta každého systému v okolí. Pokud má otevřený systém ve srovnání s okolím vysokou energii, pak se teplo ze systému přenese do okolí, aby získalo rovnovážný stav.

Jednoduchým příkladem by zde byla výměna vzduchu z oblastí s vysokou teplotou do chladných oblastí. Vzduch proudí z jedné oblasti do druhé prostřednictvím výměny hmoty a tepelné energie. Proto fouká vítr a horký vzduch se ochlazuje. Tepelnou energii naopak získává i studený vzduch, nezbytný pro tepelnou rovnováhu.

Dalším příkladem, o kterém zde můžeme diskutovat, je spalování dřeva u táborového ohně, řekněme. Spalování dřeva je otevřený systém, protože teplo a hmota nejsou spojeny žádnou stěnou a hmota se snadno přenáší do okolí.

je tepelná rovnováha systému
Bonfire, Image Credit: Pixabay

Vzduch tryskající přes táborák zachycuje tepelnou energii a předává ji do okolí, čímž ohřívá vzduch v okolí. Vzniklé teplo se šíří kolem táborového ohně konvekcí. Systém se snaží dosáhnout tepelně rovnovážného stavu vyzařováním tepelné energie generované spalováním dřeva v okolí.

Jak zjistit tepelnou rovnováhu systému?

Abychom našli tepelnou rovnováhu systému, musíme vzít v úvahu rychlost toku tepla, hmotnost a měrné teplo hmoty.

Systém dosáhne tepelně rovnovážného stavu pouze tokem tepelné energie, která je v něm přítomna. Rychlost toku tepla tedy určuje čas potřebný k uvedení systému do stavu tepelné rovnováhy.

Nakonec, když nedojde k žádné výměně tepla a proudění se zastaví, systém je údajně v rovnovážném stavu.

Předpokládejme, že máme dvě uzavřené nádoby, jedna je horká a druhá studená. Oba kontejnery jsou udržovány v těsném vzájemném kontaktu. Tepelný tok probíhá z horké nádoby do studené nádoby. Tepelná energie ztracená z horké nádoby se tedy bude rovnat tepelné energii získané ze studené nádoby. to znamená,

Qztracený=Qzískat

Tepelná energie je dána vzorcem jako:

Q=mcAT

Zde je Q tepelná energie,

c je měrná tepelná kapacita a

m je hmotnost,

ΔT je změna teploty v důsledku toku tepelné energie z jednoho systému do druhého.

Pokud je teplota systému nižší než jeho počáteční teplota, pak bude rychlost tepelné energie záporná, což znamená ztrátu tepla. Zatímco, pokud je konečná teplota systému vyšší než jeho počáteční, znamená to tepelnou energii získanou systémem.

Jaká je tepelně rovnovážná teplota 20 gramů Al fólie zahřáté na teplotu 70 0C a uchovávat v kádince obsahující 50 gramů vody při pokojové teplotě?

Zadáno: Hmotnost hliníkové fólie je m = 20 gramů.

Hmotnost vody v kádince je M = 50 gramů.

Teplota hliníkové fólie je T1= 700C

Teplota vody je T2= 270C

Měrná tepelná kapacita vody je ccaw= 1 cal/g0c

Měrná tepelná kapacita hliníku je

g

Teplo získané vodou se bude rovnat teplu ztracenému hliníkovou fólií.

Proto,

-Qhliník=Qvoda

gif

Dosazením hodnot v tomto výrazu dostaneme:

%5E0C%20%5Ctimes%20%5Cleft%20%28%20T f 27%5E0C%20%5Cright%20%29%5C%5C%5C%5C%20 %5Cleft%20%28%20T f 70%5E0C%20%5Cright%20%29%3D%5Cfrac%7B50%7D%7B4.3%7D%20%5Ctimes%20%5Cleft%20%28%20T f 27%5E0C%20%5Cright%20%29%5C%5C%5C%5C%2070%5E0C %20T f%3D11.63%20%5Cleft%20%28%20T f 27%5E0C%20%5Cright%20%29%5C%5C%5C%5C%2070 %20T f%3D11.63%20T f 314.01%20%5C%5C%5C%5C%2070+314.01%3D11.63%20T f+T f%5C%5C%5C%5C%2012.63%20T f%3D384.01%5C%5C%5C%5C%20T f%3D%5Cfrac%7B384.01%7D%7B12.63%7D%3D30

Proto, teplota, při které budou hliníková fólie a voda v tepelně rovnovážném stavu je 30.40C.

Proč investovat do čističky vzduchu?

Tepelná rovnováha systému je stav, kdy teplota systému odpovídá teplotě systému. Tato teplota se nazývá teplotní rovnovážná teplota. Při této teplotě nedochází k toku tepla ze systému do okolí.

Také čtení: