Värme

Värme,ellervärmemängd,är ett begrepp inomtermodynamikensom beskriver denenergiöverföringsom sker mellan tvåsystemtill följd av entemperaturdifferens,vilket postuleras itermodynamikens nollte huvudsats.Värme kan även ses som den energiöverföring som sker till ett system men som inte är i form avarbete. Inom tekniken behandlar områdetvärmeöverföringden energitransport som sker mellan system. Värmeöverföring leder till en förändring hos systemenstermiska energivilket kan ske till följd av masstransport,konduktion,konvektionellertermisk strålning.

Värme
Grundläggande
Alternativnamn	Värmemängd
Definition	Energiöverföringensom sker mellan tvåtermodynamiska systemtill följd av entemperaturdifferens
Storhetssymbol(er)	$Q$
Enheter
SI-enhet	J=kg·m2·s−2
SI-dimension	L2·M·T−2
CGS-enhet	erg
CGS-dimension	L2·M·T−2
Angloamerikansk enhet	1Btu:= 788,169ft·lbf ≈ 1 055,056 J

Solenselektromagnetiska värmestrålning är en av de viktigaste drivkrafterna för livet påjorden.

Värme kan flöda över systemgränsen hos etttermodynamiskt system,vilket leder till att systemetsinre energiförändras.

Naturlig värmeöverföring sker endast spontant till den kallare kroppen, i enlighet medtermodynamikens andra huvudsats.Värmeöverföringen till en kropp med samma eller högre temperatur kan endast ske genom attarbeteutförs, som med envärmepump.

Ett närliggande begrepp ärtermisk energi,vilket är löst definierat som den energi hos en kropp som ökar med dess temperatur. Värme är den process där termisk energi flödar från ett system till ett annat.

Överblick

Värme flödar spontant från system med en högretemperaturtill system med lägre temperatur, men värmeflöde i motsatt riktning skerintespontant. Då två system med olika temperatur är i termisk kontakt med varandra kommer de att utbytaenergitill dess att båda system har samma temperatur, ett tillstånd som kallastermisk jämvikt.

I ettisolerat systemkan ingen energi utbytas med omgivningen, alltså kan inget värme passera systemgränsen. I ettslutet systemär värme och arbete de enda sätten energi kan passera systemgränsen. Energiöverföring som sker på grund av en förändring hos externa mekaniska parametrar somvolym,tryck,magnetiskt fältoch liknande är, per definition,arbete.All annan energiöverföring från eller till ett slutet system är värme.

Benämningar somvarmtochkalltär relativa termer som generellt används för att jämföra temperaturen hos ett system med ett annat.

Definitioner

Den skotske fysikernJames Clerk Maxwellvar, i sitt verkTheory of Heat(1871), en av de första att uttrycka en modern definition på värme:

• Det ärnågot som kan överföras från ett system till ett annat,i enlighet medtermodynamikens andra huvudsats.
• Det ärmätbar storhetoch behandlas således matematiskt.
• Detkan inte behandlas som en substanseftersom det kan omvandlas till någonting som inte är en substans, exempelvismekaniskt arbete.
• Det ären energiform.

Några moderna definitioner på värme är bland andra:

• Den energi som överförs från ett högtempererat system till ett lågtempererat kallas värme.

• Allt spontant energiflöde från ett system till ett annat orsakat av en temperaturdifferens mellan systemen kallas värme.

Ur ett termodynamiskt hänseende kan värme aldrig lagras i ett system. Likt arbete existerar det enbart i energiövergången från ett system till ett annat, eller till systemets omgivning. När energi i form av värme tillförs ett system lagras det i form avkinetiskochpotentiell energihos systemets atomer och molekyler.

Inre energi

Termodynamikens första huvudsatspostulerar att differensen mellan tillfört värme (Q) och uträttat arbete (W) i ett system är lika stor som förändringen i systemetsinre energi(U):

$\Delta U=Q-W\$

Detta innebär att systemets energi antingen kan förändras genom arbete eller via värmeflöde över systemgränsen. Inre energi är summan av alla former av energi i systemet, förutom hela systemets kinetiska och potentiella energi. Den inre energin är nära kopplad tillmolekylernasstruktur och rörelse och kan betraktas som summan av molekylernas kinetiska och potentiella energi.

Värmeöverföring till enideal gasvid konstanttryckökar den inre energin och uträttar gränsarbete, det vill säga möjliggör kompression och expansion av en gasen, förutsatt att volymen inte är begränsad. Om man i första huvudsatsen delar in arbete igränsarbeteochövrigt,exempelvis axelarbete från en turbin, ges:

$\Delta U+W_{gr{\ddot {a}}nsarbete}=Q-W_{{\ddot {o}}vrigt}\$

Den kombinerade storheten ΔU + W_gränsarbeteärentalpi,H.Både entalpi och inre energi ärtillståndsfunktioner,det vill säga att de är oberoende av hur tillståndet uppnåddes, till skillnad mot exempelvis värme och arbete som båda är vägberoende storheter. Det infinitesimala uttrycket för värme, ΔQ,utgör eninexakt differentialför processer som involverar arbete. För processer som inte involverar någon volymförändring, påverkas av magnetiska fält, eller på annat sätt påverkas av externa parametrar, utgör emellertid ΔQenexakt differential.På samma sätt gäller att arbete, ΔW,utgör en exakt differential för allaadiabatiska processer(processer utan värmeöverföring). För processer som involverar värmeöverföring utgör dock ΔWen inexakt differential.

Entalpi och inre energiförändring

Ideal gas

För ett enkeltkompressibeltsystem, som exempelvis enideal gasi en cylinder, gäller att förändringen i inre energi ΔUvid konstant volym och förändringen i entalpi ΔHvid konstant tryck kan modelleras utifrån olikavärmekapaciteter,C_vrespektiveC_p.

Det värme som krävs för att vidkonstant volymförändra temperaturen hos den ideala gasen från ursprungstemperaturenT₀till den slutliga temperaturenT_fges av:

$Q=\int _{T_{0}}^{T_{f}}C_{v}\,dT=\Delta U\,\!$

Om man lämnar inskränkningen i volym och istället tillåter att systemet får expandera och dras samman vidkonstant tryck,ges istället det värme som krävs för att förändra temperaturen av:

$Q=\int _{T_{0}}^{T_{f}}C_{p}\,dT=\Delta H\ =\Delta U+\int _{V_{0}}^{V_{f}}P\,dV\,\!$

Inkompressibla ämnen

För inkompressibla ämnen, som exempelvisfasta materialochvätskor,försvinner skillnaden mellan de olika värmekapaciteterna,C_vför konstant volym ochC_pför konstant tryck. Detta eftersom inget tryck-volym-arbete uträttas på eller av systemet.

Latent och sensibelt värme

Latent värme är det värme som avges eller absorberas av ettkemiskt ämneellertermodynamiskt systemvid enisotermtillståndsförändring, exempelvis vidfasövergångarsåsom smältning av is eller kokning av vatten.Begreppet introducerades 1750 av den skotske fysikernJoseph Blackoch kommer från latinetslatere(att ligga dold), vilket syftar till att det latenta värmets effekt inte är direkt mätbar med hjälp av en termometer.

Sensibelt värme, i motsats till latent värme, är den värmeöverföring till ett termodynamiskt system vilken resulterar i en temperaturförändring hos systemet.Sensibelt värme ökar således enbart den termiska energin i ett system.

Specifik värmekapacitet

Specifik värmekapacitet,eller värmekapacitivitet, är definierat som den mängd energi som måste överföras till eller från ett ämne permassenhet(kilogram) ellersubstansmängd(mol) för att ämnets temperatur ska stiga en grad. Specifik värmekapacitet är en fysikalisk storhet, vilket innebär att den är beroende av vilket ämne som betraktas och desstillstånd.

De specifika värmekapaciteterna för monatomiska gaser, exempelvishelium,är nästan helt oberoende av gasens temperatur. För gaser med två och tre atomer är värmekapaciteterna mer beroende av temperaturen.

Entropi

Den tyske fysikernRudolf Clausiusformulerade i mitten av 1800-talettermodynamikens andra huvudsats:

”	Det är omöjligt att konstruera en maskin som arbetar i en cykelprocess och som inte har någon annan effekt än värmeöverföring från en lågtempererad kropp till en högtempererad.	„
–Rudolf Clausius,

Detta födde tanken omreversibla(förlustfria) och irreversibla (verkliga) processer. Stora delar av den tillämpade termodynamiken handlar om att minimera värmeförluster i verkliga irreversibla processer. Detta faktum ledde till ett historiskt viktigt teorem,Clausius olikhet:

$\oint {\frac {\delta Q}{T}}\leq 0.$

Olikheten innebär att för samtliga cykelprocesser sker någon form av värmeförlust, förutom i det reversibla fallet då likhet gäller. Utifrån från detta definieras det centrala begreppetentropiS:

$dS\geq {\frac {\delta Q}{T}}\!$

För en reversibel process kan ekvationen skrivs om så att värmetδQ(en inexakt differential) definieras som storhetenTdS(en exakt differential):

$\delta Q=TdS\,$

Med andra ord underlättar entropifunktionenSkvantifiering och mätning av värmeflöden in och ut ur ett termodynamiskt system.

Tillämpad värmeöverföring

En glödhet järnstav överför huvudsakligen värme till sin omgivning genomvärmestrålning.

Områdetvärmeöverföring,som vanligen ses som en gren avmaskin-ellerkemitekniken,behandlar tillämpande metoder för värmeöverföring. Notera är att termenvärmei sin natur redan implicerar enöverföring,dock används det traditionella begreppetvärmeöverföringfortfarande inom stora delar av tekniken och andra områden. Förståelsen för värmeöverföring är helt avgörande för utformning och drift av termiska processer och maskiner.

Värmeöverföring kan ske genomledning,strålningoch masstransport. Inom tekniken används termenkonvektiv värmeöverföringför att beskriva den kombinerade effekten av ledning och fluidströmning och detta ses ofta som ytterligare en form av värmeöverföring. Ett flertal fysiska lagar har upptäckts och härletts för att beskriva effekten av olika former av värmeöverföring, dock påvisar verkliga system ofta komplexa kombinationer av dessa effekter. Diverse matematiska metoder har tagits fram för att lösa eller uppskatta effekten av värmeöverföring för system.

Begreppsförvirring

Det råder till viss del debatt inom vetenskapen om hur begreppetvärmeska och bör användas.I sin nuvarande form kan användningen av begreppet vara motsägelsefull och ibland rent av missvisande. En studie visade att ett flertal populära läroböcker använde ett språk som innebar flera betydelser av begreppet; att värme är en process för energiöverföring, att det är den överförda energin, att det är en storhet inom systemet, med flera. Studien visade att det inte var ovanligt med flera av dessa varianter i samma text.

Friedrich Herrmann föreslog 2004 att anledningen till begreppsförvirring kan vara en konsekvens av den moderna definitionen av värme som en form av energi, vilket går emot både den historiska och vardagliga synen på värme. Han menar att det värmebegrepp som introducerades avJoseph Blackpå 1700-talet och som i stor utsträckning användes avSadi Carnoti själva verket är vad vi i dag kallarentropi- en inre egenskap som är kopplat till ämnets massa och temperatur, som överförs mellan system med olika temperatur och som kan skapas på många olika sätt men aldrig förstöras. Även den vardagliga synen på värme liknar det tidiga historiska konceptet och närvärmeomdefinierades i termer av energi skapades en begreppsförvirring som ofta lyser igenom även i den moderna fysiken.

Se även

• Arbete
• Kyla
• Spillvärme
• Termodynamik
• Termometer
• Värmedöden
• Värmekraftverk
• Värmeledningsekvationen
• Värmeväxlare

Referenser

Den här artikeln är helt eller delvis baserad på material frånengelskspråkiga Wikipedia,Heat,9 januari 2011.

Allmänna källor

• Çengel, Yunus A.; Turner, R.; Cimbala, J. (2008).Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences(tredje upplagan). McGraw-Hill.ISBN 978-007-126631-4
• Laird, Brian B. (2009).University Chemistry.McGraw-Hill.ISBN 978-0-07-128774-6

Externa länkar

• Samband för konvektiv värmeöverföring– ChE Online Resources(engelska)
• Kvantitativ analys av värme(engelska)