Όλες οι ουσίες έχουν εσωτερική ενέργεια. Αυτή η τιμή χαρακτηρίζεται από μια σειρά φυσικών και χημικών ιδιοτήτων, μεταξύ των οποίων πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στη θερμότητα. Αυτή η ποσότητα είναι μια αφηρημένη μαθηματική τιμή που περιγράφει τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων μιας ουσίας. Η κατανόηση του μηχανισμού ανταλλαγής θερμότητας μπορεί να βοηθήσει στην απάντηση στο ερώτημα πόση θερμότητα απελευθερώθηκε κατά την ψύξη και τη θέρμανση των ουσιών, καθώς και κατά την καύση τους.
Ιστορία της ανακάλυψης του φαινομένου της θερμότητας
Αρχικά, το φαινόμενο της μεταφοράς θερμότητας περιγράφηκε πολύ απλά και ξεκάθαρα: αν η θερμοκρασία μιας ουσίας αυξάνεται, λαμβάνει θερμότητα και στην περίπτωση ψύξης, την απελευθερώνει στο περιβάλλον. Ωστόσο, η θερμότητα δεν είναι αναπόσπαστο μέρος του υπό εξέταση υγρού ή σώματος, όπως πίστευαν πριν από τρεις αιώνες. Οι άνθρωποι πίστευαν αφελώς ότι η ύλη αποτελείται από δύο μέρη: τα δικά της μόρια και τη θερμότητα. Τώρα, λίγοι άνθρωποι θυμούνται ότι ο όρος "θερμοκρασία" στα λατινικά σημαίνει "μίγμα" και, για παράδειγμα, μιλούσαν για τον μπρούντζο ως "τη θερμοκρασία του κασσίτερου και του χαλκού."
Τον 17ο αιώνα, εμφανίστηκαν δύο υποθέσεις ότιμπορούσε να εξηγήσει ξεκάθαρα το φαινόμενο της μεταφοράς θερμότητας και θερμότητας. Το πρώτο προτάθηκε το 1613 από τον Γαλιλαίο. Η διατύπωσή του ήταν: «Η θερμότητα είναι μια ασυνήθιστη ουσία που μπορεί να διεισδύσει μέσα και έξω από οποιοδήποτε σώμα». Ο Γαλιλαίος ονόμασε αυτή την ουσία θερμιδική. Υποστήριξε ότι οι θερμίδες δεν μπορούν να εξαφανιστούν ή να καταρρεύσουν, αλλά μπορούν μόνο να περάσουν από το ένα σώμα στο άλλο. Αντίστοιχα, όσο πιο θερμιδική είναι η ουσία, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία της.
Η δεύτερη υπόθεση εμφανίστηκε το 1620 και προτάθηκε από τον φιλόσοφο Μπέικον. Παρατήρησε ότι κάτω από τα δυνατά χτυπήματα του σφυριού το σίδερο θερμάνθηκε. Αυτή η αρχή λειτούργησε επίσης όταν ανάβει μια φωτιά με τριβή, η οποία οδήγησε τον Bacon να σκεφτεί τη μοριακή φύση της θερμότητας. Υποστήριξε ότι όταν ένα σώμα επηρεάζεται μηχανικά, τα μόριά του αρχίζουν να χτυπούν μεταξύ τους, αυξάνουν την ταχύτητα της κίνησης και ως εκ τούτου αυξάνουν τη θερμοκρασία.
Το αποτέλεσμα της δεύτερης υπόθεσης ήταν το συμπέρασμα ότι η θερμότητα είναι το αποτέλεσμα της μηχανικής δράσης των μορίων μιας ουσίας μεταξύ τους. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, ο Lomonosov προσπάθησε να τεκμηριώσει και να αποδείξει πειραματικά αυτή τη θεωρία.
Η θερμότητα είναι ένα μέτρο της εσωτερικής ενέργειας της ύλης
Οι σύγχρονοι επιστήμονες έχουν καταλήξει στο εξής συμπέρασμα: η θερμική ενέργεια είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των μορίων της ουσίας, δηλαδή της εσωτερικής ενέργειας του σώματος. Η ταχύτητα κίνησης των σωματιδίων εξαρτάται από τη θερμοκρασία και η ποσότητα της θερμότητας είναι ευθέως ανάλογη με τη μάζα της ουσίας. Έτσι, ένας κουβάς με νερό έχει περισσότερη θερμική ενέργεια από ένα γεμάτο φλιτζάνι. Ωστόσο, ένα πιατάκι με ζεστό υγρόμπορεί να έχει λιγότερη ζεστασιά από μια κρύα λεκάνη.
Η θεωρία των θερμίδων, η οποία προτάθηκε τον 17ο αιώνα από τον Galileo, διαψεύστηκε από τους επιστήμονες J. Joule και B. Rumford. Απέδειξαν ότι η θερμική ενέργεια δεν έχει μάζα και χαρακτηρίζεται αποκλειστικά από τη μηχανική κίνηση των μορίων.
Πόση θερμότητα θα απελευθερωθεί κατά την καύση μιας ουσίας; Ειδική θερμογόνος δύναμη
Σήμερα, η τύρφη, το πετρέλαιο, ο άνθρακας, το φυσικό αέριο ή το ξύλο είναι καθολικές και ευρέως χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας. Όταν καίγονται αυτές οι ουσίες, απελευθερώνεται μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας, η οποία χρησιμοποιείται για θέρμανση, μηχανισμούς εκκίνησης κ.λπ. Πώς μπορεί να υπολογιστεί αυτή η τιμή στην πράξη;
Για αυτό, εισάγεται η έννοια της ειδικής θερμότητας καύσης. Αυτή η τιμή εξαρτάται από την ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται κατά την καύση 1 kg μιας συγκεκριμένης ουσίας. Συμβολίζεται με το γράμμα q και μετριέται σε J / kg. Παρακάτω είναι ένας πίνακας τιμών q για μερικά από τα πιο κοινά καύσιμα.
Όταν κατασκευάζει και υπολογίζει κινητήρες, ένας μηχανικός πρέπει να γνωρίζει πόση θερμότητα θα απελευθερωθεί όταν καεί μια συγκεκριμένη ποσότητα ουσίας. Για να το κάνετε αυτό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε έμμεσες μετρήσεις χρησιμοποιώντας τον τύπο Q=qm, όπου Q είναι η θερμότητα καύσης της ουσίας, q είναι η ειδική θερμότητα καύσης (τιμή πίνακα) και m είναι η δεδομένη μάζα.
Ο σχηματισμός θερμότητας κατά την καύση βασίζεται στο φαινόμενο της απελευθέρωσης ενέργειας κατά το σχηματισμό χημικών δεσμών. Το πιο απλό παράδειγμα είναι η καύση άνθρακα, που περιέχεταισε κάθε τύπο σύγχρονου καυσίμου. Ο άνθρακας καίγεται παρουσία ατμοσφαιρικού αέρα και ενώνεται με το οξυγόνο για να σχηματίσει διοξείδιο του άνθρακα. Ο σχηματισμός ενός χημικού δεσμού προχωρά με την απελευθέρωση θερμικής ενέργειας στο περιβάλλον και ο άνθρωπος έχει προσαρμοστεί να χρησιμοποιεί αυτή την ενέργεια για τους δικούς του σκοπούς.
Δυστυχώς, η αλόγιστη κατανάλωση τέτοιων πολύτιμων πόρων όπως το πετρέλαιο ή η τύρφη μπορεί σύντομα να οδηγήσει στην εξάντληση των πηγών για την παραγωγή αυτών των καυσίμων. Ήδη σήμερα εμφανίζονται ηλεκτρικές συσκευές ακόμα και νέα μοντέλα αυτοκινήτων, η λειτουργία των οποίων βασίζεται σε εναλλακτικές πηγές ενέργειας όπως το ηλιακό φως, το νερό ή η ενέργεια του φλοιού της γης.
Μεταφορά θερμότητας
Η ικανότητα ανταλλαγής θερμικής ενέργειας μέσα σε ένα σώμα ή από το ένα σώμα στο άλλο ονομάζεται μεταφορά θερμότητας. Αυτό το φαινόμενο δεν συμβαίνει αυθόρμητα και εμφανίζεται μόνο με διαφορά θερμοκρασίας. Στην απλούστερη περίπτωση, η θερμική ενέργεια μεταφέρεται από ένα θερμότερο σώμα σε ένα λιγότερο θερμαινόμενο σώμα μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία.
Τα σώματα δεν χρειάζεται να έρχονται σε επαφή για να συμβεί το φαινόμενο της μεταφοράς θερμότητας. Σε κάθε περίπτωση, η αποκατάσταση της ισορροπίας μπορεί επίσης να συμβεί σε μικρή απόσταση μεταξύ των υπό εξέταση αντικειμένων, αλλά με μικρότερη ταχύτητα από ό,τι όταν έρχονται σε επαφή.
Η μεταφορά θερμότητας μπορεί να χωριστεί σε τρεις τύπους:
1. Θερμική αγωγιμότητα.
2. Συναγωγή.
3. Ανταλλαγή ακτινοβολίας.
Θερμική αγωγιμότητα
Αυτό το φαινόμενο βασίζεται στη μεταφορά θερμικής ενέργειας μεταξύ ατόμων ή μορίων ύλης. Αιτίαμετάδοση - η χαοτική κίνηση των μορίων και η συνεχής σύγκρουσή τους. Λόγω αυτού, η θερμότητα περνά από το ένα μόριο στο άλλο κατά μήκος της αλυσίδας.
Το φαινόμενο της θερμικής αγωγιμότητας μπορεί να παρατηρηθεί όταν οποιοδήποτε υλικό σιδήρου πυρώνεται, όταν η ερυθρότητα στην επιφάνεια εξαπλώνεται ομαλά και σταδιακά εξασθενεί (ένα ορισμένο ποσό θερμότητας απελευθερώνεται στο περιβάλλον).
F. Ο Fourier εξήγαγε έναν τύπο για τη ροή θερμότητας, ο οποίος συγκέντρωσε όλες τις ποσότητες που επηρεάζουν τον βαθμό θερμικής αγωγιμότητας μιας ουσίας (βλ. παρακάτω σχήμα).
Σε αυτόν τον τύπο, Q/t είναι η ροή θερμότητας, λ είναι ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, S είναι το εμβαδόν διατομής, T/X είναι ο λόγος της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των άκρων του σώματος που βρίσκονται στο μια ορισμένη απόσταση.
Η θερμική αγωγιμότητα είναι μια τιμή πίνακα. Είναι πρακτικής σημασίας κατά τη μόνωση ενός κτιρίου κατοικιών ή τη θερμομόνωση εξοπλισμού.
Μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας
Ένας άλλος τρόπος μεταφοράς θερμότητας, που βασίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η διαφορά του από τη μεταφορά και τη θερμική αγωγιμότητα έγκειται στο γεγονός ότι η μεταφορά ενέργειας μπορεί επίσης να συμβεί στο χώρο κενού. Ωστόσο, όπως και στην πρώτη περίπτωση, απαιτείται διαφορά θερμοκρασίας.
Η ανταλλαγή ακτινοβολίας είναι ένα παράδειγμα μεταφοράς θερμικής ενέργειας από τον Ήλιο στην επιφάνεια της Γης, η οποία είναι κυρίως υπεύθυνη για την υπέρυθρη ακτινοβολία. Για να προσδιοριστεί πόση θερμότητα φτάνει στην επιφάνεια της γης, έχουν κατασκευαστεί πολυάριθμοι σταθμοί, οι οποίοιπαρακολουθήστε την αλλαγή σε αυτόν τον δείκτη.
Συναγωγή
Η συναγωγική κίνηση των ροών αέρα σχετίζεται άμεσα με το φαινόμενο της μεταφοράς θερμότητας. Ανεξάρτητα από το πόση θερμότητα μεταδώσαμε σε ένα υγρό ή αέριο, τα μόρια της ουσίας αρχίζουν να κινούνται πιο γρήγορα. Εξαιτίας αυτού, η πίεση ολόκληρου του συστήματος μειώνεται και ο όγκος, αντίθετα, αυξάνεται. Αυτός είναι ο λόγος για την κίνηση των ρευμάτων θερμού αέρα ή άλλων αερίων προς τα πάνω.
Το απλούστερο παράδειγμα χρήσης του φαινομένου της μεταφοράς στην καθημερινή ζωή μπορεί να ονομαστεί θέρμανση ενός δωματίου με μπαταρίες. Βρίσκονται στο κάτω μέρος του δωματίου για κάποιο λόγο, αλλά έτσι ώστε ο θερμαινόμενος αέρας να έχει χώρο να ανέβει, γεγονός που οδηγεί στην κυκλοφορία των ροών γύρω από το δωμάτιο.
Πώς μπορεί να μετρηθεί η θερμότητα;
Η θερμότητα της θέρμανσης ή της ψύξης υπολογίζεται μαθηματικά χρησιμοποιώντας μια ειδική συσκευή - ένα θερμιδόμετρο. Η εγκατάσταση αντιπροσωπεύεται από ένα μεγάλο θερμομονωμένο δοχείο γεμάτο με νερό. Ένα θερμόμετρο χαμηλώνει στο υγρό για να μετρήσει την αρχική θερμοκρασία του μέσου. Στη συνέχεια, ένα θερμαινόμενο σώμα χαμηλώνεται στο νερό για να υπολογιστεί η μεταβολή της θερμοκρασίας του υγρού αφού επιτευχθεί ισορροπία.
Αυξάνοντας ή μειώνοντας το t, το περιβάλλον καθορίζει πόση θερμότητα πρέπει να δαπανηθεί για τη θέρμανση του σώματος. Το θερμιδόμετρο είναι η απλούστερη συσκευή που μπορεί να καταγράψει αλλαγές θερμοκρασίας.
Επίσης, χρησιμοποιώντας ένα θερμιδόμετρο, μπορείτε να υπολογίσετε πόση θερμότητα θα απελευθερωθεί κατά την καύσηουσίες. Για να γίνει αυτό, μια "βόμβα" τοποθετείται σε ένα δοχείο γεμάτο με νερό. Αυτή η «βόμβα» είναι ένα κλειστό δοχείο στο οποίο βρίσκεται η υπό δοκιμή ουσία. Σε αυτό συνδέονται ειδικά ηλεκτρόδια για εμπρησμό και ο θάλαμος γεμίζει με οξυγόνο. Μετά την πλήρη καύση της ουσίας, καταγράφεται μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού.
Κατά τη διάρκεια τέτοιων πειραμάτων, διαπιστώθηκε ότι οι πηγές θερμικής ενέργειας είναι οι χημικές και οι πυρηνικές αντιδράσεις. Οι πυρηνικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στα βαθιά στρώματα της Γης, αποτελώντας το κύριο απόθεμα θερμότητας για ολόκληρο τον πλανήτη. Χρησιμοποιούνται επίσης από τον άνθρωπο για την παραγωγή ενέργειας μέσω της πυρηνικής σύντηξης.
Παραδείγματα χημικών αντιδράσεων είναι η καύση ουσιών και η διάσπαση πολυμερών σε μονομερή στο ανθρώπινο πεπτικό σύστημα. Η ποιότητα και η ποσότητα των χημικών δεσμών σε ένα μόριο καθορίζει πόση θερμότητα απελευθερώνεται τελικά.
Πώς μετριέται η θερμότητα;
Η μονάδα θερμότητας στο διεθνές σύστημα SI είναι το τζάουλ (J). Επίσης στην καθημερινή ζωή χρησιμοποιούνται μονάδες εκτός συστήματος - θερμίδες. 1 θερμίδα ισούται με 4,1868 J σύμφωνα με το διεθνές πρότυπο και 4,184 J με βάση τη θερμοχημεία. Παλαιότερα, υπήρχε ένα btu btu, το οποίο σπάνια χρησιμοποιείται από επιστήμονες. 1 BTU=1,055 J.
