Στη φυσική, η έννοια της «θερμότητας» συνδέεται με τη μεταφορά θερμικής ενέργειας μεταξύ διαφορετικών σωμάτων. Λόγω αυτών των διεργασιών, συμβαίνει θέρμανση και ψύξη των σωμάτων, καθώς και αλλαγή στις καταστάσεις συσσώρευσής τους. Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα το ερώτημα του τι είναι θερμότητα.
Έννοια έννοια
Τι είναι η θερμότητα; Κάθε άτομο μπορεί να απαντήσει σε αυτή την ερώτηση από καθημερινή άποψη, εννοώντας κάτω από την υπό εξέταση έννοια τις αισθήσεις που έχει όταν αυξάνεται η θερμοκρασία περιβάλλοντος. Στη φυσική, αυτό το φαινόμενο νοείται ως η διαδικασία μεταφοράς ενέργειας που σχετίζεται με μια αλλαγή στην ένταση της χαοτικής κίνησης των μορίων και των ατόμων που σχηματίζουν το σώμα.
Γενικά, μπορούμε να πούμε ότι όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σώματος, τόσο περισσότερη εσωτερική ενέργεια αποθηκεύεται σε αυτό και τόσο περισσότερη θερμότητα μπορεί να δώσει σε άλλα αντικείμενα.
Ζέστη και θερμοκρασία
Γνωρίζοντας την απάντηση στο ερώτημα τι είναι θερμότητα, πολλοί μπορεί να πιστεύουν ότι αυτή η έννοια μοιάζει με την έννοια της «θερμοκρασίας», αλλά δεν είναι. Η θερμότητα είναι κινητική ενέργεια, η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο αυτούενέργεια. Έτσι, η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας εξαρτάται από τη μάζα της ουσίας, από τον αριθμό των σωματιδίων που την αποτελούν, καθώς και από τον τύπο αυτών των σωματιδίων και τη μέση ταχύτητα της κίνησής τους. Με τη σειρά της, η θερμοκρασία εξαρτάται μόνο από την τελευταία από τις παραμέτρους που αναφέρονται.
Η διαφορά μεταξύ θερμότητας και θερμοκρασίας είναι εύκολο να κατανοηθεί εάν κάνετε ένα απλό πείραμα: πρέπει να ρίξετε νερό σε δύο δοχεία, έτσι ώστε το ένα δοχείο να είναι γεμάτο και το άλλο να γεμίσει μόνο κατά το ήμισυ. Βάζοντας και τα δύο δοχεία στη φωτιά, μπορεί κανείς να παρατηρήσει ότι εκείνο στο οποίο έχει λιγότερο νερό αρχίζει να βράζει πρώτο. Για να βράσει το δεύτερο σκεύος θα χρειαστεί λίγη ακόμα θερμότητα από τη φωτιά. Όταν βράζουν και τα δύο δοχεία, μπορείτε να μετρήσετε τη θερμοκρασία τους, θα είναι η ίδια (100 oC), αλλά χρειαζόταν περισσότερη θερμότητα για να βράσει νερό ένα γεμάτο δοχείο.
Μονάδες θερμότητας
Σύμφωνα με τον ορισμό της θερμότητας στη φυσική, μπορεί κανείς να μαντέψει ότι μετράται στις ίδιες μονάδες με την ενέργεια ή το έργο, δηλαδή σε τζάουλ (J). Εκτός από την κύρια μονάδα θερμότητας, στην καθημερινή ζωή μπορείτε συχνά να ακούσετε για θερμίδες (kcal). Αυτή η έννοια νοείται ως η ποσότητα θερμότητας που πρέπει να μεταφερθεί σε ένα γραμμάριο νερού, ώστε η θερμοκρασία του να αυξηθεί κατά 1 Κέλβιν (Κ). Μία θερμίδα ισούται με 4.184 J. Μπορείτε επίσης να ακούσετε για μεγάλες και μικρές θερμίδες, οι οποίες είναι 1 kcal και 1 θερμίδες, αντίστοιχα.
Η έννοια της θερμοχωρητικότητας
Γνωρίζοντας τι είναι θερμότητα, ας εξετάσουμε ένα φυσικό μέγεθος που το χαρακτηρίζει άμεσα - θερμοχωρητικότητα. Σύμφωνα με αυτήν την έννοια,φυσική σημαίνει την ποσότητα θερμότητας που πρέπει να δοθεί ή να ληφθεί από ένα σώμα προκειμένου η θερμοκρασία του να αλλάξει κατά 1 Kelvin (K).
Η θερμοχωρητικότητα ενός συγκεκριμένου σώματος εξαρτάται από 2 κύριους παράγοντες:
- σχετικά με τη χημική σύνθεση και την κατάσταση συσσωμάτωσης στην οποία παρουσιάζεται το σώμα·
- της μάζας του.
Για να γίνει αυτό το χαρακτηριστικό ανεξάρτητο από τη μάζα ενός αντικειμένου, στη φυσική της θερμότητας εισήχθη μια άλλη ποσότητα - η ειδική θερμοχωρητικότητα, η οποία καθορίζει την ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται ή προσλαμβάνεται από ένα δεδομένο σώμα ανά 1 kg Η μάζα του όταν η θερμοκρασία αλλάζει κατά 1 K.
Για να δείξετε ξεκάθαρα τη διαφορά στις ειδικές θερμοχωρητικότητες για διάφορες ουσίες, για παράδειγμα, πάρτε 1 g νερό, 1 g σίδηρο και 1 g ηλιέλαιο και θερμάντε τα. Η θερμοκρασία θα αλλάξει πιο γρήγορα για το δείγμα σιδήρου, μετά για τη σταγόνα λαδιού και θα διαρκέσει για το νερό.
Σημειώστε ότι η ειδική θερμοχωρητικότητα εξαρτάται όχι μόνο από τη χημική σύσταση της ουσίας, αλλά και από την κατάσταση συσσώρευσής της, καθώς και από τις εξωτερικές φυσικές συνθήκες υπό τις οποίες εξετάζεται (σταθερή πίεση ή σταθερός όγκος).
Η κύρια εξίσωση της διαδικασίας μεταφοράς θερμότητας
Έχοντας ασχοληθεί με το ζήτημα του τι είναι η θερμότητα, θα πρέπει να δοθεί η κύρια μαθηματική έκφραση που χαρακτηρίζει τη διαδικασία μεταφοράς της για απολύτως οποιαδήποτε σώματα σε οποιαδήποτε κατάσταση συσσωμάτωσης. Αυτή η έκφραση έχει τη μορφή: Q=cmΔT, όπου Q είναι η ποσότητα της μεταφερόμενης (λαμβανόμενης) θερμότητας, c είναι η ειδική θερμότητα του εν λόγω αντικειμένου, m -Η μάζα του, ΔT είναι η μεταβολή της απόλυτης θερμοκρασίας, η οποία ορίζεται ως η διαφορά στις θερμοκρασίες του σώματος στο τέλος και στην αρχή της διαδικασίας μεταφοράς θερμότητας.
Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι ο παραπάνω τύπος θα ισχύει πάντα όταν, κατά τη διάρκεια της υπό εξέταση διαδικασίας, το αντικείμενο διατηρεί την κατάσταση συσσωμάτωσης, δηλαδή παραμένει υγρό, στερεό ή αέριο. Διαφορετικά, η εξίσωση δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί.
Αλλαγή στην κατάσταση συσσωμάτωσης της ύλης
Όπως γνωρίζετε, υπάρχουν 3 κύριες συγκεντρωτικές καταστάσεις στις οποίες μπορεί να βρίσκεται η ύλη:
- gas;
- υγρό;
- συμπαγές σώμα.
Για να συμβεί μια μετάβαση από τη μια κατάσταση στην άλλη, είναι απαραίτητο το σώμα να το ενημερώσει ή να αφαιρέσει τη θερμότητα από αυτό. Για τέτοιες διεργασίες στη φυσική, εισήχθησαν οι έννοιες των ειδικών θερμοτήτων τήξης (κρυστάλλωση) και βρασμού (συμπύκνωση). Όλες αυτές οι ποσότητες καθορίζουν την ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για την αλλαγή της κατάστασης συσσώρευσης, η οποία απελευθερώνει ή απορροφά 1 κιλό σωματικού βάρους. Για αυτές τις διαδικασίες, ισχύει η εξίσωση: Q=Lm, όπου L είναι η ειδική θερμότητα της αντίστοιχης μετάβασης μεταξύ των καταστάσεων της ύλης.
Ακολουθούν τα κύρια χαρακτηριστικά των διαδικασιών αλλαγής της κατάστασης συγκέντρωσης:
- Αυτές οι διεργασίες λαμβάνουν χώρα σε σταθερή θερμοκρασία, όπως βρασμό ή τήξη.
- Είναι αναστρέψιμα. Για παράδειγμα, η ποσότητα θερμότητας που απορροφά ένα δεδομένο σώμα για να λιώσει θα είναι ακριβώς ίση με την ποσότητα θερμότητας που θα απελευθερωθεί στο περιβάλλον εάν αυτό το σώμα περάσει ξανάσε στερεή κατάσταση.
Θερμική ισορροπία
Αυτό είναι ένα άλλο σημαντικό θέμα που σχετίζεται με την έννοια της «ζεστασιάς» που πρέπει να εξεταστεί. Εάν δύο σώματα με διαφορετικές θερμοκρασίες έρθουν σε επαφή, τότε μετά από λίγο η θερμοκρασία σε ολόκληρο το σύστημα θα εξισωθεί και θα γίνει η ίδια. Για να επιτευχθεί θερμική ισορροπία, ένα σώμα με υψηλότερη θερμοκρασία πρέπει να εκπέμψει θερμότητα στο σύστημα και ένα σώμα με χαμηλότερη θερμοκρασία πρέπει να δεχτεί αυτή τη θερμότητα. Οι νόμοι της φυσικής θερμότητας που περιγράφουν αυτή τη διαδικασία μπορούν να εκφραστούν ως συνδυασμός της κύριας εξίσωσης μεταφοράς θερμότητας και της εξίσωσης που καθορίζει τη μεταβολή της αθροιστικής κατάστασης της ύλης (εάν υπάρχει).
Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα της διαδικασίας της αυθόρμητης δημιουργίας θερμικής ισορροπίας είναι μια καυτή σιδερένια ράβδος που πετιέται στο νερό. Σε αυτή την περίπτωση, το καυτό σίδερο θα εκπέμψει θερμότητα στο νερό έως ότου η θερμοκρασία του γίνει ίση με τη θερμοκρασία του υγρού.
Βασικές μέθοδοι μεταφοράς θερμότητας
Όλες οι διαδικασίες που είναι γνωστές στον άνθρωπο που συνοδεύουν την ανταλλαγή θερμικής ενέργειας συμβαίνουν με τρεις διαφορετικούς τρόπους:
- Θερμική αγωγιμότητα. Για να γίνει η ανταλλαγή θερμότητας με αυτόν τον τρόπο, είναι απαραίτητη η επαφή μεταξύ δύο σωμάτων με διαφορετικές θερμοκρασίες. Στη ζώνη επαφής σε τοπικό μοριακό επίπεδο, η κινητική ενέργεια μεταφέρεται από ένα θερμό σώμα σε ένα ψυχρό. Ο ρυθμός αυτής της μεταφοράς θερμότητας εξαρτάται από την ικανότητα των εμπλεκόμενων σωμάτων να μεταφέρουν τη θερμότητα. Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα θερμικής αγωγιμότητας είναιάνθρωπος που αγγίζει μια μεταλλική ράβδο.
- Συναγωγή. Αυτή η διαδικασία απαιτεί την κίνηση της ύλης, επομένως παρατηρείται μόνο σε υγρά και αέρια. Η ουσία της μεταφοράς είναι η εξής: όταν θερμαίνονται τα στρώματα αερίου ή υγρού, η πυκνότητά τους μειώνεται, επομένως τείνουν να ανεβαίνουν. Κατά την αύξηση του όγκου τους σε υγρό ή αέριο, μεταφέρουν θερμότητα. Ένα παράδειγμα μεταφοράς είναι η διαδικασία βρασμού νερού σε βραστήρα.
- Ακτινοβολία. Αυτή η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας συμβαίνει λόγω της εκπομπής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας διαφόρων συχνοτήτων από ένα θερμαινόμενο σώμα. Το φως του ήλιου είναι χαρακτηριστικό παράδειγμα ακτινοβολίας.
