Wszystkie substancje mają energię wewnętrzną. Wartość ta charakteryzuje się szeregiem właściwości fizykochemicznych, wśród których na szczególną uwagę zasługuje ciepło. Ta wielkość jest abstrakcyjną wartością matematyczną opisującą siły oddziaływania między cząsteczkami substancji. Zrozumienie mechanizmu wymiany ciepła może pomóc odpowiedzieć na pytanie, ile ciepła zostało uwolnione podczas chłodzenia i ogrzewania substancji, a także ich spalania.
Historia odkrycia zjawiska ciepła
Początkowo zjawisko wymiany ciepła zostało opisane bardzo prosto i przejrzyście: jeśli temperatura substancji wzrasta, to odbiera ona ciepło, a w przypadku chłodzenia oddaje je do otoczenia. Jednak ciepło nie jest integralną częścią rozważanej cieczy lub ciała, jak sądzono trzy wieki temu. Ludzie naiwnie wierzyli, że materia składa się z dwóch części: własnych cząsteczek i ciepła. Teraz niewiele osób pamięta, że termin „temperatura” po łacinie oznacza „mieszaninę” i na przykład mówili o brązie jako o „temperaturze cyny i miedzi”.
W XVII wieku pojawiły się dwie hipotezy, żepotrafił jasno wyjaśnić zjawisko wymiany ciepła i ciepła. Pierwszą zaproponował w 1613 r. Galileusz. Jego sformułowanie brzmiało: „Ciepło jest niezwykłą substancją, która może przenikać do i z każdego ciała”. Galileusz nazwał tę substancję kaloryczną. Twierdził, że kaloryczność nie może zniknąć ani spaść, a jedynie może przechodzić z jednego ciała do drugiego. W związku z tym im bardziej kaloryczna substancja, tym wyższa jej temperatura.
Druga hipoteza pojawiła się w 1620 roku i została zaproponowana przez filozofa Bacona. Zauważył, że pod silnymi uderzeniami młotka żelazo się nagrzewało. Zasada ta działała również podczas rozpalania ognia przez tarcie, co skłoniło Bacona do myślenia o molekularnej naturze ciepła. Twierdził, że kiedy ciało jest mechanicznie dotknięte, jego cząsteczki zaczynają uderzać o siebie, zwiększają prędkość ruchu, a tym samym podnoszą temperaturę.
Wynikiem drugiej hipotezy był wniosek, że ciepło jest wynikiem mechanicznego oddziaływania cząsteczek substancji na siebie. Przez długi czas Łomonosow próbował uzasadnić i eksperymentalnie udowodnić tę teorię.
Ciepło jest miarą wewnętrznej energii materii
Współcześni naukowcy doszli do następującego wniosku: energia cieplna jest wynikiem interakcji cząsteczek substancji, czyli energii wewnętrznej ciała. Szybkość ruchu cząstek zależy od temperatury, a ilość ciepła jest wprost proporcjonalna do masy substancji. Tak więc wiadro wody ma więcej energii cieplnej niż napełniony kubek. Jednak spodek gorącego płynumoże mieć mniej ciepła niż zimna umywalka.
Teoria kaloryczności, zaproponowana w XVII wieku przez Galileusza, została odrzucona przez naukowców J. Joule'a i B. Rumforda. Udowodnili, że energia cieplna nie ma masy i charakteryzuje się wyłącznie ruchem mechanicznym molekuł.
Ile ciepła zostanie uwolnione podczas spalania substancji? Konkretna wartość opałowa
Dziś torf, ropa naftowa, węgiel, gaz ziemny czy drewno są uniwersalnymi i szeroko stosowanymi źródłami energii. Podczas spalania tych substancji uwalniana jest pewna ilość ciepła, która jest wykorzystywana do ogrzewania, uruchamiania mechanizmów itp. Jak w praktyce obliczyć tę wartość?
W tym celu wprowadzono pojęcie ciepła właściwego spalania. Wartość ta zależy od ilości ciepła uwalnianego podczas spalania 1 kg danej substancji. Jest oznaczony literą q i mierzony w J / kg. Poniżej znajduje się tabela wartości q dla niektórych z najpopularniejszych paliw.
Podczas budowania i obliczania silników inżynier musi wiedzieć, ile ciepła zostanie uwolnione po spaleniu określonej ilości substancji. W tym celu można wykorzystać pomiary pośrednie za pomocą wzoru Q=qm, gdzie Q to ciepło spalania substancji, q to ciepło właściwe spalania (wartość z tabeli), a m to podana masa.
Tworzenie ciepła podczas spalania opiera się na zjawisku uwalniania energii podczas tworzenia wiązań chemicznych. Najprostszym przykładem jest spalanie węgla, który jest zawartyw każdym rodzaju nowoczesnego paliwa. Węgiel spala się w obecności powietrza atmosferycznego i łączy się z tlenem, tworząc dwutlenek węgla. Powstawanie wiązania chemicznego następuje wraz z uwolnieniem energii cieplnej do otoczenia, a człowiek przystosował się do wykorzystywania tej energii do własnych celów.
Niestety bezmyślne wydawanie tak cennych zasobów jak ropa czy torf może wkrótce doprowadzić do wyczerpania źródeł produkcji tych paliw. Już dziś pojawiają się urządzenia elektryczne, a nawet nowe modele samochodów, których działanie opiera się na alternatywnych źródłach energii, takich jak światło słoneczne, woda czy energia skorupy ziemskiej.
Przenoszenie ciepła
Zdolność do wymiany energii cieplnej w ciele lub z jednego ciała do drugiego nazywana jest przenoszeniem ciepła. Zjawisko to nie występuje samoistnie i występuje tylko przy różnicy temperatur. W najprostszym przypadku energia cieplna jest przenoszona z cieplejszego ciała do mniej nagrzanego ciała, aż do ustalenia się równowagi.
Ciała nie muszą mieć kontaktu, aby mogło wystąpić zjawisko wymiany ciepła. W każdym razie ustanowienie równowagi może również nastąpić w niewielkiej odległości między rozważanymi obiektami, ale z mniejszą prędkością niż w przypadku ich kontaktu.
Przenikanie ciepła można podzielić na trzy typy:
1. Przewodność cieplna.
2. Konwekcja.
3. Wymiana promienista.
Przewodność cieplna
Zjawisko to opiera się na przenoszeniu energii cieplnej między atomami lub cząsteczkami materii. Przyczynatransmisja - chaotyczny ruch cząsteczek i ich ciągłe zderzenia. Dzięki temu ciepło przechodzi z jednej cząsteczki do drugiej wzdłuż łańcucha.
Zjawisko przewodnictwa cieplnego można zaobserwować, gdy dowolny materiał żelazny jest kalcynowany, kiedy zaczerwienienie na powierzchni rozprzestrzenia się gładko i stopniowo zanika (pewna ilość ciepła jest uwalniana do otoczenia).
F. Fourier wyprowadził wzór na przepływ ciepła, który zebrał wszystkie wielkości wpływające na stopień przewodności cieplnej substancji (patrz rysunek poniżej).
W tym wzorze Q/t to strumień ciepła, λ to współczynnik przewodzenia ciepła, S to pole przekroju poprzecznego, T/X to stosunek różnicy temperatur między końcami korpusu umieszczonymi w pewnej odległości.
Przewodność cieplna jest wartością tabelaryczną. Ma to praktyczne znaczenie przy ocieplaniu budynku mieszkalnego lub termoizolacji urządzeń.
Promieniowanie cieplne
Kolejny sposób przekazywania ciepła, który opiera się na zjawisku promieniowania elektromagnetycznego. Jego różnica w stosunku do konwekcji i przewodzenia ciepła polega na tym, że transfer energii może zachodzić również w przestrzeni próżniowej. Jednak, podobnie jak w pierwszym przypadku, wymagana jest różnica temperatur.
Wymiana promienista jest przykładem przenoszenia energii cieplnej ze Słońca na powierzchnię Ziemi, która odpowiada głównie za promieniowanie podczerwone. Aby określić, ile ciepła dociera do powierzchni ziemi, zbudowano liczne stacje, któremonitoruj zmianę tego wskaźnika.
Konwekcja
Konwekcyjny ruch strumieni powietrza jest bezpośrednio związany ze zjawiskiem wymiany ciepła. Bez względu na to, ile ciepła oddaliśmy cieczy lub gazowi, cząsteczki substancji zaczynają poruszać się szybciej. Z tego powodu ciśnienie w całym systemie spada, a objętość, przeciwnie, wzrasta. To jest powód ruchu prądów ciepłego powietrza lub innych gazów w górę.
Najprostszy przykład wykorzystania zjawiska konwekcji w życiu codziennym można nazwać ogrzewaniem pokoju bateriami. Nie bez powodu znajdują się na dole pomieszczenia, ale po to, aby ogrzane powietrze miało miejsce do unoszenia się, co prowadzi do cyrkulacji strumieni wokół pomieszczenia.
Jak można zmierzyć ciepło?
Ciepło ogrzewania lub chłodzenia jest obliczane matematycznie za pomocą specjalnego urządzenia - kalorymetru. Instalację reprezentuje duży izolowany termicznie zbiornik wypełniony wodą. Do cieczy zanurza się termometr, aby zmierzyć początkową temperaturę medium. Następnie ogrzane ciało zanurza się w wodzie, aby obliczyć zmianę temperatury cieczy po ustaleniu równowagi.
Zwiększając lub zmniejszając t, środowisko określa, ile ciepła należy wydać na ogrzanie ciała. Kalorymetr to najprostsze urządzenie, które może rejestrować zmiany temperatury.
Również za pomocą kalorymetru można obliczyć, ile ciepła zostanie uwolnione podczas spalaniaSubstancje. Aby to zrobić, „bombę” umieszcza się w naczyniu wypełnionym wodą. Ta „bomba” to zamknięte naczynie, w którym znajduje się badana substancja. Podłączone są do niego specjalne elektrody do podpalania, a komora jest wypełniona tlenem. Po całkowitym spaleniu substancji rejestrowana jest zmiana temperatury wody.
W trakcie takich eksperymentów ustalono, że źródłem energii cieplnej są reakcje chemiczne i jądrowe. Reakcje jądrowe zachodzą w głębokich warstwach Ziemi, tworząc główny zapas ciepła dla całej planety. Są również wykorzystywane przez ludzi do wytwarzania energii poprzez fuzję jądrową.
Przykłady reakcji chemicznych to spalanie substancji i rozpad polimerów na monomery w układzie pokarmowym człowieka. Jakość i ilość wiązań chemicznych w cząsteczce określa, ile ciepła zostanie ostatecznie uwolnione.
Jak mierzone jest ciepło?
Jednostką ciepła w międzynarodowym układzie SI jest dżul (J). Również w życiu codziennym używane są jednostki pozasystemowe - kalorie. 1 kaloria to 4,1868 J zgodnie z międzynarodowym standardem i 4,184 J w oparciu o termochemię. Wcześniej istniało btu btu, które jest rzadko używane przez naukowców. 1 BTU=1,055 J.
