Co to jest ciepło: definicja pojęcia

Spisu treści:

Co to jest ciepło: definicja pojęcia
Co to jest ciepło: definicja pojęcia
Anonim

W fizyce pojęcie „ciepła” wiąże się z przenoszeniem energii cieplnej między różnymi ciałami. W wyniku tych procesów następuje nagrzewanie i schładzanie ciał oraz zmiana ich stanów skupienia. Rozważmy bardziej szczegółowo pytanie, czym jest ciepło.

Koncepcja

Co to jest ciepło? Każdy człowiek może odpowiedzieć na to pytanie z codziennego punktu widzenia, czyli w ramach rozważanej koncepcji odczuć, jakie odczuwa, gdy temperatura otoczenia wzrasta. W fizyce zjawisko to rozumiane jest jako proces przekazywania energii związany ze zmianą intensywności chaotycznego ruchu cząsteczek i atomów tworzących ciało.

Ogólnie rzecz biorąc, możemy powiedzieć, że im wyższa temperatura ciała, tym więcej energii wewnętrznej jest w nim przechowywane i tym więcej ciepła może oddać innym obiektom.

Ciepło i temperatura

Zagregowane stany materii
Zagregowane stany materii

Znając odpowiedź na pytanie, czym jest ciepło, wielu może pomyśleć, że ta koncepcja jest podobna do koncepcji „temperatury”, ale tak nie jest. Ciepło to energia kinetyczna, temperatura jest miarą tegoenergia. Tak więc proces wymiany ciepła zależy od masy substancji, liczby tworzących ją cząstek, a także od rodzaju tych cząstek i średniej prędkości ich ruchu. Z kolei temperatura zależy tylko od ostatniego z wymienionych parametrów.

Różnica między ciepłem a temperaturą jest łatwa do zrozumienia, jeśli przeprowadzisz prosty eksperyment: musisz wlać wodę do dwóch naczyń tak, aby jedno naczynie było pełne, a drugie tylko do połowy. Stawiając oba naczynia do ognia, można zaobserwować, że ten, w którym jest mniej wody, zaczyna wrzeć pierwszy. Aby drugie naczynie mogło się zagotować, będzie potrzebowało trochę więcej ciepła z ognia. Kiedy oba naczynia się zagotują, możesz zmierzyć ich temperaturę, będzie taka sama (100 oC), ale więcej ciepła było potrzebne do zagotowania w nim wody w pełnym naczyniu.

Jednostki grzewcze

zjawiska termiczne
zjawiska termiczne

Zgodnie z definicją ciepła w fizyce można się domyślać, że jest ono mierzone w tych samych jednostkach co energia lub praca, czyli w dżulach (J). Oprócz głównej jednostki ciepła w życiu codziennym często można usłyszeć o kaloriach (kcal). Pojęcie to rozumiane jest jako ilość ciepła, którą należy przekazać jednemu gramowi wody, aby jej temperatura wzrosła o 1 kelwin (K). Jedna kaloria to 4,184 J. Można też usłyszeć o dużych i małych kaloriach, które wynoszą odpowiednio 1 kcal i 1 cal.

Pojęcie pojemności cieplnej

Wiedząc, czym jest ciepło, rozważmy wielkość fizyczną, która bezpośrednio je charakteryzuje - pojemność cieplną. W ramach tej koncepcjifizyka oznacza ilość ciepła, które musi zostać oddane lub odebrane ciału, aby jego temperatura zmieniła się o 1 kelwin (K).

Pojemność cieplna konkretnego ciała zależy od 2 głównych czynników:

  • o składzie chemicznym i stanie skupienia, w jakim prezentowane jest ciało;
  • jego masy.

Aby uniezależnić tę cechę od masy obiektu, w fizyce ciepła wprowadzono inną wielkość - ciepło właściwe, które określa ilość ciepła przekazywanego lub odbieranego przez dane ciało na 1 kg jego masa, gdy temperatura zmieni się o 1 K.

Aby wyraźnie pokazać różnicę w pojemnościach cieplnych właściwych dla różnych substancji, na przykład weź 1 g wody, 1 g żelaza i 1 g oleju słonecznikowego i podgrzej je. Temperatura będzie się zmieniać najszybciej dla próbki żelaza, następnie dla kropli oleju i ostatni dla wody.

Należy zauważyć, że właściwa pojemność cieplna zależy nie tylko od składu chemicznego substancji, ale także od jej stanu skupienia, a także od zewnętrznych warunków fizycznych, w jakich jest rozważana (stałe ciśnienie lub stała objętość).

Główne równanie procesu wymiany ciepła

Przepływ ciepła wewnątrz ciała
Przepływ ciepła wewnątrz ciała

Po ustaleniu, czym jest ciepło, należy podać główne wyrażenie matematyczne charakteryzujące proces jego przenoszenia dla absolutnie dowolnych ciał w dowolnym stanie skupienia. Wyrażenie to ma postać: Q=cmΔT, gdzie Q jest ilością przekazywanego (odebranego) ciepła, c jest ciepłem właściwym danego obiektu, m -jego masa, ΔT jest zmianą temperatury bezwzględnej, która jest definiowana jako różnica temperatur ciała na końcu i na początku procesu wymiany ciepła.

Ważne jest, aby zrozumieć, że powyższy wzór będzie zawsze ważny, gdy podczas rozważanego procesu obiekt zachowa swój stan skupienia, to znaczy pozostanie cieczą, ciałem stałym lub gazem. W przeciwnym razie nie można użyć równania.

Zmiana stanu skupienia materii

Sublimacja suchego lodu
Sublimacja suchego lodu

Jak wiesz, istnieją 3 główne stany skupienia, w których materia może być:

  • gaz;
  • ciecz;
  • ciało stałe.

Aby nastąpiło przejście z jednego stanu do drugiego, konieczne jest, aby ciało informowało lub odbierało mu ciepło. Dla takich procesów w fizyce wprowadzono pojęcia ciepła właściwego topnienia (krystalizacja) i wrzenia (kondensacja). Wszystkie te wielkości określają ilość ciepła potrzebnego do zmiany stanu skupienia, który uwalnia lub pochłania 1 kg masy ciała. Dla tych procesów równanie jest poprawne: Q=Lm, gdzie L jest ciepłem właściwym odpowiedniego przejścia między stanami materii.

Poniżej znajdują się główne cechy procesów zmiany stanu agregacji:

  1. Te procesy zachodzą w stałej temperaturze, takie jak gotowanie lub topienie.
  2. Są odwracalne. Na przykład ilość ciepła, którą dane ciało pochłonęło w celu stopienia będzie dokładnie równa ilości ciepła, które zostanie uwolnione do otoczenia, jeśli to ciało przejdzie ponowniedo stanu stałego.

Równowaga termiczna

Równowaga termiczna
Równowaga termiczna

To kolejna ważna kwestia związana z pojęciem „ciepła”, którą należy wziąć pod uwagę. Jeśli zetknie się dwa ciała o różnych temperaturach, to po pewnym czasie temperatura w całym układzie wyrówna się i stanie się taka sama. Aby osiągnąć równowagę termiczną, ciało o wyższej temperaturze musi oddać ciepło do układu, a ciało o niższej temperaturze musi to ciepło przyjąć. Prawa fizyki ciepła, które opisują ten proces, można wyrazić jako połączenie głównego równania wymiany ciepła i równania określającego zmianę zagregowanego stanu materii (jeśli występuje).

Uderzającym przykładem procesu spontanicznego ustalenia równowagi termicznej jest rozgrzany do czerwoności żelazny pręt wrzucany do wody. W takim przypadku gorące żelazko będzie oddawać ciepło wodzie, aż jej temperatura zrówna się z temperaturą cieczy.

Podstawowe metody wymiany ciepła

Proces konwekcji w powietrzu
Proces konwekcji w powietrzu

Wszystkie znane człowiekowi procesy związane z wymianą energii cieplnej zachodzą na trzy różne sposoby:

  • Przewodność cieplna. Aby wymiana ciepła przebiegała w ten sposób, konieczny jest kontakt między dwoma ciałami o różnych temperaturach. W strefie kontaktu na lokalnym poziomie molekularnym energia kinetyczna jest przenoszona z ciała gorącego do zimnego. Szybkość tego transferu ciepła zależy od zdolności zaangażowanych ciał do przewodzenia ciepła. Uderzającym przykładem przewodności cieplnej jestczłowiek dotyka metalowego pręta.
  • Konwekcja. Proces ten wymaga ruchu materii, dlatego obserwuje się go tylko w cieczach i gazach. Istota konwekcji jest następująca: gdy warstwy gazu lub cieczy nagrzewają się, ich gęstość maleje, a więc mają tendencję do podnoszenia się. Podczas wzrostu objętości cieczy lub gazu przekazują ciepło. Przykładem konwekcji jest proces gotowania wody w czajniku.
  • Promieniowanie. Ten proces wymiany ciepła zachodzi w wyniku emisji promieniowania elektromagnetycznego o różnych częstotliwościach przez ogrzane ciało. Światło słoneczne jest doskonałym przykładem promieniowania.

Zalecana: