Toate substanțele au energie internă. Această valoare este caracterizată de o serie de proprietăți fizice și chimice, printre care o atenție deosebită trebuie acordată căldurii. Această cantitate este o valoare matematică abstractă care descrie forțele de interacțiune dintre moleculele unei substanțe. Înțelegerea mecanismului schimbului de căldură poate ajuta la răspunsul la întrebarea despre cât de multă căldură a fost eliberată în timpul răcirii și încălzirii substanțelor, precum și la arderea acestora.
Istoria descoperirii fenomenului căldurii
Inițial, fenomenul de transfer de căldură a fost descris foarte simplu și clar: dacă temperatura unei substanțe crește, aceasta primește căldură, iar în cazul răcirii, o eliberează în mediu. Cu toate acestea, căldura nu este o parte integrantă a lichidului sau a corpului luat în considerare, așa cum se credea cu trei secole în urmă. Oamenii credeau naiv că materia constă din două părți: propriile sale molecule și căldură. Acum, puțini oameni își amintesc că termenul „temperatură” în latină înseamnă „amestec” și, de exemplu, au vorbit despre bronz ca fiind „temperatura staniului și a cuprului”.
În secolul al XVII-lea au apărut două ipoteze căar putea explica clar fenomenul de căldură și transfer de căldură. Prima a fost propusă în 1613 de Galileo. Formularea lui a fost: „Căldura este o substanță neobișnuită care poate pătrunde în și din orice corp”. Galileo a numit această substanță calorică. El a susținut că caloriile nu pot să dispară sau să se prăbușească, ci sunt doar capabile să treacă de la un corp la altul. În consecință, cu cât substanța conține mai multe calorii, cu atât temperatura acesteia este mai mare.
A doua ipoteză a apărut în 1620 și a fost propusă de filozoful Bacon. A observat că sub loviturile puternice ale ciocanului, fierul se încingea. Acest principiu a funcționat și la aprinderea unui foc prin frecare, ceea ce l-a determinat pe Bacon să se gândească la natura moleculară a căldurii. El a susținut că atunci când un corp este afectat mecanic, moleculele sale încep să se bată unele împotriva altora, cresc viteza de mișcare și, prin urmare, ridică temperatura.
Rezultatul celei de-a doua ipoteze a fost concluzia că căldura este rezultatul acțiunii mecanice a moleculelor unei substanțe între ele. Pentru o perioadă lungă de timp, Lomonosov a încercat să fundamenteze și să demonstreze experimental această teorie.
Căldura este o măsură a energiei interne a materiei
Oamenii de știință moderni au ajuns la următoarea concluzie: energia termică este rezultatul interacțiunii moleculelor de substanță, adică energia internă a corpului. Viteza de mișcare a particulelor depinde de temperatură, iar cantitatea de căldură este direct proporțională cu masa substanței. Deci, o găleată cu apă are mai multă energie termică decât o cană plină. Cu toate acestea, o farfurie cu lichid fierbintepoate avea mai puțină căldură decât un bazin rece.
Teoria caloricului, care a fost propusă în secolul al XVII-lea de Galileo, a fost respinsă de oamenii de știință J. Joule și B. Rumford. Ei au demonstrat că energia termică nu are nicio masă și este caracterizată exclusiv de mișcarea mecanică a moleculelor.
Câtă căldură va fi eliberată în timpul arderii unei substanțe? Valoare calorică specifică
Astăzi, turba, petrolul, cărbunele, gazul natural sau lemnul sunt surse de energie universale și utilizate pe scară largă. Când aceste substanțe sunt arse, se eliberează o anumită cantitate de căldură, care este folosită pentru încălzire, mecanisme de pornire etc. Cum se poate calcula această valoare în practică?
Pentru aceasta, este introdus conceptul de căldură specifică de ardere. Această valoare depinde de cantitatea de căldură care este eliberată în timpul arderii a 1 kg dintr-o anumită substanță. Se notează cu litera q și se măsoară în J/kg. Mai jos este un tabel cu valorile q pentru unii dintre cei mai obișnuiți combustibili.
Când construiește și calculează motoare, un inginer trebuie să știe câtă căldură va fi eliberată atunci când o anumită cantitate de substanță este arsă. Pentru a face acest lucru, puteți utiliza măsurători indirecte folosind formula Q=qm, unde Q este căldura de ardere a substanței, q este căldura specifică de ardere (valoarea tabelului) și m este masa dată.
Formarea căldurii în timpul arderii se bazează pe fenomenul de eliberare de energie în timpul formării legăturilor chimice. Cel mai simplu exemplu este arderea carbonului, care este conținutîn orice tip de combustibil modern. Carbonul arde în prezența aerului atmosferic și se combină cu oxigenul pentru a forma dioxid de carbon. Formarea unei legături chimice are loc cu eliberarea de energie termică în mediu, iar omul s-a adaptat să folosească această energie în propriile scopuri.
Din păcate, cheltuirea nepăsătoare a unor resurse atât de valoroase precum petrolul sau turba poate duce în curând la epuizarea surselor pentru producerea acestor combustibili. Deja astăzi apar aparate electrice și chiar noi modele de mașini, a căror funcționare se bazează pe surse alternative de energie precum lumina soarelui, apa sau energia scoarței terestre.
Transfer de căldură
Abilitatea de a schimba energie termică în interiorul unui corp sau de la un corp la altul se numește transfer de căldură. Acest fenomen nu are loc spontan și apare doar cu o diferență de temperatură. În cel mai simplu caz, energia termică este transferată de la un corp mai fierbinte la un corp mai puțin încălzit până când echilibrul este stabilit.
Corpurile nu trebuie să fie în contact pentru a avea loc fenomenul de transfer de căldură. În orice caz, stabilirea echilibrului poate avea loc și la o distanță mică între obiectele luate în considerare, dar cu o viteză mai mică decât atunci când acestea vin în contact.
Transferul de căldură poate fi împărțit în trei tipuri:
1. Conductivitate termică.
2. Convecție.
3. Schimb radiant.
Conductivitate termică
Acest fenomen se bazează pe transferul de energie termică între atomi sau molecule de materie. Cauzătransmisie - mișcarea haotică a moleculelor și ciocnirea lor constantă. Din acest motiv, căldura trece de la o moleculă la alta de-a lungul lanțului.
Fenomenul de conductivitate termică poate fi observat atunci când orice material de fier este calcinat, când roșeața de pe suprafață se extinde lin și se estompează treptat (o anumită cantitate de căldură este eliberată în mediu).
F. Fourier a derivat o formulă pentru fluxul de căldură, care a colectat toate cantitățile care afectează gradul de conductivitate termică a unei substanțe (vezi figura de mai jos).
În această formulă, Q/t este fluxul de căldură, λ este coeficientul de conductivitate termică, S este aria secțiunii transversale, T/X este raportul dintre diferența de temperatură dintre capetele corpului situat la o anumită distanță.
Conductivitatea termică este o valoare tabelară. Este de importanță practică atunci când izolați o clădire rezidențială sau izolați termic echipamente.
Transfer de căldură radiantă
O altă modalitate de transfer de căldură, care se bazează pe fenomenul radiației electromagnetice. Diferența sa față de convecția și conducerea căldurii constă în faptul că transferul de energie poate avea loc și în spațiul vid. Cu toate acestea, ca și în primul caz, este necesară o diferență de temperatură.
Schimbul radiant este un exemplu de transfer de energie termică de la Soare la suprafața Pământului, care este în principal responsabilă pentru radiația infraroșie. Pentru a determina câtă căldură ajunge la suprafața pământului, au fost construite numeroase stații, caremonitorizați modificarea acestui indicator.
Convecție
Mișcarea convectivă a fluxurilor de aer este direct legată de fenomenul de transfer de căldură. Indiferent de câtă căldură am transmis unui lichid sau gaz, moleculele substanței încep să se miște mai repede. Din această cauză, presiunea întregului sistem scade, iar volumul, dimpotrivă, crește. Acesta este motivul mișcării în sus a curenților de aer cald sau a altor gaze.
Cel mai simplu exemplu de utilizare a fenomenului de convecție în viața de zi cu zi poate fi numit încălzirea unei încăperi cu baterii. Sunt amplasate în partea de jos a încăperii dintr-un motiv, dar pentru ca aerul încălzit să aibă loc să se ridice, ceea ce duce la circulația fluxurilor în jurul camerei.
Cum poate fi măsurată căldura?
Caldura de incalzire sau racire este calculata matematic folosind un dispozitiv special - un calorimetru. Instalatia este reprezentata de un vas mare termoizolat umplut cu apa. Un termometru este coborât în lichid pentru a măsura temperatura inițială a mediului. Apoi, un corp încălzit este coborât în apă pentru a calcula modificarea temperaturii lichidului după stabilirea echilibrului.
Prin creșterea sau scăderea t, mediul înconjurător determină cât de multă căldură trebuie consumată pentru încălzirea corpului. Calorimetrul este cel mai simplu dispozitiv care poate înregistra schimbările de temperatură.
De asemenea, folosind un calorimetru, puteți calcula cât de multă căldură va fi eliberată în timpul arderiisubstante. Pentru a face acest lucru, o „bombă” este plasată într-un vas plin cu apă. Această „bombă” este un vas închis în care se află substanța de testat. Electrozi speciali pentru incendiu sunt conectați la acesta, iar camera este umplută cu oxigen. După arderea completă a substanței, se înregistrează o modificare a temperaturii apei.
În cursul unor astfel de experimente, s-a stabilit că sursele de energie termică sunt reacțiile chimice și nucleare. Reacțiile nucleare au loc în straturile adânci ale Pământului, formând principala rezervă de căldură pentru întreaga planetă. Ele sunt, de asemenea, folosite de oameni pentru a genera energie prin fuziune nucleară.
Exemple de reacții chimice sunt arderea substanțelor și descompunerea polimerilor în monomeri în sistemul digestiv uman. Calitatea și cantitatea legăturilor chimice dintr-o moleculă determină cât de multă căldură este eliberată în cele din urmă.
Cum se măsoară căldura?
Unitatea de căldură în sistemul internațional SI este joule (J). De asemenea, în viața de zi cu zi sunt folosite unități în afara sistemului - calorii. 1 calorie este egală cu 4,1868 J conform standardului internațional și 4,184 J pe baza termochimiei. Anterior, exista un btu btu, care este rar folosit de oamenii de știință. 1 BTU=1,055 J.
