În fizică, conceptul de „căldură” este asociat cu transferul de energie termică între diferite corpuri. Datorită acestor procese, are loc încălzirea și răcirea corpurilor, precum și o schimbare a stărilor lor de agregare. Să luăm în considerare mai detaliat întrebarea ce este căldura.
Concept concept
Ce este căldura? Fiecare persoană poate răspunde la această întrebare din punct de vedere cotidian, adică sub conceptul luat în considerare senzațiile pe care le are atunci când temperatura ambientală crește. În fizică, acest fenomen este înțeles ca procesul de transfer de energie asociat cu o modificare a intensității mișcării haotice a moleculelor și atomilor care formează corpul.
În general, putem spune că, cu cât temperatura corpului este mai mare, cu atât mai multă energie internă este stocată în el și cu atât mai multă căldură poate da altor obiecte.
Căldură și temperatură
Cunoscând răspunsul la întrebarea ce este căldura, mulți ar putea crede că acest concept este similar cu conceptul de „temperatură”, dar nu este. Căldura este energie cinetică, temperatura este o măsură a acesteiaenergie. Deci, procesul de transfer de căldură depinde de masa substanței, de numărul de particule care o alcătuiesc, precum și de tipul acestor particule și de viteza medie a mișcării lor. La rândul său, temperatura depinde doar de ultimii parametri enumerați.
Diferența dintre căldură și temperatură este ușor de înțeles dacă efectuați un experiment simplu: trebuie să turnați apă în două vase, astfel încât un vas să fie plin, iar celăl alt să fie doar pe jumătate. Punand ambele vase pe foc, se poate observa ca cel in care este mai putina apa incepe sa fiarba primul. Pentru ca al doilea vas să fiarbă, va avea nevoie de mai multă căldură de la foc. Când ambele vase fierb, le puteți măsura temperatura, aceasta va fi aceeași (100 oC), dar a fost nevoie de mai multă căldură pentru ca un vas plin să fiarbă apa în el.
unități de căldură
Conform definiției căldurii din fizică, se poate ghici că se măsoară în aceleași unități ca energia sau munca, adică în jouli (J). Pe lângă unitatea principală de căldură, în viața de zi cu zi poți auzi adesea despre calorii (kcal). Acest concept este înțeles ca cantitatea de căldură care trebuie transferată la un gram de apă, astfel încât temperatura acestuia să crească cu 1 kelvin (K). O calorie este egală cu 4,184 J. De asemenea, puteți auzi despre calorii mari și mici, care sunt 1 kcal și, respectiv, 1 cal.
Conceptul de capacitate termică
Știind ce este căldura, să luăm în considerare o mărime fizică care o caracterizează direct - capacitatea de căldură. Sub acest concept,fizica înseamnă cantitatea de căldură care trebuie dată sau luată unui corp pentru ca temperatura acestuia să se schimbe cu 1 kelvin (K).
Capacitatea termică a unui anumit corp depinde de 2 factori principali:
- despre compoziția chimică și starea de agregare în care este prezentat corpul;
- din masa sa.
Pentru a face această caracteristică independentă de masa unui obiect, în fizica căldurii a fost introdusă o altă cantitate - capacitatea termică specifică, care determină cantitatea de căldură transferată sau preluată de un anumit corp la 1 kg de masa sa când temperatura se schimbă cu 1 K.
Pentru a arăta în mod clar diferența de capacități termice specifice pentru diferite substanțe, de exemplu, luați 1 g de apă, 1 g de fier și 1 g de ulei de floarea soarelui și încălziți-le. Temperatura se va schimba cel mai repede pentru proba de fier, apoi pentru picătura de ulei și va dura pentru apă.
Rețineți că capacitatea termică specifică depinde nu numai de compoziția chimică a substanței, ci și de starea acesteia de agregare, precum și de condițiile fizice exterioare în care este considerată (presiune constantă sau volum constant).
Ecuația principală a procesului de transfer de căldură
După ce s-a ocupat de întrebarea ce este căldura, ar trebui să se dea principala expresie matematică care caracterizează procesul de transfer al acesteia pentru absolut orice corp în orice stare de agregare. Această expresie are forma: Q=cmΔT, unde Q este cantitatea de căldură transferată (primită), c este căldura specifică a obiectului în cauză, m -masa sa, ΔT este modificarea temperaturii absolute, care este definită ca diferența de temperatură a corpului la sfârșitul și la începutul procesului de transfer de căldură.
Este important de înțeles că formula de mai sus va fi întotdeauna valabilă atunci când, în timpul procesului luat în considerare, obiectul își păstrează starea de agregare, adică rămâne lichid, solid sau gazos. În caz contrar, ecuația nu poate fi utilizată.
Schimbarea stării de agregare a materiei
După cum știți, există 3 stări agregate principale în care materia poate fi:
- gaz;
- lichid;
- corp solid.
Pentru a se produce o tranziție de la o stare la alta, este necesar ca organismul să informeze sau să ia căldură din acesta. Pentru astfel de procese din fizică au fost introduse conceptele de căldură specifice de topire (cristalizare) și fierbere (condensare). Toate aceste cantități determină cantitatea de căldură necesară pentru a schimba starea de agregare, care eliberează sau absoarbe 1 kg de greutate corporală. Pentru aceste procese este valabilă ecuația: Q=Lm, unde L este căldura specifică a tranziției corespunzătoare între stările materiei.
Mai jos sunt principalele caracteristici ale proceselor de modificare a stării de agregare:
- Aceste procese au loc la o temperatură constantă, cum ar fi fierberea sau topirea.
- Sunt reversibile. De exemplu, cantitatea de căldură pe care un anumit corp a absorbit-o pentru a se topi va fi exact egală cu cantitatea de căldură care va fi eliberată în mediu dacă acest corp trece din nou.la stare solidă.
Echilibru termic
Aceasta este o altă problemă importantă legată de conceptul de „căldură” care trebuie luată în considerare. Dacă două corpuri cu temperaturi diferite sunt aduse în contact, atunci după un timp temperatura din întregul sistem se va uniformiza și va deveni aceeași. Pentru a atinge echilibrul termic, un corp cu o temperatură mai mare trebuie să degaje căldură sistemului, iar un corp cu o temperatură mai scăzută trebuie să accepte această căldură. Legile fizicii căldurii care descriu acest proces pot fi exprimate ca o combinație a ecuației principale de transfer de căldură și a ecuației care determină schimbarea stării agregate a materiei (dacă există).
Un exemplu izbitor al procesului de stabilire spontană a echilibrului termic este o bară de fier încinsă, care este aruncată în apă. În acest caz, fierul de călcat fierbinte va degaja căldură apei până când temperatura acesteia devine egală cu temperatura lichidului.
Metode de bază de transfer de căldură
Toate procesele cunoscute de om care au legătură cu schimbul de energie termică au loc în trei moduri diferite:
- Conductivitate termică. Pentru ca schimbul de căldură să aibă loc în acest fel, este necesar contactul între două corpuri cu temperaturi diferite. În zona de contact la nivel molecular local, energia cinetică este transferată de la un corp fierbinte la unul rece. Viteza acestui transfer de căldură depinde de capacitatea corpurilor implicate de a conduce căldura. Un exemplu izbitor de conductivitate termică esteom atingând o tijă de metal.
- Convecție. Acest proces necesită mișcarea materiei, deci se observă numai în lichide și gaze. Esența convecției este următoarea: atunci când straturile de gaz sau lichid sunt încălzite, densitatea lor scade, astfel încât acestea tind să se ridice. În timpul creșterii volumului de lichid sau gaz, ei transferă căldură. Un exemplu de convecție este procesul de fierbere a apei într-un ibric.
- Radiții. Acest proces de transfer de căldură are loc datorită emisiei de radiații electromagnetice de diferite frecvențe de către un corp încălzit. Lumina soarelui este un prim exemplu de radiație.
