Vse snovi imajo notranjo energijo. Za to vrednost so značilne številne fizikalne in kemijske lastnosti, med katerimi je treba posebno pozornost nameniti toploti. Ta količina je abstraktna matematična vrednost, ki opisuje sile interakcije med molekulami snovi. Razumevanje mehanizma izmenjave toplote lahko pomaga odgovoriti na vprašanje, koliko toplote se je sprostilo pri hlajenju in segrevanju snovi, pa tudi pri njihovem zgorevanju.
Zgodovina odkritja fenomena toplote
Na začetku je bil pojav prenosa toplote opisan zelo preprosto in jasno: če se temperatura snovi dvigne, ta prejme toploto, v primeru hlajenja pa jo odda v okolje. Vendar toplota ni sestavni del obravnavane tekočine ali telesa, kot so mislili pred tremi stoletji. Ljudje so naivno verjeli, da je snov sestavljena iz dveh delov: lastnih molekul in toplote. Zdaj se le malo ljudi spomni, da izraz "temperatura" v latinščini pomeni "zmes", in na primer, o bronu so govorili kot o "temperaturi kositra in bakra."
V 17. stoletju sta se pojavili dve hipotezi, dabi lahko jasno razložili pojav toplote in prenosa toplote. Prvo je leta 1613 predlagal Galileo. Njegovo besedilo je bilo: "Toplota je nenavadna snov, ki lahko prodre v in iz katerega koli telesa." Galileo je to snov imenoval kalorična. Trdil je, da kalorija ne more izginiti ali se zrušiti, ampak je sposobna le prehajati iz enega telesa v drugega. V skladu s tem je bolj kalorična snov, višja je njena temperatura.
Druga hipoteza se je pojavila leta 1620, predlagal pa jo je filozof Bacon. Opazil je, da se je pod močnimi udarci kladiva železo segrelo. To načelo je delovalo tudi pri prižiganju ognja s trenjem, zaradi česar je Bacon razmišljal o molekularni naravi toplote. Trdil je, da ko je telo mehansko prizadeto, njegove molekule začnejo tolči druga proti drugi, povečajo hitrost gibanja in s tem dvignejo temperaturo.
Rezultat druge hipoteze je bil sklep, da je toplota posledica mehanskega delovanja molekul snovi med seboj. Dolgo časa je Lomonosov poskušal utemeljiti in eksperimentalno dokazati to teorijo.
Toplota je merilo notranje energije snovi
Sodobni znanstveniki so prišli do naslednjega zaključka: toplotna energija je rezultat interakcije molekul snovi, torej notranje energije telesa. Hitrost gibanja delcev je odvisna od temperature, količina toplote pa je neposredno sorazmerna z maso snovi. Torej ima vedro vode več toplotne energije kot napolnjena skodelica. Vendar pa krožnik vroče tekočineima lahko manj toplote kot hladen umivalnik.
Teorijo kalorij, ki jo je v 17. stoletju predlagal Galileo, sta ovrgla znanstvenika J. Joule in B. Rumford. Dokazali so, da toplotna energija nima nobene mase in je zanjo značilno samo mehansko gibanje molekul.
Koliko toplote se bo sprostilo med zgorevanjem snovi? Specifična kalorična vrednost
Danes so šota, nafta, premog, zemeljski plin ali les univerzalni in široko uporabljeni viri energije. Pri gorenju teh snovi se sprosti določena količina toplote, ki se porabi za ogrevanje, zagon mehanizmov itd. Kako lahko to vrednost izračunamo v praksi?
Za to je uveden koncept specifične toplote zgorevanja. Ta vrednost je odvisna od količine toplote, ki se sprosti pri zgorevanju 1 kg določene snovi. Označena je s črko q in se meri v J / kg. Spodaj je tabela vrednosti q za nekatera najpogostejša goriva.
Pri gradnji in izračunu motorjev mora inženir vedeti, koliko toplote se bo sprostilo, ko bo zgorela določena količina snovi. Če želite to narediti, lahko uporabite posredne meritve s formulo Q=qm, kjer je Q toplota zgorevanja snovi, q specifična toplota zgorevanja (tabelna vrednost) in m podana masa.
Nastajanje toplote med zgorevanjem temelji na pojavu sproščanja energije pri tvorbi kemičnih vezi. Najenostavnejši primer je zgorevanje ogljika, ki ga vsebujev kateri koli vrsti sodobnega goriva. Ogljik gori v prisotnosti atmosferskega zraka in se združi s kisikom v ogljikov dioksid. Nastajanje kemične vezi poteka s sproščanjem toplotne energije v okolje in človek se je prilagodil, da to energijo uporablja za svoje namene.
Na žalost lahko nepremišljena poraba tako dragocenih virov, kot sta nafta ali šota, kmalu povzroči izčrpavanje virov za proizvodnjo teh goriv. Že danes se pojavljajo električni aparati in celo novi modeli avtomobilov, katerih delovanje temelji na alternativnih virih energije, kot so sončna svetloba, voda ali energija zemeljske skorje.
prenos toplote
Zmožnost izmenjave toplotne energije znotraj telesa ali od enega telesa do drugega se imenuje prenos toplote. Ta pojav se ne pojavi spontano in se pojavi le pri temperaturni razliki. V najpreprostejšem primeru se toplotna energija prenaša iz bolj vročega telesa v manj segreto telo, dokler se ne vzpostavi ravnovesje.
Telesom ni treba, da so v stiku, da pride do pojava prenosa toplote. V vsakem primeru se lahko vzpostavi ravnotežje tudi na majhni razdalji med obravnavanima objektoma, vendar z nižjo hitrostjo, kot ko prideta v stik.
Prenos toplote lahko razdelimo na tri vrste:
1. Toplotna prevodnost.
2. Konvekcija.
3. Radiant exchange.
Toplotna prevodnost
Ta pojav temelji na prenosu toplotne energije med atomi ali molekulami snovi. Vzrokprenos - kaotično gibanje molekul in njihovo nenehno trčenje. Zaradi tega toplota prehaja z ene molekule na drugo vzdolž verige.
Fenomen toplotne prevodnosti lahko opazimo pri žganju katerega koli železnega materiala, ko se rdečina na površini gladko širi in postopoma zbledi (določena količina toplote se sprosti v okolje).
F. Fourier je izpeljal formulo za toplotni tok, ki je zbrala vse količine, ki vplivajo na stopnjo toplotne prevodnosti snovi (glej sliko spodaj).
V tej formuli je Q/t toplotni tok, λ je koeficient toplotne prevodnosti, S je površina preseka, T/X je razmerje temperaturne razlike med konci telesa, ki se nahajajo pri določena razdalja.
Toplotna prevodnost je tabelarična vrednost. Praktičnega pomena je pri izolaciji stanovanjske stavbe ali toplotni izolaciji opreme.
prenos sevanja
Drug način prenosa toplote, ki temelji na pojavu elektromagnetnega sevanja. Njegova razlika od konvekcije in toplotne prevodnosti je v tem, da lahko do prenosa energije pride tudi v vakuumskem prostoru. Vendar pa je tako kot v prvem primeru potrebna temperaturna razlika.
Izmenjava sevanja je primer prenosa toplotne energije s Sonca na zemeljsko površino, ki je odgovorna predvsem za infrardeče sevanje. Da bi ugotovili, koliko toplote doseže zemeljsko površino, so bile zgrajene številne postaje, kispremljajte spremembo tega indikatorja.
konvekcija
Konvektivno gibanje zračnih tokov je neposredno povezano s pojavom prenosa toplote. Ne glede na to, koliko toplote smo dali tekočini ali plinu, se molekule snovi začnejo premikati hitreje. Zaradi tega se tlak celotnega sistema zmanjša, prostornina pa se, nasprotno, poveča. To je razlog za premikanje tokov toplega zraka ali drugih plinov navzgor.
Najenostavnejši primer uporabe pojava konvekcije v vsakdanjem življenju lahko imenujemo ogrevanje prostora z baterijami. Nahajajo se na dnu prostora z razlogom, vendar tako, da ima ogret zrak prostor za dvig, kar vodi do kroženja tokov po prostoru.
Kako je mogoče izmeriti toploto?
Toplota ogrevanja ali hlajenja se izračuna matematično s pomočjo posebne naprave – kalorimetra. Inštalacijo predstavlja velika toplotno izolirana posoda, napolnjena z vodo. Termometer se spusti v tekočino za merjenje začetne temperature medija. Nato se segreto telo spusti v vodo, da se izračuna sprememba temperature tekočine po vzpostavitvi ravnotežja.
S povečanjem ali zmanjševanjem t okolje določi, koliko toplote za ogrevanje naj porabi telo. Kalorimeter je najpreprostejša naprava, ki lahko registrira temperaturne spremembe.
Prav tako lahko s kalorimetrom izračunate, koliko toplote se bo sprostilo med zgorevanjemsnovi. Da bi to naredili, se "bomba" postavi v posodo, napolnjeno z vodo. Ta "bomba" je zaprta posoda, v kateri se nahaja preskusna snov. Nanj so priključene posebne elektrode za požig, komora pa je napolnjena s kisikom. Po popolnem zgorevanju snovi se zabeleži sprememba temperature vode.
Pri tovrstnih poskusih je bilo ugotovljeno, da so viri toplotne energije kemične in jedrske reakcije. Jedrske reakcije potekajo v globokih plasteh Zemlje in tvorijo glavno rezervo toplote za celoten planet. Ljudje jih uporabljajo tudi za pridobivanje energije z jedrsko fuzijo.
Primeri kemičnih reakcij so zgorevanje snovi in razgradnja polimerov v monomere v človeškem prebavnem sistemu. Kakovost in količina kemičnih vezi v molekuli določata, koliko toplote se na koncu sprosti.
Kako se meri toplota?
Enota toplote v mednarodnem sistemu SI je džul (J). Tudi v vsakdanjem življenju se uporabljajo zunajsistemske enote - kalorije. 1 kalorija je enaka 4,1868 J po mednarodnem standardu in 4,184 J po termokemiji. Prej je obstajal btu btu, ki ga znanstveniki redko uporabljajo. 1 BTU=1,055 J.
