V fiziki je koncept "toplote" povezan s prenosom toplotne energije med različnimi telesi. Zaradi teh procesov pride do segrevanja in hlajenja teles ter do spremembe njihovih agregacijskih stanj. Poglejmo podrobneje vprašanje, kaj je toplota.
koncept koncepta
Kaj je toplota? Vsak človek lahko odgovori na to vprašanje z vsakdanjega zornega kota, kar v okviru obravnavanega pojma pomeni občutke, ki jih ima ob dvigu temperature okolja. V fiziki ta pojav razumemo kot proces prenosa energije, povezan s spremembo intenzivnosti kaotičnega gibanja molekul in atomov, ki tvorijo telo.
Na splošno lahko rečemo, da višja kot je telesna temperatura, več notranje energije je v njej shranjene in več toplote lahko odda drugim predmetom.
Toplota in temperatura
Poznavanje odgovora na vprašanje, kaj je toplota, lahko mnogi mislijo, da je ta koncept podoben pojmu "temperatura", vendar ni. Toplota je kinetična energija, temperatura je merilo tegaenergija. Torej je proces prenosa toplote odvisen od mase snovi, od števila delcev, ki jo sestavljajo, pa tudi od vrste teh delcev in povprečne hitrosti njihovega gibanja. Temperatura pa je odvisna samo od zadnjega od navedenih parametrov.
Razliko med toploto in temperaturo je enostavno razumeti, če izvedete preprost poskus: vodo morate naliti v dve posodi, tako da je ena posoda polna, druga pa le do polovice. Če obe posodi postavimo na ogenj, lahko opazimo, da začne prva vreti tista, v kateri je manj vode. Da bo druga posoda zavrela, bo potrebovala še nekaj toplote iz ognja. Ko obe posodi zavreta, lahko izmerite njuno temperaturo, enaka bo (100 oC), vendar je bilo potrebno več toplote, da je polna posoda zavrela vodo v njej.
Ogrevalne enote
Po definiciji toplote v fiziki lahko ugibamo, da se meri v istih enotah kot energija ali delo, torej v džulih (J). Poleg glavne enote toplote lahko v vsakdanjem življenju pogosto slišite o kalorijah (kcal). Ta koncept se razume kot količina toplote, ki jo je treba prenesti na en gram vode, tako da se njena temperatura dvigne za 1 kelvin (K). Ena kalorija je enaka 4,184 J. Slišate lahko tudi o velikih in majhnih kalorijah, ki so 1 kcal oziroma 1 cal.
Koncept toplotne zmogljivosti
Ko vemo, kaj je toplota, pomislimo na fizikalno količino, ki jo neposredno označuje - toplotno kapaciteto. Pod tem konceptom,fizika pomeni količino toplote, ki jo je treba dati ali odvzeti telesu, da se njegova temperatura spremeni za 1 kelvin (K).
Toplotna zmogljivost določenega telesa je odvisna od dveh glavnih dejavnikov:
- o kemični sestavi in agregacijskem stanju, v katerem je telo predstavljeno;
- njegove mase.
Da bi bila ta lastnost neodvisna od mase predmeta, je bila v fiziki toplote uvedena še ena količina - specifična toplotna kapaciteta, ki določa količino toplote, ki jo dano telo prenese ali sprejme na 1 kg telesne mase. njegova masa, ko se temperatura spremeni za 1 K.
Če želite jasno pokazati razliko v specifičnih toplotnih kapacitetah za različne snovi, na primer vzemite 1 g vode, 1 g železa in 1 g sončničnega olja in jih segrejte. Temperatura se bo najhitreje spremenila za vzorec železa, nato za kapljico olja in nazadnje za vodo.
Upoštevajte, da specifična toplotna zmogljivost ni odvisna samo od kemične sestave snovi, temveč tudi od njenega agregacijskega stanja, pa tudi od zunanjih fizikalnih pogojev, pod katerimi se šteje (konstanten tlak ali konstantna prostornina).
Glavna enačba procesa prenosa toplote
Ko smo obravnavali vprašanje, kaj je toplota, bi morali dati glavni matematični izraz, ki označuje proces njenega prenosa za popolnoma vsa telesa v katerem koli agregacijskem stanju. Ta izraz ima obliko: Q=cmΔT, kjer je Q količina prenesene (prejete) toplote, c je specifična toplota zadevnega predmeta, m -njegova masa, ΔT je sprememba absolutne temperature, ki je opredeljena kot razlika v telesnih temperaturah na koncu in na začetku procesa prenosa toplote.
Pomembno je razumeti, da bo zgornja formula vedno veljavna, ko predmet med obravnavanim procesom obdrži svoje agregacijsko stanje, to je, da ostane v tekočem, trdnem ali plinastem stanju. V nasprotnem primeru enačbe ni mogoče uporabiti.
Sprememba stanja agregacije snovi
Kot veste, obstajajo 3 glavna agregatna stanja, v katerih je lahko snov:
- plin;
- tekočina;
- trdno telo.
Da bi prišlo do prehoda iz enega stanja v drugo, je potrebno, da ga telo obvesti ali mu odvzame toploto. Za takšne procese v fiziki sta bila uvedena pojma specifičnih toplot taljenja (kristalizacije) in vrenja (kondenzacije). Vse te količine določajo količino toplote, potrebno za spremembo agregacijskega stanja, ki sprosti ali absorbira 1 kg telesne teže. Za te procese velja enačba: Q=Lm, kjer je L specifična toplota ustreznega prehoda med stanji snovi.
Spodaj so glavne značilnosti procesov spreminjanja stanja agregacije:
- Ti procesi potekajo pri stalni temperaturi, kot je vrenje ali taljenje.
- So reverzibilni. Na primer, količina toplote, ki jo dano telo absorbira, da se stopi, bo natančno enaka količini toplote, ki se bo sprostila v okolje, če bo to telo ponovno prešlov trdno stanje.
Termično ravnotežje
To je še eno pomembno vprašanje, povezano s konceptom "toplote", ki ga je treba upoštevati. Če prideta v stik dve telesi z različnimi temperaturami, se čez nekaj časa temperatura v celotnem sistemu izenači in postane enaka. Za doseganje toplotnega ravnovesja mora telo z višjo temperaturo sistemu oddajati toploto, telo z nižjo temperaturo pa to toploto. Zakone toplotne fizike, ki opisujejo ta proces, lahko izrazimo kot kombinacijo glavne enačbe za prenos toplote in enačbe, ki določa spremembo agregatnega stanja snovi (če obstaja).
Osupljiv primer procesa spontanega vzpostavljanja toplotnega ravnotežja je vroča železna palica, ki jo vržejo v vodo. V tem primeru bo vroč likalnik oddajal toploto vodi, dokler njena temperatura ne postane enaka temperaturi tekočine.
Osnovni načini prenosa toplote
Vsi procesi, ki jih pozna človek, ki potekajo z izmenjavo toplotne energije, potekajo na tri različne načine:
- Toplotna prevodnost. Da bi prišlo do izmenjave toplote na ta način, je potreben stik dveh teles z različnimi temperaturami. V kontaktnem območju na lokalni molekularni ravni se kinetična energija prenaša iz vročega telesa v hladno. Hitrost tega prenosa toplote je odvisna od sposobnosti teles, da prevajajo toploto. Osupljiv primer toplotne prevodnosti ječlovek se dotika kovinske palice.
- konvekcija. Ta proces zahteva gibanje snovi, zato ga opazimo le v tekočinah in plinih. Bistvo konvekcije je naslednje: ko se plasti plina ali tekočine segrejejo, se njihova gostota zmanjša, zato se nagibajo k dvigu. Med naraščanjem volumna tekočine ali plina prenašajo toploto. Primer konvekcije je postopek vrenja vode v kotličku.
- Sevanje. Ta proces prenosa toplote nastane zaradi oddajanja elektromagnetnega sevanja različnih frekvenc s strani segretega telesa. Sončna svetloba je odličen primer sevanja.
