Alla ämnen har inre energi. Detta värde kännetecknas av ett antal fysikaliska och kemiska egenskaper, bland vilka särskild uppmärksamhet bör ägnas åt värme. Denna kvantitet är ett abstrakt matematiskt värde som beskriver krafterna i växelverkan mellan ett ämnes molekyler. Att förstå mekanismen för värmeväxling kan hjälpa till att svara på frågan om hur mycket värme som frigjordes under kylning och uppvärmning av ämnen, såväl som deras förbränning.
Historia om upptäckten av fenomenet värme
Inledningsvis beskrevs fenomenet värmeöverföring mycket enkelt och tydligt: om temperaturen på ett ämne stiger tar det emot värme och vid kylning släpper det ut det i miljön. Värme är dock inte en integrerad del av vätskan eller kroppen i fråga, som man trodde för tre århundraden sedan. Folk trodde naivt att materia består av två delar: sina egna molekyler och värme. Nu är det få som kommer ihåg att termen "temperatur" på latin betyder "blandning", och till exempel talade de om brons som "temperaturen för tenn och koppar."
På 1600-talet dök två hypoteser upp somkunde tydligt förklara fenomenet värme och värmeöverföring. Den första föreslogs 1613 av Galileo. Hans formulering var: "Värme är ett ovanligt ämne som kan tränga in i och ut ur vilken kropp som helst." Galileo kallade detta ämne för kalorier. Han hävdade att kalorier inte kan försvinna eller kollapsa, utan bara kan passera från en kropp till en annan. Följaktligen, ju mer kalori i ämnet, desto högre är dess temperatur.
Den andra hypotesen dök upp 1620 och föreslogs av filosofen Bacon. Han märkte att under hammarens kraftiga slag värmdes järnet upp. Denna princip fungerade också när man tände en eld genom friktion, vilket fick Bacon att tänka på värmens molekylära natur. Han hävdade att när en kropp påverkas mekaniskt börjar dess molekyler slå mot varandra, öka rörelsehastigheten och därmed höja temperaturen.
Resultatet av den andra hypotesen var slutsatsen att värme är resultatet av den mekaniska verkan av ett ämnes molekyler med varandra. Under en lång period försökte Lomonosov att underbygga och experimentellt bevisa denna teori.
Värme är ett mått på materiens inre energi
Moderna forskare har kommit till följande slutsats: termisk energi är resultatet av växelverkan mellan ämnesmolekyler, det vill säga kroppens inre energi. Partiklarnas rörelsehastighet beror på temperaturen, och mängden värme är direkt proportionell mot ämnets massa. Så en hink vatten har mer termisk energi än en fylld kopp. Dock ett fat med varm vätskakan ha mindre värme än en kall bassäng.
Teorin om kalorier, som föreslogs på 1600-talet av Galileo, motbevisades av forskarna J. Joule och B. Rumford. De bevisade att termisk energi inte har någon massa och kännetecknas enbart av den mekaniska rörelsen av molekyler.
Hur mycket värme kommer att frigöras vid förbränning av ett ämne? Specifikt värmevärde
I dag är torv, olja, kol, naturgas eller trä universella och allmänt använda energikällor. När dessa ämnen förbränns frigörs en viss mängd värme som används för uppvärmning, startmekanismer etc. Hur kan detta värde beräknas i praktiken?
För detta introduceras begreppet specifik förbränningsvärme. Detta värde beror på mängden värme som frigörs vid förbränning av 1 kg av ett visst ämne. Det betecknas med bokstaven q och mäts i J / kg. Nedan finns en tabell med q-värden för några av de vanligaste bränslena.
När man bygger och beräknar motorer måste en ingenjör veta hur mycket värme som kommer att frigöras när en viss mängd ämne förbränns. För att göra detta kan du använda indirekta mätningar med formeln Q=qm, där Q är ämnets förbränningsvärme, q är det specifika förbränningsvärmet (tabellvärde) och m är den givna massan.
Uppbildningen av värme vid förbränning är baserad på fenomenet energifrigöring under bildandet av kemiska bindningar. Det enklaste exemplet är förbränning av kol, som är innesluteti alla typer av modernt bränsle. Kol brinner i närvaro av atmosfärisk luft och kombineras med syre för att bilda koldioxid. Bildandet av en kemisk bindning fortskrider med frigörandet av termisk energi till miljön, och människan har anpassat sig för att använda denna energi för sina egna syften.
Tyvärr kan det obetänksamma spenderandet av sådana värdefulla resurser som olja eller torv snart leda till att källorna för produktion av dessa bränslen uttöms. Redan idag dyker det upp elektriska apparater och till och med nya bilmodeller, vars funktion är baserad på alternativa energikällor som solljus, vatten eller energin från jordskorpan.
Värmeöverföring
Förmågan att utbyta termisk energi inom en kropp eller från en kropp till en annan kallas värmeöverföring. Detta fenomen uppstår inte spontant och uppstår endast med en temperaturskillnad. I det enklaste fallet överförs termisk energi från en varmare kropp till en mindre uppvärmd kropp tills jämvikt har upprättats.
Kroppen behöver inte vara i kontakt för att fenomenet värmeöverföring ska uppstå. I vilket fall som helst kan upprättandet av jämvikt också ske på ett litet avstånd mellan föremålen i fråga, men med en lägre hastighet än när de kommer i kontakt.
Värmeöverföring kan delas in i tre typer:
1. Värmeledningsförmåga.
2. Konvektion.
3. Strålande utbyte.
Värmeledningsförmåga
Detta fenomen är baserat på överföring av termisk energi mellan atomer eller materiamolekyler. Orsaktransmission - den kaotiska rörelsen av molekyler och deras ständiga kollision. På grund av detta går värme från en molekyl till en annan längs kedjan.
Fenomenet värmeledningsförmåga kan observeras när något järnmaterial bränns, när rodnaden på ytan sprider sig jämnt och gradvis bleknar (en viss mängd värme släpps ut i miljön).
F. Fourier härledde en formel för värmeflöde, som samlade alla de mängder som påverkar graden av värmeledningsförmåga hos ett ämne (se figur nedan).
I denna formel är Q/t värmeflödet, λ är värmeledningskoefficienten, S är tvärsnittsarean, T/X är förhållandet mellan temperaturskillnaden mellan ändarna av kroppen som är belägna vid ett visst avstånd.
Värmeledningsförmåga är ett tabellvärde. Det är av praktisk betydelse vid isolering av ett bostadshus eller värmeisolering av utrustning.
Strålningsvärmeöverföring
Ett annat sätt att överföra värme, som är baserat på fenomenet elektromagnetisk strålning. Dess skillnad mot konvektion och värmeledning ligger i det faktum att energiöverföring även kan ske i vakuumutrymme. Men som i det första fallet krävs en temperaturskillnad.
Strålningsutbyte är ett exempel på överföring av termisk energi från solen till jordens yta, som huvudsakligen är ansvarig för infraröd strålning. För att avgöra hur mycket värme som når jordytan har man byggt många stationer, somövervaka förändringen i denna indikator.
Konvektion
Konvektiv rörelse av luftflöden är direkt relaterad till fenomenet värmeöverföring. Oavsett hur mycket värme vi överförde till en vätska eller gas, börjar ämnets molekyler röra sig snabbare. På grund av detta minskar trycket i hela systemet, och volymen ökar tvärtom. Detta är anledningen till att varma luftströmmar eller andra gaser rör sig uppåt.
Det enklaste exemplet på att använda fenomenet konvektion i vardagen kan kallas att värma upp ett rum med batterier. De är placerade längst ner i rummet av en anledning, men så att den uppvärmda luften får utrymme att stiga, vilket leder till att flöden cirkulerar runt i rummet.
Hur kan värme mätas?
Värmen vid uppvärmning eller kylning beräknas matematiskt med hjälp av en speciell anordning - en kalorimeter. Installationen representeras av ett stort värmeisolerat kärl fyllt med vatten. En termometer sänks ner i vätskan för att mäta mediets initiala temperatur. Sedan sänks en uppvärmd kropp ner i vattnet för att beräkna förändringen i vätskans temperatur efter att jämvikt har upprättats.
Genom att öka eller minska t bestämmer miljön hur mycket värme som ska värmas upp kroppen ska spenderas. Kalorimetern är den enklaste enheten som kan registrera temperaturförändringar.
Med hjälp av en kalorimeter kan du också beräkna hur mycket värme som kommer att frigöras vid förbränningämnen. För att göra detta placeras en "bomb" i ett kärl fyllt med vatten. Denna "bomb" är ett slutet kärl i vilket testämnet finns. Specialelektroder för mordbrand är anslutna till den, och kammaren är fylld med syre. Efter fullständig förbränning av ämnet registreras en förändring i vattnets temperatur.
Under sådana experiment fastställdes det att källorna till termisk energi är kemiska och nukleära reaktioner. Kärnreaktioner äger rum i jordens djupa lager och bildar den huvudsakliga värmereserven för hela planeten. De används också av människor för att generera energi genom kärnfusion.
Exempel på kemiska reaktioner är förbränning av ämnen och nedbrytning av polymerer till monomerer i det mänskliga matsmältningssystemet. Kvaliteten och kvantiteten av kemiska bindningar i en molekyl avgör hur mycket värme som slutligen frigörs.
Hur mäts värme?
Enheten för värme i det internationella SI-systemet är joule (J). Också i vardagen används enheter utanför systemet - kalorier. 1 kalori motsvarar 4,1868 J enligt den internationella standarden och 4,184 J baserat på termokemi. Tidigare fanns det en btu btu, som sällan används av forskare. 1 BTU=1,055 J.
