I fysiken är begreppet "värme" förknippat med överföringen av termisk energi mellan olika kroppar. På grund av dessa processer sker uppvärmning och kylning av kroppar, såväl som en förändring i deras aggregationstillstånd. Låt oss överväga mer i detalj frågan om vad värme är.
Konceptkoncept
Vad är värme? Varje person kan svara på denna fråga från en vardaglig synvinkel, vilket innebär att under det aktuella konceptet de känslor han har när den omgivande temperaturen stiger. Inom fysiken förstås detta fenomen som den process av energiöverföring som är förknippad med en förändring i intensiteten av den kaotiska rörelsen av molekyler och atomer som bildar kroppen.
I allmänhet kan vi säga att ju högre kroppstemperaturen är, desto mer inre energi lagras i den, och desto mer värme kan den ge till andra föremål.
Värme och temperatur
När man vet svaret på frågan om vad värme är, kanske många tror att detta koncept liknar begreppet "temperatur", men det är det inte. Värme är kinetisk energi, temperatur är ett mått på dettaenergi. Så processen för värmeöverföring beror på ämnets massa, på antalet partiklar som utgör det, såväl som på typen av dessa partiklar och den genomsnittliga hastigheten för deras rörelse. I sin tur beror temperaturen endast på den sista av de listade parametrarna.
Skillnaden mellan värme och temperatur är lätt att förstå om du gör ett enkelt experiment: du måste hälla vatten i två kärl så att det ena kärlet är fullt och det andra bara är halvfullt. När man sätter båda kärlen på elden kan man observera att den där det är mindre vatten börjar koka först. För att det andra kärlet ska koka behöver det lite mer värme från elden. När båda kärlen kokar kan du mäta deras temperatur, den blir densamma (100 oC), men det behövdes mer värme för att ett fullt kärl skulle koka vatten i det.
Värmeenheter
Enligt definitionen av värme i fysiken kan man gissa att den mäts i samma enheter som energi eller arbete, det vill säga i joule (J). Förutom huvudenheten för värme kan du i vardagen ofta höra om kalorier (kcal). Detta koncept förstås som den mängd värme som behöver överföras till ett gram vatten så att dess temperatur stiger med 1 kelvin (K). En kalori är lika med 4,184 J. Du kan också höra om stora och små kalorier, som är 1 kcal respektive 1 cal.
Begreppet värmekapacitet
När vi vet vad värme är, låt oss överväga en fysisk storhet som direkt kännetecknar den - värmekapacitet. Under detta koncept,fysik betyder mängden värme som måste ges till eller tas från en kropp för att dess temperatur ska ändras med 1 kelvin (K).
Värmekapaciteten hos en viss kropp beror på två huvudfaktorer:
- på den kemiska sammansättningen och aggregationstillståndet i vilken kroppen presenteras;
- av hans mässa.
För att göra denna egenskap oberoende av ett föremåls massa, introducerades en annan kvantitet i värmens fysik - den specifika värmekapaciteten, som bestämmer mängden värme som överförs eller tas in av en given kropp per 1 kg av dess massa när temperaturen ändras med 1 K.
För att tydligt visa skillnaden i specifik värmekapacitet för olika ämnen, ta till exempel 1 g vatten, 1 g järn och 1 g solrosolja och värm upp dem. Temperaturen ändras snabbast för järnprovet, sedan för oljedroppet och sist för vattnet.
Observera att den specifika värmekapaciteten inte bara beror på ämnets kemiska sammansättning, utan också på dess aggregationstillstånd, såväl som på de yttre fysikaliska förhållanden under vilka det betraktas (konstant tryck eller konstant volym).
Huvudekvationen för värmeöverföringsprocessen
Efter att ha behandlat frågan om vad värme är, bör man ge det huvudsakliga matematiska uttrycket som kännetecknar processen för dess överföring för absolut alla kroppar i vilket som helst tillstånd av aggregering. Detta uttryck har formen: Q=cmΔT, där Q är mängden överförd (mottagen) värme, c är den specifika värmen för objektet i fråga, m -dess massa, ΔT är förändringen i absolut temperatur, som definieras som skillnaden i kroppstemperatur i slutet och i början av värmeöverföringsprocessen.
Det är viktigt att förstå att ovanstående formel alltid kommer att vara giltig när, under den aktuella processen, objektet behåller sitt aggregationstillstånd, det vill säga det förblir en vätska, fast eller gas. Annars kan ekvationen inte användas.
Förändring i tillståndet för aggregation av materia
Som du vet finns det tre huvudsakliga aggregerade tillstånd där materia kan vara:
- gas;
- liquid;
- solid body.
För att en övergång från ett tillstånd till ett annat ska kunna inträffa är det nödvändigt för kroppen att informera eller ta bort värme från den. För sådana processer inom fysiken introducerades begreppen specifika smältvärme (kristallisation) och kokning (kondensation). Alla dessa kvantiteter bestämmer mängden värme som krävs för att ändra tillståndet för aggregation, som frigör eller absorberar 1 kg kroppsvikt. För dessa processer är ekvationen giltig: Q=Lm, där L är det specifika värmet för motsvarande övergång mellan materiens tillstånd.
Nedan är huvuddragen i processerna för att ändra tillståndet för aggregering:
- Dessa processer äger rum vid en konstant temperatur, såsom kokning eller smältning.
- De är vändbara. Till exempel kommer mängden värme som en given kropp absorberade för att smälta att vara exakt lika med mängden värme som kommer att släppas ut i miljön om denna kropp passerar igentill fast tillstånd.
Termisk jämvikt
Detta är en annan viktig fråga relaterad till begreppet "värme" som måste övervägas. Om två kroppar med olika temperaturer kommer i kontakt, kommer temperaturen i hela systemet efter ett tag att jämnas ut och bli densamma. För att uppnå termisk jämvikt måste en kropp med högre temperatur avge värme till systemet, och en kropp med lägre temperatur måste acceptera denna värme. Värmefysikens lagar som beskriver denna process kan uttryckas som en kombination av huvudvärmeöverföringsekvationen och ekvationen som bestämmer förändringen i materiens aggregerade tillstånd (om någon).
Ett slående exempel på processen med spontant upprättande av termisk jämvikt är en glödhet järnstång som kastas i vattnet. I detta fall kommer det varma strykjärnet att avge värme till vattnet tills dess temperatur blir lika med vätskans temperatur.
Grundläggande metoder för värmeöverföring
Alla processer som människan känner till som hör samman med utbytet av termisk energi sker på tre olika sätt:
- Värmeledningsförmåga. För att värmeväxling ska ske på detta sätt krävs kontakt mellan två kroppar med olika temperaturer. I kontaktzonen på den lokala molekylära nivån överförs kinetisk energi från en varm kropp till en kall. Hastigheten för denna värmeöverföring beror på de inblandade kropparnas förmåga att leda värme. Ett slående exempel på värmeledningsförmåga ärmänniska som rör vid en metallstav.
- Konvektion. Denna process kräver rörelse av materia, så den observeras endast i vätskor och gaser. Kärnan i konvektion är som följer: när gas- eller vätskeskikt värms upp minskar deras densitet, så de tenderar att stiga upp. Under deras ökning av volymen av vätska eller gas överför de värme. Ett exempel på konvektion är processen att koka vatten i en vattenkokare.
- Strålning. Denna värmeöverföringsprocess uppstår på grund av emissionen av elektromagnetisk strålning av olika frekvenser från en uppvärmd kropp. Solljus är ett utmärkt exempel på strålning.
