الحرارة ... ما مقدار الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق؟

جميع المواد لديها الطاقة الداخلية.تتميز هذه القيمة بعدد من الخواص الفيزيائية والكيميائية ، من بينها اهتمام خاص بالتسخين. هذه القيمة هي قيمة رياضية مجردة تصف قوى التفاعل بين جزيئات المادة. يمكن أن يساعد فهم آلية التبادل الحراري في الإجابة على سؤال حول مقدار الحرارة المنبعثة أثناء التبريد وتسخين المواد ، وكذلك احتراقها.

تاريخ اكتشاف الحرارة

تم وصف ظاهرة نقل الحرارة في الأصلبسيط للغاية وواضح: إذا ارتفعت درجة حرارة مادة ما ، فإنها تحصل على الحرارة ، وفي حالة التبريد ، فإنها تطلقها في البيئة. ومع ذلك ، فإن الحرارة ليست جزءًا لا يتجزأ من السائل أو الجسم المعني ، كما كان يعتقد قبل ثلاثة قرون. اعتقد الناس بسذاجة أن المسألة تتكون من جزأين: جزيئاتها والحرارة. في الوقت الحاضر ، يتذكر عدد قليل من الناس أن مصطلح "درجة الحرارة" في اللاتينية يعني "خليط" ، وعلى سبيل المثال ، يشار إلى البرونزية باسم "درجة حرارة القصدير والنحاس".

في القرن السابع عشر ، ظهرت فرضيتان تستطيعان ذلكسيكون من المفهوم شرح ظاهرة انتقال الحرارة والحرارة. اقترح لأول مرة في عام 1613 من قبل غاليليو. كانت صيغته: "الحرارة هي مادة غير عادية يمكن أن تخترق داخل وخارج أي جسم". دعا غاليليو هذه المادة من السعرات الحرارية. وقال إن حمض السعرات الحرارية لا يمكن أن تختفي أو تنهار ، ولكن فقط قادرة على الانتقال من جسم إلى آخر. تبعا لذلك ، كلما زادت كمية الحرارة في المادة ، ارتفعت درجة الحرارة.

ظهرت الفرضية الثانية عام 1620 ، واقترحه الفيلسوف بيكون. لاحظ أنه تحت ضربات المطرقة القوية ، كان الحديد يسخن. نجح هذا المبدأ أيضًا عند إشعال النار بالاحتكاك ، مما أدى بيكون إلى فكرة الطبيعة الجزيئية للحرارة. وجادل أنه عند العمل ميكانيكيًا على الجسم ، تبدأ جزيئاته في التغلب على بعضها البعض ، مما يزيد من سرعة الحركة وبالتالي يرفع درجة الحرارة.

أدت الفرضية الثانية إلى الاستنتاج بأنالحرارة هي نتيجة الفعل الميكانيكي لجزيئات المادة مع بعضها البعض. لفترة طويلة من الزمن ، حاول لومونوسوف إثبات هذه النظرية وإثباتها تجريبياً.

الحرارة هي مقياس للطاقة الداخلية لمادة ما

توصل العلماء المعاصرون إلى الاستنتاج التالي: الطاقة الحرارية هي نتيجة تفاعل جزيئات المادة ، أي الطاقة الداخلية للجسم. تعتمد سرعة حركة الجسيمات على درجة الحرارة ، وتتناسب كمية الحرارة طرديًا مع كتلة المادة. وبالتالي ، فإن دلو من الماء يحتوي على طاقة حرارية أكثر من الكوب المملوء. ومع ذلك ، فإن صحن السائل الساخن قد يكون أقل دفئًا من وعاء بارد.

نظرية السعرات الحرارية المقترحة في القرن السابع عشرGalileo ، تم دحضه من قبل العالمين J. Joule و B. Rumford. لقد أثبتوا أن الطاقة الحرارية ليس لها أي كتلة وتتميز حصريًا بالحركة الميكانيكية للجزيئات.

ما مقدار الحرارة التي سيتم إطلاقها أثناء احتراق مادة ما؟ الحرارة النوعية للاحتراق

اليوم عالمي وعلى نطاق واسعمصادر الطاقة المستخدمة هي الجفت أو النفط أو الفحم أو الغاز الطبيعي أو الخشب. عندما يتم حرق هذه المواد ، يتم إطلاق كمية معينة من الحرارة ، والتي تستخدم للتدفئة ، وآليات البدء ، وما إلى ذلك. كيف يمكن حساب هذه القيمة عمليًا؟

لهذا ، تم تقديم مفهوم الحرارة النوعيةالإحتراق. تعتمد هذه القيمة على كمية الحرارة التي يتم إطلاقها أثناء احتراق 1 كجم من مادة معينة. يشار إليه بالحرف q ويقاس بـ J / kg. يوجد أدناه جدول قيم q لبعض أنواع الوقود الأكثر شيوعًا.

مهندس في بناء وحساب المحركاتمن الضروري معرفة مقدار الحرارة التي سيتم إطلاقها أثناء احتراق كمية معينة من مادة ما. للقيام بذلك ، يمكنك استخدام القياسات غير المباشرة وفقًا للصيغة Q = qm ، حيث Q هي حرارة احتراق المادة ، q هي الحرارة المحددة للاحتراق (القيمة الجدولية) ، و m هي الكتلة المحددة.

يعتمد توليد الحرارة أثناء الاحتراق علىظاهرة إطلاق الطاقة أثناء تكوين الروابط الكيميائية. أبسط مثال على ذلك هو احتراق الكربون الموجود في جميع أنواع الوقود الحديث. يحترق الكربون في وجود الهواء الجوي ويتحد مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكربون. يستمر تكوين رابطة كيميائية بإطلاق الطاقة الحرارية في البيئة ، وقد تكيف الشخص لاستخدام هذه الطاقة لأغراضه الخاصة.

لسوء الحظ ، فإن الهدر الطائش لمثل هذه القيمةيمكن للموارد مثل النفط أو الجفت أن تستنفد قريبًا مصادر استخراج هذه الأنواع من الوقود. تظهر اليوم بالفعل أجهزة كهربائية وحتى طرازات سيارات جديدة ، يعتمد عملها على مصادر طاقة بديلة مثل ضوء الشمس أو الماء أو طاقة القشرة الأرضية.

انتقال الحرارة

القدرة على تبادل الطاقة الحرارية داخل الجسمأو من جسم إلى آخر يسمى نقل الحرارة. لا تحدث هذه الظاهرة بشكل عفوي وتحدث فقط عندما يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة. في أبسط الحالات ، يتم نقل الطاقة الحرارية من الجسم الأكثر دفئًا إلى الجسم الأقل تسخينًا حتى يتم تحقيق التوازن.

لا يجب أن تكون الجثث على اتصال بهاحدثت ظاهرة انتقال الحرارة. على أي حال ، يمكن أن يحدث التوازن أيضًا على مسافة صغيرة بين الأشياء قيد الدراسة ، ولكن بسرعة أقل مما كانت عليه عند اللمس.

يمكن تقسيم نقل الحرارة إلى ثلاثة أنواع:

1. الموصلية الحرارية.

2. الحمل الحراري.

3. التبادل المشع.

الموصلية الحرارية

تعتمد هذه الظاهرة على نقل الطاقة الحراريةبين ذرات أو جزيئات مادة. سبب النقل هو الحركة الفوضوية للجزيئات واصطدامها المستمر. نتيجة لذلك ، تنتقل الحرارة من جزيء إلى آخر على طول السلسلة.

يمكن ملاحظة ظاهرة التوصيل الحراري فيتلدين أي مادة حديدية ، عندما ينتشر الاحمرار على السطح بسلاسة ويتلاشى تدريجياً (يتم إطلاق قدر معين من الحرارة في البيئة).

استمد ج. فورييه صيغة لتدفق الحرارة ، والتي جمعت جميع الكميات التي تؤثر على درجة التوصيل الحراري للمادة (انظر الشكل أدناه).

في هذه الصيغة ، Q / t هو تدفق الحرارة ، λ -معامل التوصيل الحراري ، S هي منطقة المقطع العرضي ، T / X هي نسبة اختلاف درجة الحرارة بين طرفي الجسم على مسافة معينة.

الموصلية الحرارية هي قيمة جدولية. إنها ذات أهمية عملية عند عزل مسكن أو معدات العزل.

إشعاع انتقال الحرارة

طريقة أخرى لنقل الحرارة ، والتي تعتمد علىظاهرة الإشعاع الكهرومغناطيسي. اختلافها عن الحمل الحراري والتوصيل الحراري هو أن نقل الطاقة يمكن أن يحدث أيضًا في الفراغ. ومع ذلك ، كما في الحالة الأولى ، يجب أن يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة.

التبادل الإشعاعي هو مثال على انتقال الحرارةطاقة الشمس على سطح الأرض ، وهي المسؤولة بشكل أساسي عن الأشعة تحت الحمراء. لتحديد مقدار الحرارة التي تدخل سطح الأرض ، تم إنشاء العديد من المحطات التي ترصد التغيير في هذا المؤشر.

الحمل الحراري

الحمل الحراري المباشر للتيارات الهوائيةالمرتبطة بظاهرة انتقال الحرارة. بغض النظر عن مقدار الحرارة التي ننقلها إلى سائل أو غاز ، تبدأ جزيئات المادة في التحرك بشكل أسرع. وبسبب هذا ، ينخفض ​​ضغط النظام بأكمله ، بينما يزداد الحجم ، على العكس من ذلك. وهذا هو سبب تحرك التيارات الدافئة من الهواء أو الغازات الأخرى إلى أعلى.

أبسط مثال على استخدام الظاهرةيمكن أن يسمى الحمل الحراري في الحياة اليومية تدفئة غرفة باستخدام البطاريات. تقع في الجزء السفلي من الغرفة لسبب ما ، ولكن بحيث يكون للهواء الساخن مساحة للارتفاع ، مما يؤدي إلى تدوير التدفقات في جميع أنحاء الغرفة.

كيف يمكنك قياس كمية الحرارة؟

يتم حساب حرارة التسخين أو التبريدرياضيا باستخدام جهاز خاص - المسعر. التركيب عبارة عن وعاء كبير معزول مملوء بالماء. يتم إنزال مقياس حرارة في السائل لقياس درجة الحرارة الأولية للوسط. ثم يتم إنزال جسم ساخن في الماء لحساب التغير في درجة حرارة السائل بعد تحقيق التوازن.

عن طريق زيادة أو تقليل t من البيئة ، يتم تحديدهمقدار الحرارة التي يجب إنفاقها لتسخين الجسم. المسعر هو أبسط جهاز يمكنه تسجيل التغيرات في درجات الحرارة.

أيضا ، باستخدام مقياس السعرات الحرارية ، يمكنك حسابمقدار الحرارة التي سيتم إطلاقها أثناء احتراق المواد. لهذا ، يتم وضع "قنبلة" في وعاء مملوء بالماء. هذه "القنبلة" عبارة عن وعاء مغلق توجد فيه مادة الاختبار. وترتبط به أقطاب كهربائية خاصة للحريق المتعمد ، والحجرة مملوءة بالأكسجين. بعد الاحتراق الكامل للمادة ، يتم تسجيل التغير في درجة حرارة الماء.

في سياق هذه التجارب ، وجد أنمصادر الطاقة الحرارية هي تفاعلات كيميائية ونووية. تحدث التفاعلات النووية في الطبقات العميقة من الأرض ، وتشكل مصدر الحرارة الرئيسي للكوكب بأكمله. كما يستخدمها البشر لتوليد الطاقة في سياق الاندماج النووي الحراري.

من أمثلة التفاعلات الكيميائية الاحتراقالمواد وتحلل البوليمرات إلى مونومرات في الجهاز الهضمي البشري. تحدد جودة وكمية الروابط الكيميائية في الجزيء مقدار الحرارة التي يتم إطلاقها في النهاية.

كيف يتم قياس الحرارة؟

وحدة قياس الحرارة الدوليةنظام SI هو جول (J). أيضًا في الحياة اليومية ، يتم استخدام الوحدات غير النظامية - السعرات الحرارية. 1 سعر حراري يساوي 4.1868 جول وفقًا للمعيار الدولي و 4.184 جول وفقًا للكيمياء الحرارية. في السابق ، كان هناك وحدة حرارية بريطانية BTU ، والتي نادرًا ما يستخدمها العلماء. 1 وحدة حرارية بريطانية = 1.055 ج.