Alle stoffene har indre energi.Denne verdien er preget av en rekke fysiske og kjemiske egenskaper, blant hvilke spesiell oppmerksomhet bør rettes mot varme. Denne verdien er en abstrakt matematisk verdi som beskriver kreftene i samspillet mellom molekyler av et stoff. Å forstå mekanismen for varmeutveksling kan bidra til å svare på spørsmålet om hvor mye varme som frigjøres under avkjøling og oppvarming av stoffer, samt forbrenning av dem.
Historien om oppdagelsen av fenomenet varme
Opprinnelig ble fenomenet varmeoverføring beskrevetveldig enkel og forståelig: hvis temperaturen på et stoff stiger, mottar det varme, og hvis det avkjøles, frigjør det det i miljøet. Imidlertid er varme ikke en integrert del av væsken eller kroppen det gjelder, som man trodde for tre århundrer siden. Folk trodde naivt at materie består av to deler: dets egne molekyler og varme. Nå er det få som husker at begrepet "temperatur" på latin betyr "blanding", og for eksempel ble bronse omtalt som "temperaturen på tinn og kobber."
På 1600-tallet dukket det opp to hypoteser som kunneville tydelig forklare fenomenet varme og varmeoverføring. Den første ble foreslått i 1613 av Galileo. Formuleringen hørtes slik ut: "Varme er et uvanlig stoff som kan trenge inn i og forlate enhver kropp." Galileo kalte dette stoffet kalorisk. Han hevdet at kalori ikke kan forsvinne eller gå i oppløsning, men bare er i stand til å passere fra en kropp til en annen. Følgelig, jo mer kalorisk i et stoff, jo høyere er temperaturen.
Den andre hypotesen dukket opp i 1620, ogble det foreslått av filosofen Bacon. Han la merke til at under de sterke slagene av hammeren var jernet oppvarmet. Dette prinsippet fungerte også når man tente en ild ved friksjon, noe som førte Bacon til ideen om den molekylære varmen. Han hevdet at når mekanisk virker på kroppen, begynner molekylene å slå mot hverandre, øke bevegelseshastigheten og derved heve temperaturen.
Den andre hypotesen resulterte i konklusjonen om atvarme er resultatet av den mekaniske virkningen av molekylene til et stoff med hverandre. I en lang periode prøvde Lomonosov å underbygge og eksperimentelt bevise denne teorien.
Varme er et mål på den indre energien til et stoff
Moderne forskere har kommet til følgende konklusjon:termisk energi er et resultat av samspillet mellom molekyler av materie, det vil si kroppens indre energi. Partikkelens bevegelseshastighet avhenger av temperatur, og varmemengden er direkte proporsjonal med stoffets masse. Så, en bøtte med vann har mer varmeenergi enn en fylt kopp. Imidlertid kan en bolle med varm væske ha mindre varme enn en bolle med kald.
Caloric theory foreslo på 1600-talletGalileo, ble tilbakevist av forskere J. Joule og B. Rumford. De beviste at termisk energi ikke har noen masse og er utelukkende preget av den mekaniske bevegelsen av molekyler.
Hvor mye varme frigjøres under forbrenningen av et stoff? Spesifikk forbrenningsvarme
I dag universelt og bredtenergikildene som brukes er torv, olje, kull, naturgass eller tre. Når disse stoffene blir brent, frigjøres en viss mengde varme som brukes til oppvarming, startmekanismer osv. Hvordan kan denne verdien beregnes i praksis?
For dette introduseres konseptet spesifikk varmeforbrenning. Denne verdien avhenger av mengden varme som frigjøres under forbrenningen av 1 kg av et bestemt stoff. Det er betegnet med bokstaven q og er målt i J / kg. Nedenfor er en tabell med q-verdier for noen av de vanligste drivstoffene.
Ingeniør i konstruksjon og beregning av motorerdet er nødvendig å vite hvor mye varme som frigjøres under forbrenningen av en viss mengde stoff. For å gjøre dette kan du bruke indirekte målinger med formelen Q = qm, hvor Q er forbrenningsvarmen til stoffet, q er den spesifikke forbrenningsvarmen (tabellverdi), og m er den spesifiserte massen.
Forbrenningsvarmeproduksjon er basert påfenomenet energiutgivelse under dannelsen av kjemiske bindinger. Det enkleste eksemplet er forbrenning av karbon, som finnes i ethvert moderne drivstoff. Karbon brenner i nærvær av atmosfærisk luft og kombineres med oksygen for å danne karbondioksid. Dannelsen av en kjemisk binding fortsetter med frigjøring av termisk energi i miljøet, og en person har tilpasset seg å bruke denne energien til sine egne formål.
Dessverre er det tankeløse sløsing med så verdifulltressurser, som olje eller torv, kan fort tømme kildene til utvinning av disse drivstoffene. Allerede i dag vises elektriske apparater og til og med nye bilmodeller, hvis drift er basert på alternative energikilder som sollys, vann eller energien fra jordskorpen.
Varmeoverføring
Evnen til å utveksle varmeenergi i kroppeneller fra et organ til et annet kalles varmeoverføring. Dette fenomenet forekommer ikke spontant og forekommer bare med en temperaturforskjell. I det enkleste tilfellet overføres varmeenergi fra et mer oppvarmet legeme til et mindre oppvarmet til det er likevekt.
Kroppene trenger ikke være i kontakt medvarmeoverføringsfenomen skjedde. I alle fall kan etablering av likevekt også skje i liten avstand mellom gjenstandene som vurderes, men med lavere hastighet enn når de berører.
Varmeoverføring kan deles inn i tre typer:
1. Termisk ledningsevne.
2. Konveksjon.
3. Strålende utveksling.
Termisk ledningsevne
Dette fenomenet er basert på overføring av termisk energimellom atomene eller molekylene til et stoff. Årsaken til overføringen er den kaotiske bevegelsen av molekyler og deres konstante kollisjon. På grunn av dette overføres varme fra et molekyl til et annet langs kjeden.
Fenomenet termisk ledningsevne kan observeres klannealing av ethvert jernmateriale når rødheten på overflaten jevnt sprer seg og gradvis blekner bort (en viss mengde varme frigjøres i miljøet).
J. Fourier avledet en formel for varmefluksen, som samlet alle mengder som påvirker graden av et termisk ledningsevne for et stoff (se figur nedenfor).
I denne formelen er Q / t varmefluxen, λ -termisk konduktivitetskoeffisient, S er tverrsnittsområdet, T / X er forholdet mellom temperaturforskjellen mellom endene av kroppen som ligger i en viss avstand.
Varmeledningsevne er en tabellverdi. Det er av praktisk betydning når du isolerer et hus eller isolerer utstyr.
Strålende varmeoverføring
En annen metode for varmeoverføring, som er basert påfenomenet elektromagnetisk stråling. Forskjellen fra konveksjon og varmeledning er at energioverføring også kan skje i vakuumrom. Som i det første tilfellet er det imidlertid nødvendig med en temperaturforskjell.
Stråleutveksling er et eksempel på varmeoverføringSolens energi til jordens overflate, som hovedsakelig er ansvarlig for infrarød stråling. For å bestemme hvor mye varme som faller på jordoverflaten ble det bygget mange stasjoner som overvåker endringen i denne indikatoren.
konveksjon
Direkte konveksjon av luftstrømmerassosiert med fenomenet varmeoverføring. Uansett hvor mye varme vi har gitt til en væske eller gass, begynner molekylene i stoffet å bevege seg raskere. På grunn av dette synker trykket i hele systemet, mens volumet tvert imot øker. Dette er grunnen til bevegelsen av varme strømmer av luft eller andre gasser oppover.
Det enkleste eksempelet på å bruke fenomenetkonveksjon i hverdagen kan kalles oppvarming av et rom ved hjelp av batterier. De er plassert i bunnen av rommet av en grunn, men slik at den oppvarmede luften har rom til å stige, noe som fører til sirkulasjon av strømmer i hele rommet.
Hvordan kan du måle varmemengden?
Varmen til oppvarming eller kjøling beregnesmatematisk ved hjelp av en spesiell enhet - et kalorimeter. Installasjonen er representert av et stort termisk isolert kar fylt med vann. Et termometer senkes ned i væsken for å måle begynnelsestemperaturen til mediet. Det oppvarmede legeme blir deretter senket ned i vannet for å beregne endringen i temperaturen på væsken etter at likevekt er etablert.
Ved å øke eller redusere t miljøer bestemmehvor mye varme må brukes for å varme opp kroppen. Kalorimeteret er den enkleste enheten som kan registrere temperaturendringer.
Du kan også bruke et kalorimeter til å beregnehvor mye varme som frigjøres ved forbrenning av stoffer. For å gjøre dette plasseres en "bombe" i et kar fylt med vann. Denne "bomben" er et lukket kar der teststoffet befinner seg. Spesielle elektroder for brannstiftelse er koblet til den, og kammeret er fylt med oksygen. Etter fullstendig forbrenning av stoffet registreres en endring i vanntemperaturen.
Under disse forsøkene ble det funnet attermiske energikilder er kjemiske og kjernefysiske reaksjoner. Kjernefysiske reaksjoner finner sted i de dype lagene av jorden, og danner den viktigste varmekilden for hele planeten. De brukes også av mennesker til å generere energi i løpet av termonukleær fusjon.
Forbrenning er et eksempel på en kjemisk reaksjon.stoffer og nedbrytning av polymerer til monomerer i menneskets fordøyelsessystem. Kvaliteten og kvantiteten av kjemiske bindinger i et molekyl bestemmer hvor mye varme som til slutt frigjøres.
Hvordan måles varme?
Måleenheten for varme i det internasjonaleSI-systemet er joule (J). Også i hverdagen brukes enheter utenfor systemet - kalorier. 1 kalori er lik 4.1868 J i henhold til den internasjonale standarden og 4.184 J basert på termokjemi. Tidligere var det en britisk termisk enhet Btu, som sjelden brukes av forskere. 1 BTU = 1,055 J.
