Todas as substâncias possuem energia interna.Este valor é caracterizado por uma série de propriedades físicas e químicas, entre as quais deve ser dada especial atenção ao calor. Este valor é um valor matemático abstrato que descreve as forças de interação entre as moléculas de uma substância. Compreender o mecanismo de troca de calor pode ajudar a responder à questão de quanto calor foi liberado durante o resfriamento e aquecimento de substâncias, bem como sua combustão.
A história da descoberta do fenômeno do calor
O fenômeno da transferência de calor foi originalmente descritomuito simples e compreensível: se a temperatura de uma substância aumenta, ela recebe calor e, no caso de resfriamento, libera-o no ambiente. No entanto, o calor não é parte integrante do líquido ou corpo em questão, como se pensava há três séculos. As pessoas acreditavam ingenuamente que a matéria consiste em duas partes: suas próprias moléculas e calor. Agora, poucas pessoas lembram que o termo "temperatura" em latim significa "mistura" e, por exemplo, falavam do bronze como "a temperatura do estanho e do cobre".
No século XVII, surgiram duas hipóteses que poderiamexplicar claramente o fenômeno do calor e da transferência de calor. A primeira foi proposta em 1613 por Galileu. Sua formulação foi: "O calor é uma substância incomum que pode penetrar dentro e fora de qualquer corpo." Galileu chamou essa substância de calórica. Ele argumentou que o calórico não pode desaparecer ou entrar em colapso, mas só é capaz de passar de um corpo para outro. Conseqüentemente, quanto mais calórica a substância, maior sua temperatura.
A segunda hipótese apareceu em 1620, esugerida pelo filósofo Bacon. Ele notou que sob os fortes golpes do martelo, o ferro esquentava. Esse princípio também funcionava ao acender o fogo por fricção, o que levou Bacon a pensar na natureza molecular do calor. Ele argumentou que quando um corpo é afetado mecanicamente, suas moléculas começam a bater umas nas outras, aumentando a velocidade do movimento e, assim, elevando a temperatura.
O resultado da segunda hipótese foi a conclusão de queo calor é o resultado da ação mecânica das moléculas de uma substância entre si. Por um longo período de tempo, Lomonosov tentou substanciar e provar experimentalmente essa teoria.
O calor é uma medida da energia interna de uma substância
Os cientistas modernos chegaram à seguinte conclusão:a energia térmica é o resultado da interação das moléculas de uma substância, ou seja, a energia interna do corpo. A velocidade do movimento das partículas depende da temperatura e a quantidade de calor é diretamente proporcional à massa da substância. Assim, um balde de água tem mais energia térmica do que um copo cheio. No entanto, um pires de líquido quente pode ter menos calor do que uma bacia de frio.
A teoria do calórico, que foi proposta no século XVIIGalileo, os cientistas refutaram J. Joule e B. Rumford. Eles provaram que a energia térmica não tem massa e é caracterizada apenas pelo movimento mecânico das moléculas.
Quanto calor é liberado quando a substância queima? Calor específico de combustão
Até hoje, universal e amplamenteas fontes de energia utilizadas são turfa, petróleo, carvão, gás natural ou madeira. Quando essas substâncias são queimadas, uma certa quantidade de calor é liberada, que é usada para aquecimento, partida de mecanismos etc. Como esse valor pode ser calculado na prática?
Para fazer isso, introduzimos o conceito de calor específicocombustão. Esse valor depende da quantidade de calor liberada durante a combustão de 1 kg de uma determinada substância. É denotado pela letra q e é medido em J / kg. Abaixo está uma tabela de valores q para alguns dos combustíveis mais comuns.
Engenheiro na construção e cálculo de motoresé necessário saber quanto calor é liberado quando uma certa quantidade de uma substância é queimada. Para fazer isso, você pode usar medições indiretas de acordo com a fórmula Q \u003d qm, onde Q é o calor de combustão da substância, q é o calor específico de combustão (valor de tabela) e m é a massa dada.
A geração de calor durante a combustão é baseada emo fenômeno de liberação de energia durante a formação de ligações químicas. O exemplo mais simples é a combustão do carbono, contido em qualquer tipo de combustível moderno. O carbono queima na presença do ar atmosférico e se combina com o oxigênio para formar o dióxido de carbono. A formação de uma ligação química ocorre com a liberação de energia térmica para o ambiente, e o homem se adaptou para usar essa energia para seus próprios fins.
Infelizmente, o gasto irrefletido de tão valiososrecursos naturais, como petróleo ou turfa, podem em breve levar ao esgotamento das fontes de extração desses combustíveis. Já hoje surgem eletrodomésticos e até novos modelos de automóveis, cujo trabalho se baseia em fontes alternativas de energia como a luz do sol, a água ou a energia da crosta terrestre.
Transferência de calor
A capacidade de trocar energia térmica dentro do corpoou de um corpo para outro é chamado de transferência de calor. Esse fenômeno não ocorre espontaneamente e ocorre apenas com uma diferença de temperatura. No caso mais simples, a energia térmica é transferida de um corpo mais quente para um menos aquecido até que o equilíbrio seja estabelecido.
Os corpos não precisam estar em contato paraocorreu transferência de calor. De qualquer forma, o estabelecimento do equilíbrio também pode ocorrer a uma pequena distância entre os objetos considerados, mas em um ritmo mais lento do que quando eles entram em contato.
A transferência de calor pode ser dividida em três tipos:
1. Condutividade térmica.
2. Convecção.
3. Troca radiante.
Condutividade térmica
Este fenômeno é baseado na transferência de energia térmicaentre átomos ou moléculas de matéria. O motivo da transmissão é o movimento caótico das moléculas e sua colisão constante. Devido a isso, o calor passa de uma molécula para outra ao longo da cadeia.
O fenômeno da condução de calor pode ser observado quandocalcinação de qualquer material de ferro, quando a vermelhidão na superfície se espalha suavemente e desaparece gradualmente (uma certa quantidade de calor é liberada no ambiente).
J. Fourier derivou uma fórmula para o fluxo de calor, que coletou todas as quantidades que afetam o grau de condutividade térmica de uma substância (veja a figura abaixo).
Nesta fórmula, Q/t é o fluxo de calor, λ écoeficiente de condutividade térmica, S - área da seção transversal, T / X - a razão da diferença de temperatura entre as extremidades do corpo localizadas a uma certa distância.
A condutividade térmica é um valor tabular. É de importância prática ao isolar um edifício residencial ou isolamento térmico de equipamentos.
Transferência de calor radiante
Outro método de transferência de calor, baseado emfenômeno da radiação eletromagnética. Sua diferença em relação à convecção e à condução de calor reside no fato de que a transferência de energia também pode ocorrer no vácuo. No entanto, como no primeiro caso, é necessária a presença de uma diferença de temperatura.
A troca radiante é um exemplo de transferência de calor.energia solar para a superfície terrestre, que é a principal responsável pela radiação infravermelha. Para determinar quanto calor entra na superfície da Terra, várias estações foram construídas para monitorar a mudança neste indicador.
Convecção
Fluxo de ar de convecção diretamenteassociada ao fenômeno da transferência de calor. Independentemente de quanto calor transmitimos a um líquido ou gás, as moléculas da substância começam a se mover mais rapidamente. Com isso, a pressão de todo o sistema diminui e o volume, ao contrário, aumenta. Esta é a razão do movimento ascendente das correntes de ar quente ou de outros gases.
O exemplo mais simples de usar o fenômenoa convecção na vida cotidiana pode ser chamada de aquecimento ambiente usando baterias. Eles estão localizados no fundo da sala por um motivo, mas para que o ar aquecido tenha espaço para subir, o que leva à circulação de fluxos pela sala.
Como o calor pode ser medido?
O calor de aquecimento ou resfriamento é calculadomatematicamente usando um dispositivo especial - um calorímetro. A instalação é representada por um grande vaso isolado termicamente cheio de água. Um termômetro é abaixado no líquido para medir a temperatura inicial do meio. Em seguida, um corpo aquecido é abaixado na água para calcular a mudança na temperatura do líquido após o equilíbrio ser estabelecido.
Ao aumentar ou diminuir t, os ambientes determinamquanto calor deve ser gasto para aquecer o corpo. O calorímetro é o dispositivo mais simples que pode registrar mudanças de temperatura.
Você também pode usar um calorímetro para calcularquanto calor será liberado durante a combustão de substâncias. Para isso, uma “bomba” é colocada em um recipiente cheio de água. Esta "bomba" é um recipiente fechado no qual a substância de teste está localizada. Eletrodos especiais para incêndio criminoso são conectados a ele e a câmara é preenchida com oxigênio. Após a combustão completa da substância, é registrada uma mudança na temperatura da água.
Durante esses experimentos, descobriu-se quefontes de energia térmica são reações químicas e nucleares. As reações nucleares ocorrem nas camadas profundas da Terra, formando a principal fonte de calor para todo o planeta. Eles também são usados por humanos para gerar energia no curso da fusão termonuclear.
A combustão é um exemplo de reação química.substâncias e a quebra de polímeros em monômeros no sistema digestivo humano. A qualidade e a quantidade de ligações químicas em uma molécula determinam quanto calor é finalmente liberado.
Como o calor é medido?
A unidade de medição de calor em países internacionaisA unidade SI é joule (J). Unidades não sistêmicas – calorias – também são utilizadas na vida cotidiana. 1 caloria é igual a 4,1868 J de acordo com o padrão internacional e 4,184 J com base na termoquímica. Costumava haver uma unidade térmica britânica chamada BTU, que não é mais usada pelos cientistas. 1 BTU = 1,055 J.
