Всички вещества имат вътрешна енергия. Тази стойност се характеризира с редица физични и химични свойства, сред които трябва да се обърне специално внимание на топлината. Това количество е абстрактна математическа стойност, която описва силите на взаимодействие между молекулите на веществото. Разбирането на механизма на топлообмен може да помогне да се отговори на въпроса колко топлина се е отделила при охлаждане и нагряване на веществата, както и тяхното изгаряне.
История на откриването на явлението топлина
Първоначално феноменът на пренос на топлина беше описан много просто и ясно: ако температурата на дадено вещество се повиши, то получава топлина, а в случай на охлаждане, то я освобождава в околната среда. Топлината обаче не е неразделна част от разглежданата течност или тяло, както се смяташе преди три века. Хората наивно вярваха, че материята се състои от две части: собствени молекули и топлина. Сега малко хора си спомнят, че терминът "температура" на латински означава "смес" и, например, те говореха за бронза като "температурата на калай и мед".
През 17-ти век се появяват две хипотези, чеможе ясно да обясни феномена на топлина и топлопреминаване. Първият е предложен през 1613 г. от Галилей. Неговата формулировка беше: „Топлината е необичайна субстанция, която може да проникне във и извън всяко тяло“. Галилей нарече това вещество калорично. Той твърди, че калориите не могат да изчезнат или да се сринат, а могат да преминат само от едно тяло в друго. Съответно, колкото по-калорично е веществото, толкова по-висока е неговата температура.
Втората хипотеза се появява през 1620 г. и е предложена от философа Бейкън. Той забелязал, че при силните удари на чука желязото се нагрявало. Този принцип действаше и при разпалване на огън чрез триене, което накара Бейкън да мисли за молекулярната природа на топлината. Той твърди, че когато тялото е механично засегнато, неговите молекули започват да се бият една срещу друга, увеличават скоростта на движение и по този начин повишават температурата.
Резултатът от втората хипотеза беше заключението, че топлината е резултат от механичното действие на молекулите на веществото една с друга. Дълго време Ломоносов се опитва да обоснове и експериментално докаже тази теория.
Топлината е мярка за вътрешната енергия на материята
Съвременните учени са стигнали до следното заключение: топлинната енергия е резултат от взаимодействието на молекулите на веществото, тоест вътрешната енергия на тялото. Скоростта на движение на частиците зависи от температурата, а количеството топлина е право пропорционално на масата на веществото. Така че кофа с вода има повече топлинна енергия от пълна чаша. Въпреки това, чинийка с гореща течностможе да има по-малко топлина от студен леген.
Теорията за калоричността, която е предложена през 17-ти век от Галилей, е опровергана от учените Дж. Джоул и Б. Ръмфорд. Те доказаха, че топлинната енергия няма никаква маса и се характеризира единствено с механичното движение на молекулите.
Колко топлина ще се отдели при изгарянето на вещество? Специфична калоричност
Днес торфът, петролът, въглищата, природен газ или дървесина са универсални и широко използвани енергийни източници. При изгарянето на тези вещества се отделя определено количество топлина, която се използва за отопление, пускови механизми и т.н. Как може да се изчисли тази стойност на практика?
За това се въвежда концепцията за специфична топлина на горене. Тази стойност зависи от количеството топлина, което се отделя при изгарянето на 1 kg от определено вещество. Обозначава се с буквата q и се измерва в J/kg. По-долу е дадена таблица със стойности на q за някои от най-често срещаните горива.
Когато се изграждат и изчисляват двигатели, инженерът трябва да знае колко топлина ще се отдели при изгаряне на определено количество вещество. За да направите това, можете да използвате непреки измервания, като използвате формулата Q=qm, където Q е топлината на горене на веществото, q е специфичната топлина на горене (таблица стойност), а m е дадената маса.
Образуването на топлина по време на горене се основава на феномена на освобождаване на енергия по време на образуването на химични връзки. Най-простият пример е изгарянето на въглерод, който се съдържавъв всякакъв вид съвременно гориво. Въглеродът изгаря в присъствието на атмосферен въздух и се комбинира с кислород, за да образува въглероден диоксид. Образуването на химическа връзка протича с отделянето на топлинна енергия в околната среда и човекът се е приспособил да използва тази енергия за собствените си цели.
За съжаление, необмисленото изразходване на такива ценни ресурси като петрол или торф може скоро да доведе до изчерпване на източниците за производство на тези горива. Вече днес се появяват електрически уреди и дори нови модели автомобили, чиято работа се основава на алтернативни източници на енергия като слънчева светлина, вода или енергията на земната кора.
Топлопренос
Способността за обмен на топлинна енергия в тялото или от едно тяло на друго се нарича пренос на топлина. Това явление не възниква спонтанно и се проявява само при температурна разлика. В най-простия случай, топлинната енергия се прехвърля от по-горещо тяло към по-малко нагрето тяло, докато се установи равновесие.
Не е необходимо телата да са в контакт, за да се появи феноменът на топлопреминаване. Във всеки случай, установяването на равновесие може да се случи и на малко разстояние между разглежданите обекти, но с по-бавна скорост, отколкото когато те влязат в контакт.
Преносът на топлина може да бъде разделен на три типа:
1. Топлопроводимост.
2. Конвекция.
3. Сияещ обмен.
Топлопроводимост
Това явление се основава на преноса на топлинна енергия между атоми или молекули на материята. Причинапредаване - хаотичното движение на молекулите и тяхното постоянно сблъскване. Поради това топлината преминава от една молекула към друга по веригата.
Феноменът на топлопроводимост може да се наблюдава при калциниране на всеки железен материал, когато зачервяването по повърхността се разпространява плавно и постепенно избледнява (в околната среда се отделя известно количество топлина).
F. Фурие изведе формула за топлинен поток, която събира всички количества, които влияят върху степента на топлопроводимост на веществото (виж фигурата по-долу).
В тази формула Q/t е топлинният поток, λ е коефициентът на топлопроводимост, S е площта на напречното сечение, T/X е съотношението на температурната разлика между краищата на тялото, разположени при определено разстояние.
Топлопроводимостта е таблична стойност. Това е от практическо значение при изолация на жилищна сграда или топлоизолация на оборудване.
Пренос на лъчиста топлина
Друг начин за пренос на топлина, който се основава на феномена на електромагнитното излъчване. Неговата разлика от конвекцията и топлопроводимостта се състои във факта, че преносът на енергия може да се случи и във вакуумно пространство. Въпреки това, както в първия случай, е необходима температурна разлика.
Лъчист обмен е пример за пренос на топлинна енергия от Слънцето към земната повърхност, която е отговорна основно за инфрачервеното лъчение. За да се определи колко топлина достига до земната повърхност са изградени множество станции, коитоследете промяната в този индикатор.
Конвекция
Конвективното движение на въздушните потоци е пряко свързано с явлението пренос на топлина. Независимо от това колко топлина сме придали на течност или газ, молекулите на веществото започват да се движат по-бързо. Поради това налягането на цялата система намалява, а обемът, напротив, се увеличава. Това е причината за движението на топли въздушни течения или други газове нагоре.
Най-простият пример за използване на явлението конвекция в ежедневието може да се нарече отопление на стая с батерии. Те са разположени в долната част на стаята по някаква причина, но така, че нагретият въздух да има място да се издига, което води до циркулация на потоците около помещението.
Как може да се измери топлината?
Топлината на нагряване или охлаждане се изчислява математически с помощта на специално устройство - калориметър. Инсталацията е представена от голям топлоизолиран съд, пълен с вода. В течността се спуска термометър, за да се измери първоначалната температура на средата. След това нагрятото тяло се спуска във водата, за да се изчисли промяната в температурата на течността след установяване на равновесие.
Чрез увеличаване или намаляване на t околната среда определя колко топлина за загряване на тялото трябва да се изразходва. Калориметърът е най-простото устройство, което може да регистрира температурни промени.
Също така с помощта на калориметър можете да изчислите колко топлина ще се отдели по време на горенетовещества. За да направите това, „бомба“се поставя в съд, пълен с вода. Тази "бомба" е затворен съд, в който се намира изпитваното вещество. Към него са свързани специални електроди за палеж, а камерата се пълни с кислород. След пълното изгаряне на веществото се записва промяна в температурата на водата.
В хода на подобни експерименти беше установено, че източниците на топлинна енергия са химични и ядрени реакции. Ядрените реакции протичат в дълбоките слоеве на Земята, образувайки основния резерв от топлина за цялата планета. Те също се използват от хората за генериране на енергия чрез ядрен синтез.
Примери за химични реакции са изгарянето на вещества и разграждането на полимери до мономери в човешката храносмилателна система. Качеството и количеството на химическите връзки в една молекула определя колко топлина в крайна сметка се отделя.
Как се измерва топлината?
Единицата за топлина в международната система SI е джаулът (J). Също така в ежедневието се използват извънсистемни единици - калории. 1 калория се равнява на 4,1868 J според международния стандарт и 4,184 J на базата на термохимията. Преди това имаше btu btu, който рядко се използва от учените. 1 BTU=1,055 J.
