Във физиката понятието "топлина" се свързва с преноса на топлинна енергия между различни тела. Поради тези процеси се получава нагряване и охлаждане на телата, както и промяна в агрегатните им състояния. Нека разгледаме по-подробно въпроса какво е топлина.
Концептуална концепция
Какво е топлина? Всеки човек може да отговори на този въпрос от ежедневна гледна точка, като под разглежданата концепция има предвид усещанията, които изпитва при повишаване на температурата на околната среда. Във физиката това явление се разбира като процес на пренос на енергия, свързан с промяна в интензивността на хаотичното движение на молекулите и атомите, които образуват тялото.
Общо взето можем да кажем, че колкото по-висока е телесната температура, толкова повече вътрешна енергия се съхранява в него и толкова повече топлина може да даде на други обекти.
Топлина и температура
Познавайки отговора на въпроса какво е топлина, мнозина може да си помислят, че това понятие е подобно на понятието "температура", но не е така. Топлината е кинетична енергия, температурата е мярка за товаенергия. И така, процесът на пренос на топлина зависи от масата на веществото, от броя на частиците, които го изграждат, както и от вида на тези частици и средната скорост на тяхното движение. От своя страна температурата зависи само от последния от изброените параметри.
Разликата между топлина и температура е лесна за разбиране, ако проведете прост експеримент: трябва да налеете вода в два съда, така че единият съд да е пълен, а другият да е пълен само наполовина. Поставяйки двата съда на огъня, може да се види, че този, в който има по-малко вода, започва да кипи първи. За да заври вторият съд, ще му трябва още малко топлина от огъня. Когато и двата съда заврят, можете да измерите температурата им, тя ще бъде една и съща (100 oC), но беше необходима повече топлина, за да заври вода в пълен съд.
Топлинни единици
Според определението за топлина във физиката, може да се предположи, че тя се измерва в същите единици като енергията или работата, тоест в джаули (J). В допълнение към основната единица топлина, в ежедневието често можете да чуете за калории (kcal). Тази концепция се разбира като количеството топлина, което трябва да се предаде на един грам вода, така че температурата й да се повиши с 1 келвин (K). Една калория е равна на 4,184 J. Можете също да чуете за големи и малки калории, които са съответно 1 kcal и 1 cal.
Концепцията за топлинен капацитет
Знаейки какво е топлина, нека разгледаме физическа величина, която пряко я характеризира - топлинния капацитет. Съгласно тази концепция,физика означава количеството топлина, което трябва да бъде дадено или взето от тялото, за да може температурата му да се промени с 1 келвин (K).
Топлинният капацитет на конкретно тяло зависи от 2 основни фактора:
- относно химичния състав и агрегатното състояние, в което е представено тялото;
- от масата му.
За да стане тази характеристика независима от масата на обекта, във физиката на топлината е въведена друга величина - специфичният топлинен капацитет, който определя количеството топлина, предадено или поето от дадено тяло на 1 kg от неговата маса, когато температурата се промени с 1 K.
За да покажете ясно разликата в специфичните топлинни мощности за различните вещества, вземете например 1 g вода, 1 g желязо и 1 g слънчогледово олио и ги загрейте. Температурата ще се промени най-бързо за желязната проба, след това за капката масло и последно за водата.
Обърнете внимание, че специфичният топлинен капацитет зависи не само от химичния състав на веществото, но и от неговото агрегатно състояние, както и от външните физични условия, при които се разглежда (постоянно налягане или постоянен обем).
Основното уравнение на процеса на пренос на топлина
След като се занимаваме с въпроса какво е топлина, трябва да се даде основният математически израз, който характеризира процеса на нейното прехвърляне за абсолютно всякакви тела във всяко агрегатно състояние. Този израз има формата: Q=cmΔT, където Q е количеството предадена (получена) топлина, c е специфичната топлина на въпросния обект, m -неговата маса, ΔT е промяната в абсолютната температура, която се дефинира като разлика в телесните температури в края и в началото на процеса на пренос на топлина.
Важно е да се разбере, че горната формула винаги ще бъде валидна, когато по време на разглеждания процес обектът запазва агрегатното си състояние, тоест остава течен, твърд или газ. В противен случай уравнението не може да се използва.
Промяна в състоянието на агрегиране на материята
Както знаете, има 3 основни агрегатни състояния, в които материята може да бъде:
- газ;
- течност;
- твърдо тяло.
За да се осъществи преход от едно състояние в друго, е необходимо тялото да информира или да отнеме топлината от него. За такива процеси във физиката са въведени понятията специфични топлоти на топене (кристализация) и кипене (кондензация). Всички тези количества определят количеството топлина, необходимо за промяна на агрегатното състояние, което освобождава или абсорбира 1 kg телесно тегло. За тези процеси е валидно уравнението: Q=Lm, където L е специфичната топлина на съответния преход между състоянията на материята.
По-долу са основните характеристики на процесите на промяна на състоянието на агрегиране:
- Тези процеси протичат при постоянна температура, като кипене или топене.
- Те са обратими. Например, количеството топлина, което дадено тяло поглъща, за да се стопи, ще бъде точно равно на количеството топлина, което ще бъде отделено в околната среда, ако това тяло премине отновов твърдо състояние.
Топлинно равновесие
Това е друг важен въпрос, свързан с понятието "топлота", който трябва да се вземе предвид. Ако две тела с различни температури се докажат в контакт, след известно време температурата в цялата система ще се изравни и ще стане една и съща. За да се постигне топлинно равновесие, тялото с по-висока температура трябва да отдава топлина на системата, а тяло с по-ниска температура трябва да приеме тази топлина. Законите на топлинната физика, които описват този процес, могат да бъдат изразени като комбинация от основното уравнение за пренос на топлина и уравнението, което определя промяната в агрегатното състояние на материята (ако има такава).
Ярък пример за процеса на спонтанно установяване на топлинно равновесие е нажежен желязен прът, който се хвърля във водата. В този случай горещата ютия ще отдава топлина на водата, докато нейната температура стане равна на температурата на течността.
Основни методи за пренос на топлина
Всички процеси, известни на човека, които протичат с обмена на топлинна енергия, протичат по три различни начина:
- Топлопроводимост. За да се осъществи топлообмен по този начин, е необходим контакт между две тела с различни температури. В контактната зона на локално молекулярно ниво кинетичната енергия се прехвърля от горещо тяло към студено. Скоростта на този пренос на топлина зависи от способността на участващите тела да провеждат топлина. Ярък пример за топлопроводимост ечовек докосва метален прът.
- Конвекция. Този процес изисква движението на материята, така че се наблюдава само в течности и газове. Същността на конвекцията е следната: когато газовите или течните слоеве се нагряват, тяхната плътност намалява, така че те са склонни да се издигат нагоре. По време на нарастването на обема течност или газ те пренасят топлина. Пример за конвекция е процесът на кипене на вода в чайник.
- Радиация. Този процес на пренос на топлина се дължи на излъчването на електромагнитно лъчение с различни честоти от нагрето тяло. Слънчевата светлина е отличен пример за радиация.