Alle stoffer har indre energi. Denne verdien er preget av en rekke fysiske og kjemiske egenskaper, blant annet bør man være spesielt oppmerksom på varme. Denne mengden er en abstrakt matematisk verdi som beskriver kreftene i samspillet mellom molekylene til et stoff. Å forstå mekanismen for varmeveksling kan bidra til å svare på spørsmålet om hvor mye varme som ble frigjort under kjøling og oppvarming av stoffer, samt deres forbrenning.
Historien om oppdagelsen av fenomenet varme
Opprinnelig ble fenomenet varmeoverføring beskrevet veldig enkelt og tydelig: Hvis temperaturen til et stoff stiger, mottar det varme, og i tilfelle avkjøling slipper det det ut i miljøet. Imidlertid er varme ikke en integrert del av væsken eller kroppen som vurderes, slik man trodde for tre århundrer siden. Folk trodde naivt at materie består av to deler: sine egne molekyler og varme. Nå er det få som husker at termen "temperatur" på latin betyr "blanding", og for eksempel snakket de om bronse som "temperaturen på tinn og kobber."
På 1600-tallet dukket det opp to hypoteser somkunne tydelig forklare fenomenet varme og varmeoverføring. Den første ble foreslått i 1613 av Galileo. Hans ordlyd var: "Varme er et uvanlig stoff som kan trenge inn og ut av enhver kropp." Galileo k alte dette stoffet kalorisk. Han hevdet at kalorier ikke kan forsvinne eller kollapse, men bare er i stand til å gå fra en kropp til en annen. Følgelig, jo mer kaloriinnhold i stoffet, desto høyere temperatur.
Den andre hypotesen dukket opp i 1620, og ble foreslått av filosofen Bacon. Han la merke til at under de sterke slagene fra hammeren ble jernet varme. Dette prinsippet fungerte også når den tente en ild ved friksjon, noe som fikk Bacon til å tenke på varmes molekylære natur. Han hevdet at når en kropp er mekanisk påvirket, begynner molekylene å slå mot hverandre, øke bevegelseshastigheten og dermed øke temperaturen.
Resultatet av den andre hypotesen var konklusjonen om at varme er et resultat 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 materie
Moderne forskere har kommet til følgende konklusjon: termisk energi er et resultat av samspillet mellom stoffmolekyler, dvs. kroppens indre energi. Bevegelseshastigheten til partikler avhenger av temperaturen, og varmemengden er direkte proporsjonal med massen til stoffet. Så en bøtte med vann har mer termisk energi enn en fylt kopp. Imidlertid en tallerken med varm væskekan ha mindre varme enn et kaldt basseng.
Teorien om kalori, som ble foreslått på 1600-tallet av Galileo, ble tilbakevist av forskerne J. Joule og B. Rumford. De beviste at termisk energi ikke har noen masse og er preget utelukkende av den mekaniske bevegelsen av molekyler.
Hvor mye varme frigjøres ved forbrenning av et stoff? Spesifikk brennverdi
I dag er torv, olje, kull, naturgass eller ved universelle og mye brukte energikilder. Når disse stoffene brennes frigjøres en viss mengde varme som brukes til oppvarming, startmekanismer osv. Hvordan kan denne verdien beregnes i praksis?
For dette introduseres begrepet spesifikk forbrenningsvarme. Denne verdien avhenger av mengden varme som frigjøres ved forbrenning av 1 kg av et bestemt stoff. Det er merket med bokstaven q og måles i J / kg. Nedenfor er en tabell med q-verdier for noen av de vanligste drivstoffene.
Når man bygger og beregner motorer, må en ingeniør vite hvor mye varme som frigjøres når en viss mengde stoff forbrennes. For å gjøre dette kan du bruke indirekte målinger med formelen Q=qm, der Q er forbrenningsvarmen til stoffet, q er den spesifikke forbrenningsvarmen (tabellverdi), og m er den gitte massen.
Danningen av varme under forbrenning er basert på fenomenet energifrigjøring under dannelsen av kjemiske bindinger. Det enkleste eksemplet er forbrenning av karbon, som er inneholdti alle typer 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 til miljøet, og mennesket har tilpasset seg å bruke denne energien til sine egne formål.
Dessverre kan ubetenksom bruk av slike verdifulle ressurser som olje eller torv snart føre til utarming av kilder for produksjon av disse drivstoffene. Allerede i dag dukker det opp 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 termisk energi i en kropp eller fra en kropp til en annen kalles varmeoverføring. Dette fenomenet oppstår ikke spontant og oppstår kun med en temperaturforskjell. I det enkleste tilfellet overføres termisk energi fra et varmere legeme til et mindre oppvarmet legeme inntil likevekt er etablert.
Kroppene trenger ikke være i kontakt for at fenomenet varmeoverføring skal oppstå. Uansett kan etablering av likevekt også skje i liten avstand mellom objektene som vurderes, men med lavere hastighet enn når de kommer i kontakt.
Varmeoverføring kan deles inn i tre typer:
1. Termisk ledningsevne.
2. Konveksjon.
3. Strålende utveksling.
Vermeledningsevne
Dette fenomenet er basert på overføring av termisk energi mellom atomer eller materiemolekyler. Årsakenoverføring - den kaotiske bevegelsen av molekyler og deres konstante kollisjon. På grunn av dette går varme fra ett molekyl til et annet langs kjeden.
Fenomenet termisk ledningsevne kan observeres når ethvert jernmateriale kalsineres, når rødheten på overflaten sprer seg jevnt og gradvis blekner (en viss mengde varme frigjøres til miljøet).
F. Fourier utledet en formel for varmestrøm, som samlet alle mengdene som påvirker graden av varmeledningsevne til et stoff (se figuren nedenfor).
I denne formelen er Q/t varmefluksen, λ er varmeledningskoeffisienten, S er tverrsnittsarealet, T/X er forholdet mellom temperaturforskjellen mellom endene av kroppen som befinner seg kl. en viss avstand.
Vermeledningsevne er en tabellverdi. Det er av praktisk betydning ved isolering av boligbygg eller varmeisolering av utstyr.
Strålingsvarmeoverføring
En annen måte å overføre varme på, som er basert på fenomenet elektromagnetisk stråling. Forskjellen fra konveksjon og varmeledning ligger i det faktum at energioverføring også kan skje i vakuumrom. Som i det første tilfellet kreves det imidlertid en temperaturforskjell.
Strålingsutveksling er et eksempel på overføring av termisk energi fra solen til jordoverflaten, som hovedsakelig er ansvarlig for infrarød stråling. For å bestemme hvor mye varme som når jordoverflaten, er det bygget utallige stasjoner, somovervåk endringen i denne indikatoren.
Konveksjon
Konvektiv bevegelse av luftstrømmer er direkte relatert til fenomenet varmeoverføring. Uavhengig av hvor mye varme vi har gitt til en væske eller gass, begynner molekylene til stoffet å bevege seg raskere. På grunn av dette synker trykket i hele systemet, og volumet øker tvert imot. Dette er årsaken til at varme luftstrømmer eller andre gasser beveger seg oppover.
Det enkleste eksempelet på bruk av fenomenet konveksjon i hverdagen kan kalles oppvarming av et rom med batterier. De er plassert nederst i rommet av en grunn, men slik at den oppvarmede luften har plass til å stige, noe som fører til sirkulasjon av strømmer rundt i rommet.
Hvordan kan varme måles?
Varmen ved oppvarming eller avkjøling beregnes matematisk ved hjelp av en spesiell enhet - et kalorimeter. Installasjonen er representert av et stort varmeisolert kar fylt med vann. Et termometer senkes ned i væsken for å måle den opprinnelige temperaturen til mediet. Deretter senkes et oppvarmet legeme ned i vannet for å beregne temperaturendringen til væsken etter at likevekt er etablert.
Ved å øke eller redusere t, bestemmer miljøet hvor mye varme kroppen skal bruke. Kalorimeteret er den enkleste enheten som kan registrere temperaturendringer.
Du kan også, ved hjelp av et kalorimeter, beregne hvor mye varme som frigjøres under forbrenningstoffer. 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 temperaturen i vannet.
I løpet av slike eksperimenter ble det fastslått at kildene til termisk energi er kjemiske og kjernefysiske reaksjoner. Kjernefysiske reaksjoner finner sted i de dype lagene av jorden, og danner hovedreserven av varme for hele planeten. De brukes også av mennesker til å generere energi gjennom kjernefysisk fusjon.
Eksempler på kjemiske reaksjoner er forbrenning av stoffer og nedbrytning av polymerer til monomerer i menneskets fordøyelsessystem. Kvaliteten og kvantiteten av kjemiske bindinger i et molekyl avgjør hvor mye varme som til slutt frigjøres.
Hvordan måles varme?
Enheten for varme i det internasjonale SI-systemet er joule (J). Også i hverdagen brukes enheter utenfor systemet - kalorier. 1 kalori tilsvarer 4,1868 J i henhold til den internasjonale standarden og 4,184 J basert på termokjemi. Tidligere var det en btu btu, som sjelden brukes av forskere. 1 BTU=1,055 J.
