Όλες οι ουσίες έχουν εσωτερική ενέργεια.Αυτή η τιμή χαρακτηρίζεται από μια σειρά φυσικών και χημικών ιδιοτήτων, μεταξύ των οποίων πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στη θερμότητα. Αυτή η τιμή είναι μια αφηρημένη μαθηματική τιμή που περιγράφει τις δυνάμεις της αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων μιας ουσίας. Η κατανόηση του μηχανισμού ανταλλαγής θερμότητας μπορεί να βοηθήσει στην απάντηση στο ερώτημα του πόσο απελευθερώθηκε θερμότητα κατά την ψύξη και θέρμανση των ουσιών, καθώς και την καύση τους.
Αρχικά, περιγράφηκε το φαινόμενο της μεταφοράς θερμότηταςπολύ απλό και κατανοητό: εάν η θερμοκρασία μιας ουσίας αυξηθεί, δέχεται θερμότητα και αν κρυώσει, την απελευθερώνει στο περιβάλλον. Ωστόσο, η θερμότητα δεν αποτελεί αναπόσπαστο μέρος του εν λόγω υγρού ή σώματος, όπως πιστεύεται πριν από τρεις αιώνες. Οι άνθρωποι πίστευαν αφελώς ότι η ύλη αποτελείται από δύο μέρη: τα μόρια και τη θερμότητα της. Τώρα λίγοι άνθρωποι θυμούνται ότι ο όρος «θερμοκρασία» στα λατινικά σημαίνει «μείγμα» και, για παράδειγμα, ο χαλκός μιλούσε ως «η θερμοκρασία του κασσίτερου και του χαλκού».
Τον 17ο αιώνα, εμφανίστηκαν δύο υποθέσεις που θα μπορούσανθα εξηγούσε με σαφήνεια το φαινόμενο της μεταφοράς θερμότητας και θερμότητας. Το πρώτο προτάθηκε το 1613 από το Galileo. Η διατύπωσή της είχε ως εξής: "Η θερμότητα είναι μια ασυνήθιστη ουσία που μπορεί να εισέλθει και να αφήσει οποιοδήποτε σώμα." Το Galileo ονόμασε αυτή την ουσία θερμιδική. Υποστήριξε ότι οι θερμίδες δεν μπορούν να εξαφανιστούν ή να αποσυντεθούν, αλλά μπορεί να περάσει μόνο από το ένα σώμα στο άλλο. Κατά συνέπεια, όσο πιο θερμιδική σε μια ουσία, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία της.
Η δεύτερη υπόθεση εμφανίστηκε το 1620, καιπροτάθηκε από τον φιλόσοφο Μπέικον. Παρατήρησε ότι κάτω από τα δυνατά χτυπήματα του σφυριού, το σίδερο θερμάνθηκε. Αυτή η αρχή λειτούργησε επίσης όταν ανάβει φωτιά με τριβή, η οποία οδήγησε τον Μπέικον στην ιδέα της μοριακής φύσης της θερμότητας. Ισχυρίστηκε ότι όταν ενεργεί μηχανικά στο σώμα, τα μόρια του αρχίζουν να κτυπούνται μεταξύ τους, αυξάνουν την ταχύτητα κίνησης και αυξάνουν έτσι τη θερμοκρασία.
Η δεύτερη υπόθεση κατέληξε στο συμπέρασμα ότιη θερμότητα είναι το αποτέλεσμα της μηχανικής δράσης των μορίων μιας ουσίας μεταξύ τους. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, ο Λομονόσοφ προσπάθησε να τεκμηριώσει και να αποδείξει πειραματικά αυτήν τη θεωρία.
Οι σύγχρονοι επιστήμονες κατέληξαν στο ακόλουθο συμπέρασμα:η θερμική ενέργεια είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των μορίων της ύλης, δηλαδή της εσωτερικής ενέργειας του σώματος. Η ταχύτητα κίνησης των σωματιδίων εξαρτάται από τη θερμοκρασία και η ποσότητα θερμότητας είναι ανάλογη της μάζας της ουσίας. Έτσι, ένας κουβάς νερού έχει περισσότερη θερμική ενέργεια από ένα γεμάτο φλιτζάνι. Ωστόσο, ένα μπολ με ζεστό υγρό μπορεί να έχει λιγότερη θερμότητα από ένα μπολ με κρύο.
Η θεωρία των θερμίδων προτάθηκε τον 17ο αιώναΤο Galileo, διαψεύστηκε από τους επιστήμονες J. Joule και B. Rumford. Αποδεικνύουν ότι η θερμική ενέργεια δεν έχει καμία μάζα και χαρακτηρίζεται αποκλειστικά από τη μηχανική κίνηση μορίων.
Σήμερα καθολική και ευρέωςΟι πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται είναι τύρφη, λάδι, άνθρακας, φυσικό αέριο ή ξύλο. Όταν καίγονται αυτές οι ουσίες, απελευθερώνεται ορισμένη ποσότητα θερμότητας, η οποία χρησιμοποιείται για θέρμανση, μηχανισμούς εκκίνησης κ.λπ. Πώς μπορεί να υπολογιστεί αυτή η τιμή στην πράξη;
Для этого вводится понятие удельной теплоты καύση. Αυτή η τιμή εξαρτάται από την ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται κατά την καύση 1 kg μιας συγκεκριμένης ουσίας. Συμβολίζεται με το γράμμα q και μετριέται σε J / kg. Ακολουθεί ένας πίνακας τιμών q για μερικά από τα πιο κοινά καύσιμα.
Μηχανικός στην κατασκευή και τον υπολογισμό των κινητήρωνΕίναι απαραίτητο να γνωρίζουμε πόση θερμότητα θα απελευθερωθεί κατά την καύση ορισμένης ποσότητας μιας ουσίας. Για να το κάνετε αυτό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε έμμεσες μετρήσεις σύμφωνα με τον τύπο Q = qm, όπου Q είναι η θερμότητα της καύσης της ουσίας, q είναι η ειδική θερμότητα καύσης (τιμή πίνακα) και m είναι η καθορισμένη μάζα.
Η παραγωγή θερμότητας καύσης βασίζεταιτο φαινόμενο της απελευθέρωσης ενέργειας κατά το σχηματισμό χημικών δεσμών. Το απλούστερο παράδειγμα είναι η καύση του άνθρακα, η οποία βρίσκεται σε οποιοδήποτε σύγχρονο καύσιμο. Ο άνθρακας καίγεται παρουσία ατμοσφαιρικού αέρα και συνδυάζεται με οξυγόνο για να σχηματίσει διοξείδιο του άνθρακα. Ο σχηματισμός ενός χημικού δεσμού προχωρά με την απελευθέρωση θερμικής ενέργειας στο περιβάλλον και ένα άτομο έχει προσαρμοστεί να χρησιμοποιήσει αυτήν την ενέργεια για τους δικούς του σκοπούς.
Δυστυχώς, η απρόσεκτη σπατάλη τόσο πολύτιμωνπόροι, όπως το πετρέλαιο ή η τύρφη, ενδέχεται σύντομα να εξαντλήσουν τις πηγές εξόρυξης αυτών των καυσίμων. Ήδη σήμερα, εμφανίζονται ηλεκτρικές συσκευές και ακόμη και νέα μοντέλα αυτοκινήτων, η λειτουργία των οποίων βασίζεται σε εναλλακτικές πηγές ενέργειας όπως το ηλιακό φως, το νερό ή η ενέργεια του φλοιού της γης.
Η ικανότητα ανταλλαγής θερμικής ενέργειας μέσα στο σώμαή από το ένα σώμα στο άλλο ονομάζεται μεταφορά θερμότητας. Αυτό το φαινόμενο δεν εμφανίζεται αυθόρμητα και εμφανίζεται μόνο με διαφορά θερμοκρασίας. Στην απλούστερη περίπτωση, η θερμική ενέργεια μεταφέρεται από ένα πιο θερμαινόμενο σώμα σε ένα λιγότερο θερμαινόμενο μέχρι να δημιουργηθεί ισορροπία.
Τα σώματα δεν χρειάζεται να έρχονται σε επαφήΠαρουσιάστηκε φαινόμενο μεταφοράς θερμότητας. Σε κάθε περίπτωση, η δημιουργία ισορροπίας μπορεί επίσης να συμβεί σε μικρή απόσταση μεταξύ των υπό εξέταση αντικειμένων, αλλά με χαμηλότερη ταχύτητα από ό, τι όταν αγγίζουν.
Η μεταφορά θερμότητας μπορεί να χωριστεί σε τρεις τύπους:
1. Θερμική αγωγιμότητα.
2. Μεταφορά.
3. Ανταλλαγή ακτινοβολίας.
Αυτό το φαινόμενο βασίζεται στη μεταφορά θερμικής ενέργειαςμεταξύ των ατόμων ή των μορίων μιας ουσίας. Ο λόγος για τη μεταφορά είναι η χαοτική κίνηση των μορίων και η συνεχής σύγκρουσή τους. Λόγω αυτού, η θερμότητα μεταφέρεται από το ένα μόριο στο άλλο κατά μήκος της αλυσίδας.
Το φαινόμενο της θερμικής αγωγιμότητας μπορεί να παρατηρηθεί στοανόπτηση οποιουδήποτε σιδήρου υλικού, όταν η ερυθρότητα στην επιφάνεια απλώνεται ομαλά και σταδιακά εξαφανίζεται (μια συγκεκριμένη ποσότητα θερμότητας απελευθερώνεται στο περιβάλλον).
Ο J. Fourier εξήγαγε έναν τύπο για τη θερμική ροή, ο οποίος συγκέντρωσε όλες τις ποσότητες που επηρεάζουν τον βαθμό θερμικής αγωγιμότητας μιας ουσίας (βλ. Παρακάτω σχήμα).
Σε αυτόν τον τύπο, το Q / t είναι η ροή θερμότητας, λ -συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, S είναι η περιοχή διατομής, T / X είναι ο λόγος της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των άκρων του σώματος που βρίσκονται σε μια ορισμένη απόσταση.
Η θερμική αγωγιμότητα είναι μια τιμή πίνακα. Έχει πρακτική σημασία για τη θερμομόνωση ενός κτιρίου ή εξοπλισμού κατοικιών.
Μια άλλη μέθοδος μεταφοράς θερμότητας, η οποία βασίζεται στηντο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η διαφορά του από τη μεταφορά και την αγωγή θερμότητας είναι ότι η μεταφορά ενέργειας μπορεί επίσης να συμβεί στο κενό διάστημα. Ωστόσο, όπως στην πρώτη περίπτωση, απαιτείται διαφορά θερμοκρασίας.
Η ανταλλαγή ακτινοβολίας είναι ένα παράδειγμα μεταφοράς θερμότηταςενέργεια του Ήλιου στην επιφάνεια της Γης, η οποία είναι κυρίως υπεύθυνη για την υπέρυθρη ακτινοβολία. Για να προσδιοριστεί πόση θερμότητα φτάνει στην επιφάνεια της γης, κατασκευάστηκαν πολλοί σταθμοί που παρακολουθούν την αλλαγή σε αυτόν τον δείκτη.
Άμεση μεταφορά ροών αέρασχετίζεται με το φαινόμενο της μεταφοράς θερμότητας. Ανεξάρτητα από το πόσο θερμότητα προσδίδουμε σε ένα υγρό ή αέριο, τα μόρια της ουσίας αρχίζουν να κινούνται γρηγορότερα. Εξαιτίας αυτού, η πίεση ολόκληρου του συστήματος μειώνεται και ο όγκος, αντίθετα, αυξάνεται. Αυτός είναι ο λόγος για την κίνηση θερμών ρευμάτων αέρα ή άλλων αερίων προς τα πάνω.
Το απλούστερο παράδειγμα χρήσης του φαινομένουη μεταφορά στην καθημερινή ζωή μπορεί να ονομαστεί θέρμανση δωματίου χρησιμοποιώντας μπαταρίες. Βρίσκονται στο κάτω μέρος του δωματίου για έναν λόγο, αλλά έτσι ώστε ο θερμαινόμενος αέρας να έχει χώρο να ανεβαίνει, γεγονός που οδηγεί στην κυκλοφορία ροών σε όλο το δωμάτιο.
Υπολογίζεται η θερμότητα της θέρμανσης ή της ψύξηςμαθηματικά χρησιμοποιώντας μια ειδική συσκευή - ένα θερμιδόμετρο. Η εγκατάσταση αντιπροσωπεύεται από ένα μεγάλο μονωμένο δοχείο γεμάτο με νερό. Ένα θερμόμετρο κατεβαίνει στο υγρό για να μετρήσει την αρχική θερμοκρασία του μέσου. Στη συνέχεια, ένα θερμαινόμενο σώμα κατεβαίνει στο νερό για να υπολογίσει τη μεταβολή της θερμοκρασίας του υγρού μετά την επίτευξη ισορροπίας.
Με την αύξηση ή τη μείωση του περιβάλλοντος, καθορίζεταιπόση θερμότητα πρέπει να δαπανηθεί για τη θέρμανση του σώματος. Ένα θερμιδόμετρο είναι η απλούστερη συσκευή που μπορεί να καταγράψει αλλαγές θερμοκρασίας.
Επίσης, χρησιμοποιώντας ένα θερμιδόμετρο, μπορείτε να υπολογίσετετι ποσότητα θερμότητας θα απελευθερωθεί κατά την καύση ουσιών. Για αυτό, τοποθετείται μια «βόμβα» σε ένα δοχείο γεμάτο με νερό. Αυτή η "βόμβα" είναι ένα κλειστό δοχείο στο οποίο βρίσκεται η δοκιμαστική ουσία. Ειδικά ηλεκτρόδια για εμπρησμό συνδέονται με αυτό και ο θάλαμος είναι γεμάτος με οξυγόνο. Μετά την πλήρη καύση της ουσίας, καταγράφεται η αλλαγή στη θερμοκρασία του νερού.
Κατά τη διάρκεια τέτοιων πειραμάτων, διαπιστώθηκε ότιοι πηγές θερμικής ενέργειας είναι χημικές και πυρηνικές αντιδράσεις. Πυρηνικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στα βαθιά στρώματα της Γης, σχηματίζοντας την κύρια παροχή θερμότητας για ολόκληρο τον πλανήτη. Χρησιμοποιούνται επίσης από τον άνθρωπο για την παραγωγή ενέργειας κατά τη διάρκεια της θερμοπυρηνικής σύντηξης.
Παραδείγματα χημικών αντιδράσεων είναι η καύσηουσίες και την αποικοδόμηση των πολυμερών σε μονομερή στο ανθρώπινο πεπτικό σύστημα. Η ποιότητα και η ποσότητα των χημικών δεσμών σε ένα μόριο καθορίζει πόση θερμότητα απελευθερώνεται τελικά.
Η μονάδα μέτρησης της θερμότητας στο διεθνέςΤο σύστημα SI είναι joule (J). Επίσης στην καθημερινή ζωή χρησιμοποιούνται μη συστημικές μονάδες - θερμίδες. 1 θερμίδα ισούται με 4,1868 J σύμφωνα με το διεθνές πρότυπο και 4,184 J με βάση τη θερμοχημεία. Προηγουμένως, υπήρχε μια βρετανική θερμική μονάδα BTU, η οποία σπάνια χρησιμοποιείται από επιστήμονες. 1 BTU = 1,055 J.
