Tutte le sostanze hanno energia interna.Questo valore è caratterizzato da una serie di proprietà fisiche e chimiche, tra le quali è necessario prestare particolare attenzione al calore. Questo valore è un valore matematico astratto che descrive le forze di interazione tra le molecole di una sostanza. Comprendere il meccanismo dello scambio di calore può aiutare a rispondere alla domanda su quanto calore è stato rilasciato durante il raffreddamento e il riscaldamento delle sostanze, nonché la loro combustione.
Inizialmente è stato descritto il fenomeno del trasferimento di caloremolto semplice e comprensibile: se la temperatura di una sostanza aumenta, riceve calore e, se raffreddata, la rilascia nell'ambiente. Tuttavia, il calore non è parte integrante del fluido o del corpo in questione, come si pensava tre secoli fa. La gente credeva ingenuamente che la materia fosse composta da due parti: le proprie molecole e il calore. Ora poche persone ricordano che il termine "temperatura" in latino significa "miscela" e, ad esempio, si parlava di bronzo come "temperatura di stagno e rame".
Nel XVII secolo apparvero due ipotesi che potrebberospiegherebbe chiaramente il fenomeno del calore e del trasferimento di calore. Il primo fu proposto nel 1613 da Galileo. La sua formulazione era la seguente: "Il calore è una sostanza insolita che può penetrare dentro e fuori qualsiasi corpo". Galileo chiamava questa sostanza calorica. Ha sostenuto che il calorico non può scomparire o disintegrarsi, ma è solo in grado di passare da un corpo all'altro. Di conseguenza, più una sostanza è calorica, maggiore è la sua temperatura.
La seconda ipotesi apparve nel 1620 eè stato proposto dal filosofo Bacon. Notò che sotto i forti colpi del martello, il ferro si stava riscaldando. Questo principio ha funzionato anche quando si accendeva un fuoco per attrito, il che ha portato Bacon all'idea della natura molecolare del calore. Ha sostenuto che quando agiscono meccanicamente sul corpo, le sue molecole iniziano a battere l'una contro l'altra, aumentano la velocità di movimento e quindi aumentano la temperatura.
La seconda ipotesi ha portato alla conclusione cheil calore è il risultato dell'azione meccanica delle molecole di una sostanza tra loro. Per un lungo periodo di tempo, Lomonosov ha cercato di convalidare e provare sperimentalmente questa teoria.
Gli scienziati moderni sono giunti alla seguente conclusione:l'energia termica è il risultato dell'interazione di molecole di materia, cioè l'energia interna del corpo. La velocità di movimento delle particelle dipende dalla temperatura e la quantità di calore è direttamente proporzionale alla massa della sostanza. Pertanto, un secchio d'acqua ha più energia termica di una tazza piena. Tuttavia, un piattino di liquido caldo può avere meno calore di una ciotola di liquido freddo.
La teoria calorica proposta nel XVII secoloGalileo, furono confutati dagli scienziati J. Joule e B. Rumford. Hanno dimostrato che l'energia termica non ha massa ed è caratterizzata esclusivamente dal movimento meccanico delle molecole.
Oggi universale e ampiamentele fonti energetiche utilizzate sono torba, petrolio, carbone, gas naturale o legno. Quando queste sostanze vengono bruciate, viene rilasciata una certa quantità di calore, che viene utilizzata per il riscaldamento, i meccanismi di avviamento, ecc. Come si può calcolare in pratica questo valore?
Per questo viene introdotto il concetto di calore specificocombustione. Questo valore dipende dalla quantità di calore che viene rilasciata durante la combustione di 1 kg di una determinata sostanza. È indicato dalla lettera q e si misura in J / kg. Di seguito è riportata una tabella dei valori q per alcuni dei combustibili più comuni.
Ingegnere nella progettazione e calcolo dei motoriè necessario sapere quanto calore verrà rilasciato durante la combustione di una certa quantità di una sostanza. Per fare ciò, è possibile utilizzare misurazioni indirette secondo la formula Q = qm, dove Q è il calore di combustione della sostanza, q è il calore specifico di combustione (valore tabulare) e m è la massa specificata.
La generazione di calore durante la combustione si basa suil fenomeno del rilascio di energia durante la formazione di legami chimici. L'esempio più semplice è la combustione del carbonio, che si trova in tutti i combustibili moderni. Il carbonio brucia in presenza di aria atmosferica e si combina con l'ossigeno per formare anidride carbonica. La formazione di un legame chimico procede con il rilascio di energia termica nell'ambiente e una persona si è adattata a utilizzare questa energia per i propri scopi.
Purtroppo, lo spreco sconsiderato di tali preziosirisorse come petrolio o torba possono presto esaurire le fonti di estrazione di questi combustibili. Già oggi compaiono elettrodomestici e persino nuovi modelli di auto, il cui funzionamento si basa su fonti di energia alternative come la luce solare, l'acqua o l'energia della crosta terrestre.
La capacità di scambiare energia termica all'interno del corpoo da un corpo all'altro si chiama trasferimento di calore. Questo fenomeno non si verifica spontaneamente e si verifica solo quando c'è una differenza di temperatura. Nel caso più semplice, l'energia termica viene trasferita da un corpo più riscaldato a uno meno riscaldato fino a quando non viene stabilito l'equilibrio.
I corpi non devono essere in contatto consi è verificato un fenomeno di trasferimento di calore. In ogni caso, il raggiungimento dell'equilibrio può avvenire anche a una piccola distanza tra gli oggetti in esame, ma ad una velocità inferiore rispetto a quando si toccano.
Il trasferimento di calore può essere suddiviso in tre tipi:
1. Conduttività termica.
2. Convezione.
3. Scambio radioso.
Questo fenomeno si basa sul trasferimento di energia termicatra gli atomi o le molecole di una sostanza. La ragione del trasferimento è il movimento caotico delle molecole e la loro costante collisione. A causa di ciò, il calore passa da una molecola all'altra lungo la catena.
Il fenomeno della conducibilità termica può essere osservato aricottura di qualsiasi materiale ferroso, quando il rossore sulla superficie si diffonde dolcemente e gradualmente svanisce (una certa quantità di calore viene rilasciata nell'ambiente).
J. Fourier ha derivato una formula per il flusso di calore, che raccoglieva tutte le quantità che influenzano il grado di conducibilità termica di una sostanza (vedi figura sotto).
In questa formula, Q / t è il flusso di calore, λ -coefficiente di conducibilità termica, S è l'area della sezione trasversale, T / X è il rapporto della differenza di temperatura tra le estremità del corpo situate ad una certa distanza.
La conducibilità termica è un valore tabulare. È di importanza pratica quando si isola una casa di abitazione o un'attrezzatura isolante.
Un altro metodo di trasferimento del calore, che si basa suil fenomeno della radiazione elettromagnetica. La sua differenza dalla convezione e dalla conduzione del calore è che il trasferimento di energia può avvenire anche nello spazio vuoto. Tuttavia, come nel primo caso, deve esserci una differenza di temperatura.
Lo scambio radiante è un esempio del trasferimento di caloreenergia del Sole alla superficie della Terra, che è principalmente responsabile della radiazione infrarossa. Per determinare quanto calore entra nella superficie terrestre, sono state costruite numerose stazioni che monitorano la variazione di questo indicatore.
Convezione diretta di flussi d'ariaassociato al fenomeno del trasferimento di calore. Indipendentemente da quanto calore abbiamo conferito a un liquido o un gas, le molecole della sostanza iniziano a muoversi più velocemente. Per questo motivo, la pressione dell'intero sistema diminuisce, mentre il volume, al contrario, aumenta. Questa è la ragione per il movimento verso l'alto di correnti calde di aria o altri gas.
L'esempio più semplice di utilizzo del fenomenola convezione nella vita di tutti i giorni può essere chiamata riscaldamento di una stanza usando le batterie. Si trovano nella parte inferiore della stanza per un motivo, ma in modo che l'aria riscaldata abbia spazio per salire, il che porta alla circolazione dei flussi in tutta la stanza.
Viene calcolato il calore di riscaldamento o raffreddamentomatematicamente usando un dispositivo speciale: un calorimetro. L'installazione è rappresentata da un grande vaso coibentato riempito d'acqua. Un termometro viene abbassato nel liquido per misurare la temperatura iniziale del mezzo. Quindi un corpo riscaldato viene calato nell'acqua per calcolare la variazione di temperatura del liquido dopo che è stato stabilito l'equilibrio.
Aumentando o diminuendo t dell'ambiente, viene determinatoquanto calore dovrebbe essere speso per riscaldare il corpo. Un calorimetro è il dispositivo più semplice in grado di registrare i cambiamenti di temperatura.
Inoltre, usando un calorimetro, puoi calcolarequanto calore verrà rilasciato durante la combustione delle sostanze. Per questo, una "bomba" viene collocata in un recipiente pieno d'acqua. Questa "bomba" è un recipiente chiuso in cui si trova la sostanza in esame. Ad esso sono collegati elettrodi speciali per incendio doloso e la camera è piena di ossigeno. Dopo la completa combustione della sostanza, viene registrata la variazione della temperatura dell'acqua.
Nel corso di tali esperimenti, si è scoperto chele fonti di energia termica sono reazioni chimiche e nucleari. Le reazioni nucleari avvengono negli strati profondi della Terra, formando la principale fonte di calore per l'intero pianeta. Sono anche usati dagli esseri umani per ottenere energia durante la fusione termonucleare.
Esempi di reazioni chimiche sono la combustionesostanze e la degradazione dei polimeri in monomeri nel sistema digerente umano. La qualità e la quantità dei legami chimici in una molecola determina la quantità di calore che viene infine rilasciata.
L'unità di misura del calore a livello internazionaleil sistema SI è joule (J). Inoltre, nella vita di tutti i giorni vengono utilizzate unità non sistemiche: calorie. 1 caloria equivale a 4,1868 J secondo lo standard internazionale e 4,184 J in base alla termochimica. In precedenza, esisteva un'unità termica britannica BTU, che è già usata raramente dagli scienziati. 1 BTU = 1,055 J.
