Visām vielām ir iekšējā enerģija.Šo vērtību raksturo vairākas fizikālās un ķīmiskās īpašības, starp kurām īpaša uzmanība jāpievērš karstumam. Šī vērtība ir abstrakta matemātiska vērtība, kas apraksta vielas molekulu mijiedarbības spēkus. Izpratne par siltuma apmaiņas mehānismu var palīdzēt atbildēt uz jautājumu par to, cik daudz siltuma izdalījās vielu dzesēšanas un karsēšanas laikā, kā arī par to sadegšanu.
Sākumā tika aprakstīta siltuma pārneses parādībaļoti vienkāršs un saprotams: ja vielas temperatūra paaugstinās, tā saņem siltumu, un dzesēšanas gadījumā tā izdalās vidē. Tomēr siltums nav attiecīgā šķidruma vai ķermeņa neatņemama sastāvdaļa, kā tika domāts pirms trim gadsimtiem. Cilvēki naivi uzskatīja, ka matērija sastāv no divām daļām: savām molekulām un siltuma. Mūsdienās tikai daži cilvēki atceras, ka termins “temperatūra” latīņu valodā nozīmē “maisījums”, un, piemēram, viņi par bronzu runāja par “alvas un vara temperatūru”.
17. gadsimtā parādījās divas hipotēzes, kas varētuBūtu skaidrs izskaidrot siltuma un siltuma pārneses fenomenu. Pirmo ierosināja 1613. gadā Galileo. Viņa teiktais bija šāds: "Karstums ir neparasta viela, kas var iekļūt jebkurā ķermenī un atstāt to." Galileo šo vielu sauca par siltumspēju. Viņš apgalvoja, ka kalorijas nevar izzust vai sabrukt, bet tikai spēj pārvietoties no viena ķermeņa uz otru. Attiecīgi, jo vairāk viela satur siltumu, jo augstāka ir tās temperatūra.
Otrā hipotēze parādījās 1620. gadā, unieteica viņai filozofs Bekons. Viņš ievēroja, ka zem spēcīgiem āmura sitieniem dzelzs sakarst. Šis princips darbojās arī ugunskura iedegšanās laikā, berzējot, kas lika Bekonam aizdomāties par siltuma molekulāro raksturu. Viņš apgalvoja, ka, mehāniski iedarbojoties uz ķermeni, tā molekulas sāk sisties pret otru, palielināt kustības ātrumu un tādējādi paaugstināt temperatūru.
Otrās hipotēzes rezultāts bija secinājums:siltums ir vielas molekulu mehāniskas darbības rezultāts savstarpēji. Ilgu laiku Lomonosovs mēģināja pamatot šo teoriju un eksperimentāli to pierādīt.
Mūsdienu zinātnieki ir nonākuši pie šāda secinājuma:siltumenerģija ir vielas molekulu, t.i., ķermeņa iekšējās enerģijas, mijiedarbības rezultāts. Daļiņu ātrums ir atkarīgs no temperatūras, un siltuma lielums ir tieši proporcionāls vielas masai. Tātad, spainī ūdens ir vairāk siltumenerģijas nekā piepildītā kausā. Tomēr apakštasei ar karstu šķidrumu var būt mazāk siltuma nekā baseinam ar aukstu.
Kaloriju teorija, kas tika ierosināta 17. gadsimtāGalileo, zinātnieki J. Džoule un B. Rumfords noliedzis. Viņi pierādīja, ka siltumenerģijai nav masas un to raksturo vienīgi molekulu mehāniska kustība.
Šodien universāls un plaši izplatītsizmantotie enerģijas avoti ir kūdra, nafta, ogles, dabasgāze vai koksne. Sadedzinot šīs vielas, izdalās noteikts siltuma daudzums, ko izmanto apkurei, iedarbināšanas mehānismiem utt. Kā šo vērtību var aprēķināt praksē?
Šim nolūkam tiek ieviests specifiskā siltuma jēdzienssadedzināšana. Šī vērtība ir atkarīga no siltuma daudzuma, kas izdalās, sadedzinot 1 kg noteiktas vielas. To apzīmē ar burtu q un mēra J / kg. Zemāk ir tabula ar q vērtībām dažām no visbiežāk izmantotajām degvielām.
Inženieris dzinēju uzbūvē un aprēķināšanāir jāzina, cik daudz siltuma izdalīsies, sadedzinot noteiktu daudzumu vielas. Lai to izdarītu, varat izmantot netiešos mērījumus pēc formulas Q = qm, kur Q ir vielas sadegšanas siltums, q ir īpatnējais sadegšanas siltums (tabulas vērtība) un m ir noteiktā masa.
Degšanas siltuma ražošana balstās uzenerģijas izdalīšanās parādība ķīmisko saišu veidošanās laikā. Vienkāršākais piemērs ir oglekļa sadedzināšana, kas ir atrodama jebkurā mūsdienu degvielā. Ogleklis deg atmosfēras gaisa klātbūtnē un kopā ar skābekli veido oglekļa dioksīdu. Ķīmiskās saites veidošanās notiek, izdalot siltumenerģiju vidē, un cilvēks ir pielāgojies šīs enerģijas izmantošanai saviem mērķiem.
Diemžēl nepārdomāts tik vērtīga izšķiešanaresursi, piemēram, nafta vai kūdra, drīz var noplicināt šo degvielu ieguves avotus. Jau šodien parādās elektroierīces un pat jauni automašīnu modeļi, kuru darba pamatā ir alternatīvi enerģijas avoti, piemēram, saules gaisma, ūdens vai zemes garozas enerģija.
Spēja apmainīt siltuma enerģiju organismāvai no viena ķermeņa uz otru sauc par siltuma pārnesi. Šī parādība nenotiek spontāni un notiek tikai ar temperatūras starpību. Vienkāršākajā gadījumā siltuma enerģija tiek pārnesta no vairāk sakarsēta ķermeņa uz mazāk apsildītu ķermeni, līdz tiek izveidots līdzsvars.
Ķermeņiem nav jāsazināsradās siltuma pārneses parādība. Jebkurā gadījumā līdzsvara izveidošanās var notikt arī nelielā attālumā starp apskatāmajiem objektiem, bet ar mazāku ātrumu nekā tad, kad tie pieskaras.
Siltuma pārnesi var iedalīt trīs veidos:
1. Siltumvadītspēja.
2. Konvekcija.
3. starojuma apmaiņa.
Šīs parādības pamatā ir siltumenerģijas nodošanastarp vielas atomiem vai molekulām. Pārneses cēlonis ir haotiska molekulu kustība un to pastāvīgā sadursme. Sakarā ar to siltums tiek pārnests no vienas molekulas uz otru gar ķēdi.
Siltumvadītspējas fenomenu var novērot plkstjebkura dzelzs materiāla atlaidināšana, kad apsārtums uz virsmas vienmērīgi izplatās un pamazām izzūd (vidē izdalās zināms daudzums siltuma).
Dž. Furjē atvasināja siltuma plūsmas formulu, kurā tika apkopoti visi lielumi, kas ietekmē vielas siltumvadītspējas pakāpi (skatīt attēlu zemāk).
Šajā formulā Q / t ir siltuma plūsma, λ -siltuma vadītspējas koeficients, S ir šķērsgriezuma laukums, T / X ir temperatūras starpības attiecība starp ķermeņa galiem, kas atrodas noteiktā attālumā.
Siltumvadītspēja ir tabulas vērtība. Tam ir praktiska nozīme dzīvojamās ēkas vai aprīkojuma siltumizolācijai.
Vēl viena siltuma pārneses metode, kuras pamatā irelektromagnētiskā starojuma parādība. Tās atšķirība no konvekcijas un siltuma vadīšanas ir tāda, ka enerģijas pārnešana var notikt arī vakuuma telpā. Tomēr, tāpat kā pirmajā gadījumā, ir nepieciešama temperatūras starpība.
Radiācijas apmaiņa ir siltuma pārneses piemērsSaules enerģija līdz Zemes virsmai, kas galvenokārt ir atbildīga par infrasarkano starojumu. Lai noteiktu, cik daudz siltuma nonāk zemes virsmā, tika uzbūvētas daudzas stacijas, kas uzrauga šī rādītāja izmaiņas.
Gaisa plūsmu tieša konvekcijakas saistīts ar siltuma pārneses parādību. Neatkarīgi no tā, cik daudz siltuma mēs piešķiram šķidrumam vai gāzei, vielas molekulas sāk kustēties ātrāk. Tāpēc visas sistēmas spiediens samazinās, un tilpums, gluži pretēji, palielinās. Tas ir iemesls siltas gaisa vai citu gāzu plūsmas virzībai uz augšu.
Vienkāršākais fenomena izmantošanas piemērskonvekciju ikdienas dzīvē var saukt par telpas sildīšanu, izmantojot baterijas. Ne velti tie atrodas istabas apakšā, bet tā, lai sasildītajam gaisam būtu vieta paaugstināties, kas noved pie plūsmu aprites visā telpā.
Aprēķina apkures vai dzesēšanas siltumumatemātiski izmantojot īpašu ierīci - kalorimetru. Instalāciju attēlo liels siltumizolēts trauks, kas piepildīts ar ūdeni. Termometrs tiek pazemināts šķidrumā, lai izmērītu barotnes sākotnējo temperatūru. Tad sasildīts ķermenis tiek nolaists ūdenī, lai aprēķinātu šķidruma temperatūras izmaiņas pēc līdzsvara noteikšanas.
Palielinot vai samazinot vides t, to nosakacik daudz siltuma vajadzētu tērēt ķermeņa sildīšanai. Kalorimetrs ir vienkāršākā ierīce, ar kuru var reģistrēt temperatūras izmaiņas.
Izmantojot kalorimetru, jūs varat arī aprēķinātkāds siltuma daudzums izdalīsies vielu sadedzināšanas laikā. Šim nolūkam traukā, kas piepildīts ar ūdeni, tiek ievietota "bumba". Šī "bumba" ir slēgts trauks, kurā atrodas pārbaudāmā viela. Tam ir pievienoti speciāli elektrodi dedzināšanai, un kamera ir piepildīta ar skābekli. Pēc pilnīgas vielas sadedzināšanas reģistrē ūdens temperatūras izmaiņas.
Šādu eksperimentu laikā tika konstatēts, kasiltumenerģijas avoti ir ķīmiskās un kodolreakcijas. Kodolreakcijas notiek dziļos Zemes slāņos, veidojot galveno siltuma padevi visai planētai. Cilvēki tos izmanto arī enerģijas ražošanai kodolsintēzes laikā.
Ķīmisko reakciju piemēri ir sadegšanacilvēka polimēru sadalīšanās monomeros cilvēka gremošanas sistēmā. Ķīmisko saišu kvalitāte un daudzums molekulā nosaka, cik daudz siltuma galu galā izdalās.
Siltuma mērvienība starptautiskajā mērogāSI sistēma ir džoule (J). Arī ikdienā tiek izmantotas nesistēmiskas vienības - kalorijas. 1 kalorija ir vienāda ar 4,1868 J saskaņā ar starptautisko standartu un 4,184 J, pamatojoties uz termoķīmiju. Iepriekš bija Lielbritānijas siltuma vienība BTU, kuru zinātnieki reti izmanto. 1 BTU = 1,055 J
