Toplina je ... Koliko će vrućina biti ispuštena tijekom izgaranja?

Sve tvari imaju unutarnju energiju. Ovu vrijednost karakterizira niz fizikalnih i kemijskih svojstava, među kojima se posebna pozornost treba posvetiti toplini. Ova je vrijednost apstraktna matematička vrijednost koja opisuje sile interakcije molekula materije. Razumijevanje mehanizma razmjene topline može pomoći odgovoriti na pitanje količina topline

Povijest otkrića fenomena topline

U početku je fenomen prijenosa topline bio vrlo jednostavno i razumljivo opisan: ako se temperatura tvari podigne, ona dobiva toplinu, au slučaju hlađenja oslobađa ga u okoliš. Međutim, toplina nije sastavni dio tekućine ili tijela u pitanju, kao što je mislila prije tri stoljeća. Ljudi naivno vjeruju da se tvar sastoji od dva dijela: vlastitih molekula i topline. Sada se malo ljudi sjeća da je izraz "temperatura" na latinskom znači "mješavina", i, na primjer, govorio je o bronci kao "temperaturom kositra i bakra".

U 17. stoljeću pojavile su se dvije hipoteze koje bi mogle objasniti fenomen prijenosa topline i topline. Prvi koji je 1613. predložio Galileo. Njegova je formulacija bila: "Toplina je neobična tvar koja može prodrijeti u bilo koje tijelo i izaći iz nje". Galileo je ovu tvar zvao topline. Tvrdio je da toplina ne može nestati ili biti uništena, već samo da se može premjestiti iz jednog tijela u drugo. Prema tome, što je više topline u tvari, veća je temperatura.

Druga hipoteza nastala je 1620., a filozof je Bacon predložio to. Primijetio je da se pod jakim čekićem puše željezo. Ovo je načelo primijenjeno i kad je vatra zapaljena trenjem, što je vodilo Bacon na ideju molekularne prirode topline. Tvrdio je da kada se mehaničko djelovanje na tijelu svojih molekula počne boriti jedni protiv drugih, povećati brzinu kretanja i tako povećati temperaturu.

Rezultat druge hipoteze bio je zaključak da je toplina rezultat mehaničkog djelovanja međusobnih molekula tvari. Lomonosov je pokušao dokazati ovu teoriju tijekom dugog vremenskog razdoblja.

Toplina je mjera unutarnje energije tvari

Moderni znanstvenici došli su do sljedećeg zaključka: toplinska energija je rezultat interakcije molekula materije, unutarnja energija Tijelo. Brzina čestica ovisi o temperaturi, a toplinska vrijednost je izravno proporcionalna masi tvari. Dakle, kantu vode ima više toplinske energije od punjene čaše. Međutim, tanjurić s vrućom tekućinom može imati manje topline od bazena s hladnom.

Teorija topline, koju je u 17. stoljeću predložio Galileo, opovrgavali su znanstvenici J. Joule i B. Rumford. Dokazali su da toplinska energija nema masu i karakterizira isključivo mehaničko kretanje molekula.

Koliko će se topline osloboditi kad se tvar spali? Specifična toplina izgaranja

Do danas, univerzalni i široko korišteni izvori energije su treset, ulje, ugljen, prirodni plin ili drvo. Kada se spali te tvari, oslobađa se određena količina topline koja se koristi za grijanje, pokretanje mehanizama itd. Kako se ova vrijednost može izračunati u praksi?

Da bismo to učinili, uvodimo pojam specifičnu toplinu izgaranja. Ova vrijednost ovisi o količini topline koja se oslobađa kada se spali 1 kg određene tvari. Označeno je slovom q i mjeri se u J / kg. Ispod je tablica q vrijednosti za neke od najčešćih goriva.

Inženjeri u izgradnji i izračunu motora trebaju znati koliko će topline biti pušteno kada gori određena količina materije. Za to se indirektna mjerenja mogu vršiti pomoću formule Q = qm, gdje Q je toplina izgaranja tvari, q je specifična toplina izgaranja (tablična vrijednost), a m je navedena masa.

Stvaranje topline tijekom sagorijevanja temelji se na fenomenu oslobađanja energije tijekom stvaranja kemijskih veza. Najjednostavniji primjer je izgaranje ugljika, koje se nalazi u bilo kojem tipu modernog goriva. Ugljik se opeklina u prisustvu atmosferskog zraka i kombinira s kisikom, stvarajući ugljični dioksid. Oblikovanje kemijske veze nastavlja s oslobađanjem toplinske energije u okoliš, a ta je energija prilagođena za uporabu u svoje vlastite svrhe.

Nažalost, nepromišljeni izdaci takvih vrijednih resursa poput ulja ili treseta mogu uskoro dovesti do iscrpljivanja izvora ekstrakcije tih goriva. Već danas postoje električni aparati, pa čak i novi modeli automobila, čiji se rad temelji na alternativnim izvorima energije kao što su sunčeva svjetlost, voda ili energija zemaljske kore.

Prijenos topline

Poziva se sposobnost razmjene termalne energije u tijelu ili od jednog do drugog tijela prijenos topline. Ovo je fenomen se ne pojavljuje spontano i javlja se samo pri temperaturnoj razlici. U najjednostavnijem slučaju, toplinska se energija prenosi s više grijanog tijela na manje zagrijan dok se ne ustanovi ravnoteža.

Tijela ne moraju dotaknuti fenomen prijenosa topline. U svakom slučaju, uspostavljanje ravnoteže može se pojaviti i na maloj udaljenosti između predmeta, ali sporijim nego kad su u kontaktu.

Prijenos topline može se podijeliti u tri vrste:

1. Toplinska vodljivost.

2. Konvekcija.

3. Razmještaj zračenja.

Toplinska vodljivost

Taj se fenomen temelji na prijenosu toplinske energije između atoma ili molekula materije. Razlog prijenosa je kaotično kretanje molekula i njihova stalna sudara. Zbog toga se topline prenose s jedne molekule na drugu uz lanac.

Pridržavajte se kako fenomen toplinske vodljivosti može biti na zapaljenju bilo kojeg željezovog materijala, kada se crvenilo na površini glatko širi i postupno vlaži (određena količina topline se ispušta u okoliš).

J. Fourier izvedena je formula za toplinski tok koji je skupio sve količine koje utječu na stupanj toplinske vodljivosti tvari (vidi sliku u nastavku).

U ovoj formuli Q / t je toplinski tok, lambda- je koeficijent toplinske provodljivosti, S je presjek, T / X je omjer razlike temperature između krajeva tijela smještenih na određenoj udaljenosti.

Toplinska vodljivost je tablična vrijednost. To je od praktičnog značaja u izolaciji stambene kuće ili toplinskoj izolaciji opreme.

Zagrijavanje topline

Drugi način prijenosa topline, koji se temelji na fenomenu elektromagnetskog zračenja. Njegova razlika od konvekcije i toplinske vodljivosti leži u činjenici da se prijenos energije može pojaviti u vakuumskom prostoru. Međutim, kao u prvom slučaju, potrebna je temperaturna razlika.

Radiantna razmjena je primjer prijenosa solarne toplinske energije na površinu Zemlje, za što je uglavnom odgovoran infracrveno zračenje. Kako bi se utvrdilo koliko topline dolazi do površine Zemlje, izgrađene su brojne postaje koje prate promjene u ovom pokazatelju.

konvekcija

Konvekcijsko kretanje protoka zraka izravno je povezano s fenomenom prijenosa topline. Bez obzira na količinu topline koju smo prijavili tekućinama ili plinu, molekule tvari počinju se brže kretati. Zbog toga se pritisak cijelog sustava smanjuje, a opseg, naprotiv, raste. To je uzrok kretanja toplih zračnih struja ili drugih plinova prema gore.

Najjednostavniji primjer korištenja fenomena konvekcije u svakodnevnom životu može se nazvati zagrijavanjem sobe uz pomoć baterija. Nalaze se na dnu prostorije iz nekog razloga, ali za zagrijani zrak rastu, gdje vodi cirkulaciju protoka kroz sobu.

Kako možete izmjeriti količinu topline?

Toplina grijanja ili hlađenja izračunava se matematički pomoću posebnog instrumenta - kalorimetra. Instalacija je predstavljena velikim toplinskim izoliranim posudom koja je napunjena vodom. Termometar se spušta u tekućinu za mjerenje početne temperature medija. Zatim se zagrijano tijelo spušta u vodu kako bi se izračunala promjena temperature tekućine nakon uspostavljanja ravnoteže.

Povećanjem ili smanjenjem t medija, određuje se koliko bi toplina topljenja tijela trebala biti potrošena. Kalorimetar je najjednostavniji uređaj koji može snimiti promjenu temperature.

Također, koristeći kalorimetar, možete izračunati koliko će se topline osloboditi kad se tvari spale. Za to je "bomba" smještena u posudu ispunjenu vodom. Ova "bomba" je zatvorena posuda u kojoj se nalazi ispitna tvar. Dodaju se posebne elektrode za požar, a komora je napunjena kisikom. Nakon potpunog sagorijevanja tvari, bilježi se promjena temperature vode.

Tijekom takvih eksperimenata ustanovljeno je da su izvori toplinske energije kemijske i nuklearne reakcije. Nuklearne reakcije pojavljuju se u dubokim slojevima Zemlje, čineći glavnu rezervu topline cijelog planeta. Njima se također koristi čovjek za generiranje energije tijekom termonuklearne fuzije.

Primjeri kemijskih reakcija su spaljivanje tvari i razdvajanje polimera u monomere u ljudskom probavnom sustavu. Kvaliteta i količina kemijskih veza u molekuli određuje koliko se topline oslobađa na kraju.

Koja je mjera toplote?

Jedinica mjerenja topline u međunarodnom SI sustavu je joule (J). Također, jedinice bez sustava - kalorije - koriste se u svakodnevnom životu. 1 kalorija je 4,1868 J prema međunarodnom standardu i 4,184 J temeljeno na termo kemiji. Prije toga postojala je britanska termička jedinica BTU, koju rijetko koriste znanstvenici. 1 BTU = 1,055 J.