Alle stoffer har indre energi. Denne værdi er kendetegnet ved en række fysiske og kemiske egenskaber, blandt hvilke der skal lægges særlig vægt på varme. Denne størrelse er en abstrakt matematisk værdi, der beskriver kræfterne i vekselvirkningen mellem et stofs molekyler. Forståelse af varmevekslingsmekanismen kan hjælpe med at besvare spørgsmålet om, hvor meget varme der blev frigivet under afkøling og opvarmning af stoffer, såvel som deres forbrænding.
Historien om opdagelsen af fænomenet varme
Oprindeligt blev fænomenet varmeoverførsel beskrevet meget enkelt og tydeligt: Hvis temperaturen på et stof stiger, modtager det varme, og i tilfælde af afkøling frigiver det det til miljøet. Varme er dog ikke en integreret del af den væske eller krop, der overvejes, som man troede for tre århundreder siden. Folk troede naivt, at stof består af to dele: dets egne molekyler og varme. Nu er det få mennesker, der husker, at udtrykket "temperatur" på latin betyder "blanding", og for eksempel t alte de om bronze som "temperaturen af tin og kobber."
I det 17. århundrede dukkede to hypoteser opklart kunne forklare fænomenet varme og varmeoverførsel. Den første blev foreslået i 1613 af Galileo. Hans formulering var: "Varme er et usædvanligt stof, der kan trænge ind og ud af enhver krop." Galileo kaldte dette stof kalorieholdigt. Han argumenterede for, at kalorieindhold ikke kan forsvinde eller kollapse, men kun er i stand til at overføres fra en krop til en anden. Følgelig, jo mere kalorieindhold i stoffet, jo højere er dets temperatur.
Den anden hypotese dukkede op i 1620 og blev foreslået af filosoffen Bacon. Han lagde mærke til, at under hammerens kraftige slag blev jernet varmet op. Dette princip fungerede også, når man tændte en ild ved friktion, hvilket fik Bacon til at tænke på varmes molekylære natur. Han hævdede, at når en krop er mekanisk påvirket, begynder dens molekyler at slå mod hinanden, øge bevægelseshastigheden og derved hæve temperaturen.
Resultatet af den anden hypotese var konklusionen om, at varme er resultatet af den mekaniske påvirkning af et stofs molekyler med hinanden. I en lang periode forsøgte Lomonosov at underbygge og eksperimentelt bevise denne teori.
Varme er et mål for stoffets indre energi
Moderne videnskabsmænd er nået til følgende konklusion: termisk energi er resultatet af vekselvirkningen mellem stofmolekyler, dvs. kroppens indre energi. Partiklernes bevægelseshastighed afhænger af temperaturen, og varmemængden er direkte proportional med stoffets masse. Så en spand vand har mere termisk energi end en fyldt kop. Dog en underkop med varm væskekan have mindre varme end et koldt bassin.
Teorien om kalorieindhold, som blev foreslået i det 17. århundrede af Galileo, blev tilbagevist af videnskabsmændene J. Joule og B. Rumford. De beviste, at termisk energi ikke har nogen masse og udelukkende er karakteriseret ved den mekaniske bevægelse af molekyler.
Hvor meget varme frigives der under forbrændingen af et stof? Specifik brændværdi
I dag er tørv, olie, kul, naturgas eller træ universelle og udbredte energikilder. Når disse stoffer afbrændes, frigives en vis mængde varme, som bruges til opvarmning, startmekanismer osv. Hvordan kan denne værdi beregnes i praksis?
Til dette introduceres begrebet specifik forbrændingsvarme. Denne værdi afhænger af mængden af varme, der frigives ved forbrænding af 1 kg af et bestemt stof. Det er angivet med bogstavet q og måles i J / kg. Nedenfor er en tabel med q-værdier for nogle af de mest almindelige brændstoffer.
Når man bygger og beregner motorer, skal en ingeniør vide, hvor meget varme der frigives, når en vis mængde stof forbrændes. For at gøre dette kan du bruge indirekte målinger med formlen Q=qm, hvor Q er stoffets forbrændingsvarme, q er den specifikke forbrændingsvarme (tabelværdi), og m er den givne masse.
Danningen af varme under forbrænding er baseret på fænomenet energifrigivelse under dannelsen af kemiske bindinger. Det enkleste eksempel er forbrændingen af kulstof, som er indeholdti enhver type moderne brændstof. Kulstof brænder i nærvær af atmosfærisk luft og kombineres med ilt for at danne kuldioxid. Dannelsen af en kemisk binding fortsætter med frigivelsen af termisk energi til miljøet, og mennesket har tilpasset sig til at bruge denne energi til sine egne formål.
Desværre kan det tankeløse forbrug af så værdifulde ressourcer som olie eller tørv snart føre til udtømning af kilder til produktion af disse brændstoffer. Allerede i dag dukker der elektriske apparater og endda nye modeller af biler op, hvis drift er baseret på alternative energikilder såsom sollys, vand eller energien fra jordskorpen.
Varmeoverførsel
Evnen til at udveksle termisk energi i en krop eller fra en krop til en anden kaldes varmeoverførsel. Dette fænomen opstår ikke spontant og opstår kun med en temperaturforskel. I det enkleste tilfælde overføres termisk energi fra et varmere legeme til et mindre opvarmet legeme, indtil ligevægt er etableret.
Kroppene behøver ikke at være i kontakt, for at fænomenet varmeoverførsel kan opstå. Under alle omstændigheder kan etableringen af ligevægt også ske i en lille afstand mellem de pågældende genstande, men med en langsommere hastighed, end når de kommer i kontakt.
Varmeoverførsel kan opdeles i tre typer:
1. Termisk ledningsevne.
2. Konvektion.
3. Strålende udveksling.
Vermeledningsevne
Dette fænomen er baseret på overførsel af termisk energi mellem atomer eller stofmolekyler. årsagtransmission - den kaotiske bevægelse af molekyler og deres konstante kollision. På grund af dette passerer varme fra et molekyle til et andet langs kæden.
Fænomenet termisk ledningsevne kan observeres, når ethvert jernmateriale brændes, når rødmen på overfladen spredes jævnt og gradvist falmer (en vis mængde varme frigives til miljøet).
F. Fourier udledte en formel for varmestrømning, som opsamlede alle de mængder, der påvirker graden af termisk ledningsevne af et stof (se figuren nedenfor).
I denne formel er Q/t varmefluxen, λ er varmeledningskoefficienten, S er tværsnitsarealet, T/X er forholdet mellem temperaturforskellen mellem enderne af kroppen placeret ved en vis afstand.
Vermeledningsevne er en tabelværdi. Det er af praktisk betydning ved isolering af en boligbygning eller termisk isolering af udstyr.
Strålingsvarmeoverførsel
En anden måde at overføre varme på, som er baseret på fænomenet elektromagnetisk stråling. Dens forskel fra konvektion og varmeledning ligger i, at energioverførsel også kan forekomme i vakuumrum. Men som i det første tilfælde kræves der en temperaturforskel.
Strålingsudveksling er et eksempel på overførsel af termisk energi fra Solen til Jordens overflade, som hovedsageligt er ansvarlig for infrarød stråling. For at bestemme, hvor meget varme der når jordens overflade, er der bygget talrige stationer, somovervåg ændringen i denne indikator.
Konvektion
Konvektiv bevægelse af luftstrømme er direkte relateret til fænomenet varmeoverførsel. Uanset hvor meget varme vi har givet til en væske eller gas, begynder stoffets molekyler at bevæge sig hurtigere. På grund af dette falder trykket i hele systemet, og volumen øges tværtimod. Dette er årsagen til bevægelsen af varme luftstrømme eller andre gasser opad.
Det enkleste eksempel på at bruge fænomenet konvektion i hverdagen kan kaldes opvarmning af et rum med batterier. De er placeret i bunden af rummet af en grund, men så den opvarmede luft har plads til at stige, hvilket fører til cirkulation af strømninger rundt i rummet.
Hvordan kan varme måles?
Varmen ved opvarmning eller afkøling beregnes matematisk ved hjælp af en speciel enhed - et kalorimeter. Installationen er repræsenteret af en stor varmeisoleret beholder fyldt med vand. Et termometer sænkes ned i væsken for at måle mediets begyndelsestemperatur. Derefter sænkes et opvarmet legeme ned i vandet for at beregne ændringen i væskens temperatur, efter at ligevægten er etableret.
Ved at øge eller mindske t bestemmer miljøet, hvor meget varme kroppen skal bruge. Kalorimeteret er den enkleste enhed, der kan registrere temperaturændringer.
Du kan også ved hjælp af et kalorimeter beregne, hvor meget varme der frigives under forbrændingenstoffer. For at gøre dette placeres en "bombe" i et kar fyldt med vand. Denne "bombe" er en lukket beholder, hvori teststoffet er placeret. Specielle elektroder til brandstiftelse er forbundet til det, og kammeret er fyldt med ilt. Efter fuldstændig forbrænding af stoffet registreres en ændring i vandets temperatur.
I løbet af sådanne eksperimenter blev det fastslået, at kilderne til termisk energi er kemiske og nukleare reaktioner. Kernereaktioner finder sted i de dybe lag af Jorden, og danner hovedreserven af varme for hele planeten. De bruges også af mennesker til at generere energi gennem kernefusion.
Eksempler på kemiske reaktioner er forbrænding af stoffer og nedbrydning af polymerer til monomerer i det menneskelige fordøjelsessystem. Kvaliteten og mængden af kemiske bindinger i et molekyle bestemmer, hvor meget varme der i sidste ende frigives.
Hvordan måles varme?
Enheden for varme i det internationale SI-system er joule (J). Også i hverdagen bruges off-system enheder - kalorier. 1 kalorie svarer til 4,1868 J ifølge den internationale standard og 4,184 J baseret på termokemi. Tidligere var der en btu btu, som sjældent bruges af videnskabsmænd. 1 BTU=1.055 J.
