I fysik er begrebet "varme" forbundet med overførsel af termisk energi mellem forskellige legemer. På grund af disse processer sker opvarmning og afkøling af legemer samt en ændring i deres aggregeringstilstande. Lad os overveje mere detaljeret spørgsmålet om, hvad der er varme.
Konceptkoncept
Hvad er varme? Hver person kan besvare dette spørgsmål fra et hverdagssynspunkt, hvilket betyder under det pågældende koncept de fornemmelser, han har, når den omgivende temperatur stiger. I fysik forstås dette fænomen som den proces af energioverførsel, der er forbundet med en ændring i intensiteten af den kaotiske bevægelse af molekyler og atomer, der danner kroppen.
Generelt kan vi sige, at jo højere kropstemperaturen er, jo mere indre energi lagres der i den, og jo mere varme kan den give til andre genstande.
Varme og temperatur
Ved at kende svaret på spørgsmålet om, hvad der er varme, tror mange måske, at dette koncept ligner begrebet "temperatur", men det er det ikke. Varme er kinetisk energi, temperatur er et mål for detteenergi. Så processen med varmeoverførsel afhænger af stoffets masse, af antallet af partikler, der udgør det, såvel som af typen af disse partikler og den gennemsnitlige hastighed af deres bevægelse. Til gengæld afhænger temperaturen kun af den sidste af de anførte parametre.
Forskellen mellem varme og temperatur er let at forstå, hvis du udfører et simpelt eksperiment: Du skal hælde vand i to beholdere, så den ene beholder er fuld, og den anden kun er halvt fyldt. Sætter man begge kar på bålet, kan man konstatere, at den, hvori der er mindre vand, begynder at koge først. For at den anden beholder kan koge, skal den have noget mere varme fra ilden. Når begge beholdere koger, kan du måle deres temperatur, den vil være den samme (100 oC), men der skulle mere varme til, for at en fuld beholder kunne koge vand i den.
Varmeenheder
Ifølge definitionen af varme i fysik kan man gætte på, at den måles i de samme enheder som energi eller arbejde, altså i joule (J). Ud over hovedenheden af varme kan du i hverdagen ofte høre om kalorier (kcal). Dette begreb forstås som den mængde varme, der skal overføres til et gram vand, så dets temperatur stiger med 1 kelvin (K). En kalorie er lig med 4.184 J. Du kan også høre om store og små kalorier, som er henholdsvis 1 kcal og 1 cal.
Begrebet varmekapacitet
Ved hvad varme er, lad os overveje en fysisk størrelse, der direkte karakteriserer den - varmekapacitet. Under dette koncept,fysik betyder den mængde varme, der skal gives til eller tages fra et legeme, for at dets temperatur ændres med 1 kelvin (K).
Varmekapaciteten af en bestemt krop afhænger af 2 hovedfaktorer:
- om den kemiske sammensætning og aggregeringstilstand, hvori kroppen præsenteres;
- af hans messe.
For at gøre denne egenskab uafhængig af en genstands masse, blev der i varmefysikken indført en anden mængde - den specifikke varmekapacitet, som bestemmer mængden af varme, der overføres eller optages af et givet legeme pr. dens masse, når temperaturen ændres med 1 K.
For tydeligt at vise forskellen i specifik varmekapacitet for forskellige stoffer, skal du f.eks. tage 1 g vand, 1 g jern og 1 g solsikkeolie og opvarme dem. Temperaturen ændres hurtigst for jernprøven, derefter for oliedråben og sidst for vandet.
Bemærk, at den specifikke varmekapacitet ikke kun afhænger af stoffets kemiske sammensætning, men også af dets aggregeringstilstand, såvel som af de ydre fysiske forhold, som det betragtes under (konstant tryk eller konstant volumen).
Hovedligningen for varmeoverførselsprocessen
Efter at have beskæftiget sig med spørgsmålet om, hvad varme er, bør man give det vigtigste matematiske udtryk, der karakteriserer processen med dens overførsel for absolut alle legemer i enhver aggregeringstilstand. Dette udtryk har formen: Q=cmΔT, hvor Q er mængden af overført (modtaget) varme, c er den specifikke varme for det pågældende objekt, m -dens masse, ΔT er ændringen i absolut temperatur, der defineres som forskellen i kropstemperaturer ved slutningen og begyndelsen af varmeoverførselsprocessen.
Det er vigtigt at forstå, at ovenstående formel altid vil være gyldig, når objektet under den pågældende proces bevarer sin aggregeringstilstand, dvs. det forbliver en væske, et fast stof eller en gas. Ellers kan ligningen ikke bruges.
Ændring i stoffets aggregeringstilstand
Som du ved, er der 3 hovedaggregerede tilstande, hvor stof kan være:
- gas;
- væske;
- solid body.
For at en overgang fra en tilstand til en anden kan ske, er det nødvendigt for kroppen at informere eller tage varme fra den. For sådanne processer i fysik blev begreberne specifikke varme ved smeltning (krystallisation) og kogning (kondensation) introduceret. Alle disse mængder bestemmer mængden af varme, der kræves for at ændre aggregeringstilstanden, som frigiver eller absorberer 1 kg kropsvægt. For disse processer er ligningen gyldig: Q=Lm, hvor L er den specifikke varme i den tilsvarende overgang mellem stoffets tilstande.
Nedenfor er de vigtigste funktioner i processerne til at ændre aggregeringstilstanden:
- Disse processer finder sted ved en konstant temperatur, såsom kogning eller smeltning.
- De er vendbare. For eksempel vil mængden af varme, som et givent legeme absorberer for at smelte, være nøjagtigt lig med den mængde varme, der frigives til miljøet, hvis dette legeme passerer igentil fast tilstand.
Termisk ligevægt
Dette er et andet vigtigt spørgsmål relateret til begrebet "varme", som skal overvejes. Hvis to legemer med forskellige temperaturer bringes i kontakt, vil temperaturen i hele systemet efter et stykke tid udjævnes og blive den samme. For at opnå termisk ligevægt skal et legeme med en højere temperatur afgive varme til systemet, og et legeme med en lavere temperatur skal acceptere denne varme. Varmefysikkens love, der beskriver denne proces, kan udtrykkes som en kombination af hovedvarmeoverførselsligningen og den ligning, der bestemmer ændringen i stoffets samlede tilstand (hvis nogen).
Et slående eksempel på processen med spontan etablering af termisk ligevægt er en rødglødende jernstang, der kastes i vandet. I dette tilfælde vil det varme strygejern afgive varme til vandet, indtil dets temperatur bliver lig med væskens temperatur.
Grundlæggende metoder til varmeoverførsel
Alle processer, som mennesket kender, og som er forbundet med udvekslingen af termisk energi, foregår på tre forskellige måder:
- Vermeledningsevne. For at varmevekslingen kan ske på denne måde, er kontakt mellem to legemer med forskellige temperaturer nødvendig. I kontaktzonen på det lokale molekylære niveau overføres kinetisk energi fra en varm krop til en kold. Satsen for denne varmeoverførsel afhænger af de involverede kroppes evne til at lede varme. Et slående eksempel på termisk ledningsevne ermenneske, der rører ved en metalstang.
- Konvektion. Denne proces kræver bevægelse af stof, så den observeres kun i væsker og gasser. Essensen af konvektion er som følger: når gas- eller væskelag opvarmes, falder deres tæthed, så de har en tendens til at stige op. Under deres stigning i mængden af væske eller gas overfører de varme. Et eksempel på konvektion er processen med at koge vand i en kedel.
- Stråling. Denne varmeoverførselsproces opstår på grund af emissionen af elektromagnetisk stråling af forskellige frekvenser fra et opvarmet legeme. Sollys er et godt eksempel på stråling.
