Visām vielām ir iekšējā enerģija. Šo vērtību raksturo vairākas fizikālās un ķīmiskās īpašības, starp kurām īpaša uzmanība jāpievērš siltumam. Šis lielums ir abstrakta matemātiska vērtība, kas raksturo mijiedarbības spēkus starp vielas molekulām. Siltuma apmaiņas mehānisma izpratne var palīdzēt atbildēt uz jautājumu, cik daudz siltuma izdalījās vielu dzesēšanas un karsēšanas laikā, kā arī to sadegšanas laikā.
Siltuma fenomena atklāšanas vēsture
Sākotnēji siltuma pārneses parādība tika aprakstīta ļoti vienkārši un skaidri: ja vielas temperatūra paaugstinās, tā saņem siltumu, un dzesēšanas gadījumā izdala to vidē. Tomēr siltums nav apskatāmā šķidruma vai ķermeņa neatņemama sastāvdaļa, kā tika uzskatīts pirms trim gadsimtiem. Cilvēki naivi ticēja, ka matērija sastāv no divām daļām: savām molekulām un siltuma. Tagad daži cilvēki atceras, ka termins "temperatūra" latīņu valodā nozīmē "maisījums", un, piemēram, viņi runāja par bronzu kā "alvas un vara temperatūru".
17. gadsimtā parādījās divas hipotēzes, kavarētu skaidri izskaidrot siltuma un siltuma pārneses fenomenu. Pirmo 1613. gadā ierosināja Galileo. Viņa formulējums bija šāds: "Siltums ir neparasta viela, kas var iekļūt jebkurā ķermenī un no tā." Galileo šo vielu sauca par kaloriju. Viņš apgalvoja, ka kalorijas nevar pazust vai sabrukt, bet tikai spēj pāriet no viena ķermeņa uz otru. Attiecīgi, jo vairāk kaloriju vielā, jo augstāka ir tās temperatūra.
Otrā hipotēze parādījās 1620. gadā, un to ierosināja filozofs Bēkons. Viņš pamanīja, ka zem spēcīgajiem āmura sitieniem dzelzs sakarsa. Šis princips darbojās arī, iekurot uguni ar berzi, kas lika Bēkonam aizdomāties par siltuma molekulāro raksturu. Viņš apgalvoja, ka tad, kad ķermenis tiek mehāniski ietekmēts, tā molekulas sāk sist viena pret otru, palielina kustības ātrumu un tādējādi paaugstina temperatūru.
Otrās hipotēzes rezultāts bija secinājums, ka siltums ir vielas molekulu savstarpējās mehāniskās iedarbības rezultāts. Ilgu laiku Lomonosovs mēģināja pamatot un eksperimentāli pierādīt šo teoriju.
Siltums ir matērijas iekšējās enerģijas mērs
Mūsdienu zinātnieki ir nonākuši pie šāda secinājuma: siltumenerģija ir vielu molekulu mijiedarbības rezultāts, t.i., ķermeņa iekšējā enerģija. Daļiņu kustības ātrums ir atkarīgs no temperatūras, un siltuma daudzums ir tieši proporcionāls vielas masai. Tātad ūdens spainī ir vairāk siltumenerģijas nekā piepildītai krūzei. Tomēr apakštase ar karstu šķidrumuvar būt mazāk siltuma nekā aukstā baseinā.
Kaloritātes teoriju, ko 17. gadsimtā ierosināja Galileo, atspēkoja zinātnieki J. Džouls un B. Ramfords. Viņi pierādīja, ka siltumenerģijai nav nekādas masas un to raksturo tikai molekulu mehāniskā kustība.
Cik daudz siltuma izdalīsies vielas sadegšanas laikā? Konkrētā siltumspēja
Mūsdienās kūdra, nafta, ogles, dabasgāze vai koksne ir universāli un plaši izmantoti enerģijas avoti. Šīs vielas sadedzinot, izdalās noteikts siltuma daudzums, kas tiek izmantots apkurei, palaišanas mehānismiem utt. Kā šo vērtību var aprēķināt praksē?
Šim nolūkam tiek ieviests īpatnējā sadegšanas siltuma jēdziens. Šī vērtība ir atkarīga no siltuma daudzuma, kas izdalās, sadegot 1 kg noteiktas vielas. To apzīmē ar burtu q un mēra J / kg. Tālāk ir sniegta tabula ar q vērtībām dažām visizplatītākajām degvielām.
Būvējot un aprēķinot dzinējus, inženierim ir jāzina, cik daudz siltuma izdalīsies, sadegot noteiktam vielas daudzumam. Lai to izdarītu, varat izmantot netiešos mērījumus, izmantojot formulu Q=qm, kur Q ir vielas sadegšanas siltums, q ir īpatnējais sadegšanas siltums (tabulas vērtība), un m ir dotā masa.
Siltuma veidošanās degšanas laikā ir balstīta uz enerģijas izdalīšanās fenomenu ķīmisko saišu veidošanās laikā. Vienkāršākais piemērs ir oglekļa sadedzināšana, kas ir ietvertajebkura veida modernā degvielā. Ogleklis sadedzina atmosfēras gaisa klātbūtnē un savienojas ar skābekli, veidojot oglekļa dioksīdu. Ķīmiskās saites veidošanās notiek līdz ar siltumenerģijas izdalīšanos vidē, un cilvēks ir pielāgojies izmantot šo enerģiju saviem mērķiem.
Diemžēl tik vērtīgu resursu, piemēram, naftas vai kūdras, nepārdomāta tērēšana drīz var izraisīt šo degvielu ražošanas avotu izsīkumu. Jau šobrīd parādās elektroierīces un pat jauni automašīnu modeļi, kuru darbības pamatā ir tādi alternatīvi enerģijas avoti kā saules gaisma, ūdens vai zemes garozas enerģija.
Siltuma pārnese
Spēju apmainīties ar siltumenerģiju ķermeņa iekšienē vai no viena ķermeņa uz otru sauc par siltuma pārnesi. Šī parādība nenotiek spontāni un notiek tikai ar temperatūras starpību. Vienkāršākajā gadījumā siltumenerģija tiek pārnesta no karstāka ķermeņa uz mazāk sakarsētu ķermeni, līdz tiek izveidots līdzsvars.
Ķermeņiem nav jāsaskaras, lai notiktu siltuma pārneses parādība. Jebkurā gadījumā līdzsvara izveidošanās var notikt arī nelielā attālumā starp aplūkojamajiem objektiem, taču ar lēnāku ātrumu nekā tad, kad tie saskaras.
Siltuma pārnesi var iedalīt trīs veidos:
1. Siltumvadītspēja.
2. Konvekcija.
3. Starojuma maiņa.
Siltumvadītspēja
Šīs parādības pamatā ir siltumenerģijas pārnešana starp vielas atomiem vai molekulām. Cēlonistransmisija - molekulu haotiska kustība un to pastāvīga sadursme. Pateicoties tam, siltums pa ķēdi pāriet no vienas molekulas uz otru.
Siltumvadītspējas fenomenu var novērot, kad tiek kalcinēts jebkurš dzelzs materiāls, kad virsmas apsārtums vienmērīgi izplatās un pakāpeniski izgaist (vide izdalās zināms siltuma daudzums).
F. Furjē atvasināja siltuma plūsmas formulu, kas apkopoja visus daudzumus, kas ietekmē vielas siltumvadītspējas pakāpi (skat. attēlu zemāk).
Šajā formulā Q/t ir siltuma plūsma, λ ir siltumvadītspējas koeficients, S ir šķērsgriezuma laukums, T/X ir temperatūras starpības attiecība starp ķermeņa galiem, kas atrodas plkst. noteiktu attālumu.
Siltumvadītspēja ir tabulas vērtība. Tam ir praktiska nozīme, izolējot dzīvojamo ēku vai siltinot iekārtu.
Raidošā siltuma pārnese
Cits siltuma pārneses veids, kura pamatā ir elektromagnētiskā starojuma fenomens. Tās atšķirība no konvekcijas un siltuma vadīšanas slēpjas faktā, ka enerģijas pārnešana var notikt arī vakuuma telpā. Tomēr, tāpat kā pirmajā gadījumā, ir nepieciešama temperatūras starpība.
Starojuma apmaiņa ir piemērs siltumenerģijas pārnešanai no Saules uz Zemes virsmu, kas galvenokārt ir atbildīga par infrasarkano starojumu. Lai noteiktu, cik daudz siltuma sasniedz zemes virsmu, ir uzbūvētas daudzas stacijas, kurasuzraudzīt šī indikatora izmaiņas.
Konvekcija
Gaisa plūsmu konvektīvā kustība ir tieši saistīta ar siltuma pārneses fenomenu. Neatkarīgi no tā, cik daudz siltuma mēs piešķīrām šķidrumam vai gāzei, vielas molekulas sāk kustēties ātrāk. Sakarā ar to visas sistēmas spiediens samazinās, un, gluži pretēji, palielinās apjoms. Tas ir iemesls siltā gaisa straumju vai citu gāzu kustībai uz augšu.
Visvienkāršāko piemēru konvekcijas fenomena izmantošanai ikdienā var saukt par telpas apsildīšanu ar baterijām. Ne velti tie atrodas telpas apakšā, bet tā, lai uzkarsētajam gaisam būtu kur pacelties, kas noved pie plūsmu cirkulācijas pa telpu.
Kā var izmērīt siltumu?
Apkures vai dzesēšanas siltumu aprēķina matemātiski, izmantojot īpašu ierīci - kalorimetru. Instalāciju attēlo liels siltumizolēts trauks, kas piepildīts ar ūdeni. Termometrs tiek nolaists šķidrumā, lai mērītu barotnes sākotnējo temperatūru. Pēc tam uzkarsētu ķermeni nolaiž ūdenī, lai aprēķinātu šķidruma temperatūras izmaiņas pēc līdzsvara iestāšanās.
Palielinot vai samazinot t, vide nosaka, cik daudz siltuma ķermeņa sildīšanai jāiztērē. Kalorimetrs ir vienkāršākā ierīce, kas var reģistrēt temperatūras izmaiņas.
Tāpat, izmantojot kalorimetru, var aprēķināt, cik daudz siltuma izdalīsies degšanas laikāvielas. Lai to izdarītu, traukā, kas piepildīts ar ūdeni, ievieto “bumbu”. Šī "bumba" ir slēgts trauks, kurā atrodas testējamā viela. Tam ir pievienoti speciāli dedzināšanas elektrodi, un kamera ir piepildīta ar skābekli. Pēc vielas pilnīgas sadegšanas tiek reģistrētas ūdens temperatūras izmaiņas.
Šādu eksperimentu gaitā tika noskaidrots, ka siltumenerģijas avoti ir ķīmiskās un kodolreakcijas. Kodolreakcijas notiek Zemes dziļajos slāņos, veidojot galveno siltuma rezervi visai planētai. Cilvēki tos izmanto arī enerģijas ražošanai kodolsintēzes ceļā.
Ķīmisko reakciju piemēri ir vielu sadegšana un polimēru sadalīšanās monomēros cilvēka gremošanas sistēmā. Ķīmisko saišu kvalitāte un daudzums molekulā nosaka, cik daudz siltuma galu galā izdalās.
Kā tiek mērīts siltums?
Siltuma mērvienība starptautiskajā SI sistēmā ir džouls (J). Arī ikdienā tiek izmantotas ārpussistēmas mērvienības – kalorijas. 1 kalorija ir vienāda ar 4,1868 J saskaņā ar starptautisko standartu un 4,184 J, pamatojoties uz termoķīmiju. Agrk bija btu btu, ko zintnieki izmanto reti. 1 BTU =1,055 J.
