Fizikā jēdziens "siltums" ir saistīts ar siltumenerģijas pārnesi starp dažādiem ķermeņiem. Šo procesu dēļ notiek ķermeņu sasilšana un atdzišana, kā arī mainās to agregācijas stāvokļi. Ļaujiet mums sīkāk apsvērt jautājumu par to, kas ir siltums.
Koncepcijas koncepcija
Kas ir siltums? Katrs cilvēks var atbildēt uz šo jautājumu no ikdienas viedokļa, ar to saprotot sajūtas, kas viņam rodas, paaugstinoties apkārtējās vides temperatūrai. Fizikā ar šo parādību saprot enerģijas pārneses procesu, kas saistīts ar ķermeni veidojošo molekulu un atomu haotiskās kustības intensitātes izmaiņām.
Kopumā var teikt, jo augstāka ķermeņa temperatūra, jo vairāk tajā tiek uzkrāta iekšējā enerģija, un jo vairāk siltuma tas var dot citiem objektiem.
Siltums un temperatūra
Zinot atbildi uz jautājumu, kas ir siltums, daudzi var domāt, ka šis jēdziens ir līdzīgs jēdzienam "temperatūra", taču tā nav. Siltums ir kinētiskā enerģija, temperatūra ir tās mērsenerģiju. Tātad siltuma pārneses process ir atkarīgs no vielas masas, no daļiņu skaita, kas to veido, kā arī no šo daļiņu veida un vidējā to kustības ātruma. Savukārt temperatūra ir atkarīga tikai no pēdējā no uzskaitītajiem parametriem.
Atšķirību starp siltumu un temperatūru ir viegli saprast, veicot vienkāršu eksperimentu: ūdens ir jāielej divos traukos, lai viens trauks būtu pilns, bet otrs tikai līdz pusei. Uzliekot abus traukus uz uguns, var novērot, ka pirmais sāk vārīties tas, kurā ir mazāk ūdens. Lai otrs trauks uzvārītos, tam vajadzēs vairāk siltuma no uguns. Kad abi trauki vārās, var izmērīt to temperatūru, tā būs vienāda (100 oC), taču vajadzēja vairāk siltuma, lai pilns trauks tajā uzvārītu ūdeni.
Siltuma vienības
Pēc siltuma definīcijas fizikā var nojaust, ka to mēra tādās pašās vienībās kā enerģija vai darbs, tas ir, džoulos (J). Papildus galvenajai siltuma vienībai ikdienā bieži var dzirdēt par kalorijām (kcal). Ar šo jēdzienu saprot siltuma daudzumu, kas jānodod vienam gramam ūdens, lai tā temperatūra paaugstinātos par 1 kelvinu (K). Viena kalorija ir vienāda ar 4,184 J. Varat arī dzirdēt par lielām un mazām kalorijām, kas ir attiecīgi 1 kcal un 1 cal.
Siltuma jaudas jēdziens
Zinot, kas ir siltums, aplūkosim fizikālu lielumu, kas to tieši raksturo - siltumietilpību. Saskaņā ar šo koncepcijufizika ir siltuma daudzums, kas jāpiešķir ķermenim vai jāņem no tā, lai tā temperatūra mainītos par 1 kelvinu (K).
Konkrēta ķermeņa siltumietilpība ir atkarīga no 2 galvenajiem faktoriem:
- par ķīmisko sastāvu un agregācijas stāvokli, kādā ķermenis atrodas;
- no viņa masas.
Lai šis raksturlielums būtu neatkarīgs no objekta masas, siltuma fizikā tika ieviests cits lielums - īpatnējā siltumietilpība, kas nosaka siltuma daudzumu, ko dots ķermenis nodod vai uzņem uz 1 kg. tā masa, kad temperatūra mainās par 1 K.
Lai skaidri parādītu īpatnējo siltumietilpību atšķirību dažādām vielām, piemēram, ņem 1 g ūdens, 1 g dzelzs un 1 g saulespuķu eļļas un uzkarsē. Temperatūra visstraujāk mainīsies dzelzs paraugam, pēc tam eļļas pilienam un pēdējā ūdens temperatūrai.
Ņemiet vērā, ka īpatnējā siltumietilpība ir atkarīga ne tikai no vielas ķīmiskā sastāva, bet arī no tās agregācijas stāvokļa, kā arī no ārējiem fizikālajiem apstākļiem, kādos tā tiek uzskatīta (pastāvīgs spiediens vai nemainīgs tilpums).
Siltuma pārneses procesa galvenais vienādojums
Izskatot jautājumu par to, kas ir siltums, jāsniedz galvenā matemātiskā izteiksme, kas raksturo tā pārneses procesu absolūti jebkuriem ķermeņiem jebkurā agregācijas stāvoklī. Šai izteiksmei ir šāda forma: Q=cmΔT, kur Q ir nodotā (saņemtā) siltuma daudzums, c ir attiecīgā objekta īpatnējais siltums, m -tā masa, ΔT ir absolūtās temperatūras izmaiņas, ko definē kā ķermeņa temperatūru starpību siltuma pārneses procesa beigās un sākumā.
Ir svarīgi saprast, ka iepriekš minētā formula būs spēkā vienmēr, ja apskatāmā procesa laikā objekts saglabās savu agregācijas stāvokli, tas ir, tas paliek šķidrs, ciets vai gāzēts. Pretējā gadījumā vienādojumu nevar izmantot.
Materiālu agregācijas stāvokļa izmaiņas
Kā jūs zināt, ir 3 galvenie apkopotie stāvokļi, kuros var būt:
- gāze;
- šķidrums;
- ciets korpuss.
Lai notiktu pāreja no viena stāvokļa uz otru, organismam ir nepieciešams informēt vai atņemt no tā siltumu. Šādiem procesiem fizikā tika ieviesti īpatnējo kušanas (kristalizācijas) un viršanas (kondensācijas) siltumu jēdzieni. Visi šie daudzumi nosaka siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai mainītu agregācijas stāvokli, kas atbrīvo vai absorbē 1 kg ķermeņa svara. Šiem procesiem ir spēkā vienādojums: Q=Lm, kur L ir atbilstošās pārejas starp vielas stāvokļiem īpatnējais siltums.
Tālāk ir norādītas apkopošanas stāvokļa maiņas procesu galvenās iezīmes:
- Šie procesi notiek nemainīgā temperatūrā, piemēram, viršanas vai kušanas.
- Tās ir atgriezeniskas. Piemēram, siltuma daudzums, ko konkrētais ķermenis absorbē, lai izkustu, būs precīzi vienāds ar siltuma daudzumu, kas tiks izvadīts vidē, ja šis ķermenis atkal ietlīdz cietam stāvoklim.
Siltuma līdzsvars
Šis ir vēl viens svarīgs jautājums saistībā ar jēdzienu "siltums", kas ir jāņem vērā. Ja saskaras divi ķermeņi ar atšķirīgu temperatūru, tad pēc kāda laika temperatūra visā sistēmā izlīdzināsies un kļūs vienāda. Lai sasniegtu termisko līdzsvaru, ķermenim ar augstāku temperatūru ir jāizdala siltums sistēmai, un ķermenim ar zemāku temperatūru šis siltums ir jāpieņem. Siltuma fizikas likumus, kas apraksta šo procesu, var izteikt kā galvenā siltuma pārneses vienādojuma un vienādojuma, kas nosaka vielas kopējā stāvokļa izmaiņas (ja tādas ir) kombināciju.
Spilgts piemērs spontānas termiskā līdzsvara izveidošanās procesam ir uzkarsis dzelzs stienis, kas tiek iemests ūdenī. Šādā gadījumā karstais gludeklis atdos ūdenim siltumu, līdz tā temperatūra kļūs vienāda ar šķidruma temperatūru.
Siltuma pārneses pamatmetodes
Visi cilvēkam zināmie procesi, kas notiek ar siltumenerģijas apmaiņu, notiek trīs dažādos veidos:
- Siltumvadītspēja. Lai šādā veidā notiktu siltuma apmaiņa, ir nepieciešams kontakts starp diviem ķermeņiem ar atšķirīgu temperatūru. Kontakta zonā vietējā molekulārā līmenī kinētiskā enerģija tiek pārnesta no karsta ķermeņa uz aukstu. Šīs siltuma pārneses ātrums ir atkarīgs no iesaistīto ķermeņu spējas vadīt siltumu. Spilgts siltumvadītspējas piemērs ircilvēks pieskaras metāla stienim.
- Konvekcija. Šim procesam nepieciešama matērijas kustība, tāpēc to novēro tikai šķidrumos un gāzēs. Konvekcijas būtība ir šāda: karsējot gāzes vai šķidruma slāņus, to blīvums samazinās, tāpēc tiem ir tendence celties uz augšu. Palielinoties šķidruma vai gāzes tilpumam, tie pārnes siltumu. Konvekcijas piemērs ir ūdens vārīšanas process tējkannā.
- Radiācija. Šis siltuma pārneses process notiek dažādu frekvenču elektromagnētiskā starojuma emisijas dēļ no apsildāma ķermeņa. Saules gaisma ir lielisks starojuma piemērs.
