Sve supstance imaju unutrašnju energiju. Ovu vrijednost karakterizira niz fizičkih i kemijskih svojstava, među kojima posebnu pažnju treba obratiti na toplinu. Ova veličina je apstraktna matematička vrijednost koja opisuje sile interakcije između molekula tvari. Razumijevanje mehanizma razmjene topline može pomoći u odgovoru na pitanje koliko se topline oslobađalo prilikom hlađenja i zagrijavanja tvari, kao i njihovog sagorijevanja.
Istorija otkrića fenomena toplote
U početku je fenomen prenosa toplote opisan vrlo jednostavno i jasno: ako se temperatura neke supstance podigne, ona prima toplotu, au slučaju hlađenja, ispušta je u okolinu. Međutim, toplota nije sastavni deo tečnosti ili tela koje se razmatra, kao što se mislilo pre tri veka. Ljudi su naivno vjerovali da se materija sastoji od dva dijela: vlastitih molekula i topline. Sada se malo ljudi sjeća da izraz "temperatura" na latinskom znači "mješavina", a, na primjer, o bronzi su govorili kao o "temperaturi kalaja i bakra."
U 17. veku pojavile su se dve hipoteze damogao jasno objasniti fenomen topline i prijenosa topline. Prvi je predložio Galileo 1613. Njegova formulacija je bila: "Toplota je neobična supstanca koja može prodrijeti u i iz bilo kojeg tijela." Galileo je ovu supstancu nazvao kaloričnom. Tvrdio je da kalorija ne može nestati ili se srušiti, već je sposobna samo prijeći iz jednog tijela u drugo. U skladu s tim, što je supstanca kaloričnija, to je njena temperatura viša.
Druga hipoteza pojavila se 1620. godine, a predložio ju je filozof Bacon. Primijetio je da se pod snažnim udarcima čekića gvožđe zagrijalo. Ovaj princip je djelovao i pri paljenju vatre trenjem, što je Bacona navelo da razmišlja o molekularnoj prirodi topline. Tvrdio je da kada je tijelo mehanički pogođeno, njegovi molekuli počinju da se tuku jedan o drugi, povećavaju brzinu kretanja i time podižu temperaturu.
Rezultat druge hipoteze bio je zaključak da je toplota rezultat mehaničkog djelovanja molekula tvari međusobno. Lomonosov je dugo vremena pokušavao da potkrijepi i eksperimentalno dokaže ovu teoriju.
Toplota je mjera unutrašnje energije materije
Savremeni naučnici su došli do sledećeg zaključka: toplotna energija je rezultat interakcije molekula supstance, odnosno unutrašnje energije tela. Brzina kretanja čestica zavisi od temperature, a količina toplote je direktno proporcionalna masi supstance. Dakle, kanta vode ima više toplotne energije od napunjene šolje. Međutim, tanjir vruće tekućinemože imati manje topline od hladnog lavaboa.
Teoriju kalorija, koju je u 17. veku predložio Galileo, opovrgli su naučnici J. Joule i B. Rumford. Oni su dokazali da toplotna energija nema nikakvu masu i da je karakteriše isključivo mehaničko kretanje molekula.
Koliko toplote će se osloboditi tokom sagorevanja neke supstance? Specifična kalorijska vrijednost
Danas su treset, nafta, ugalj, prirodni plin ili drvo univerzalni i široko korišteni izvori energije. Kada se ove supstance sagorevaju, oslobađa se određena količina toplote koja se koristi za zagrevanje, pokretanje mehanizama itd. Kako se ova vrednost može izračunati u praksi?
Za ovo se uvodi koncept specifične toplote sagorevanja. Ova vrijednost ovisi o količini topline koja se oslobađa pri sagorijevanju 1 kg određene tvari. Označava se slovom q i mjeri se u J/kg. Ispod je tabela q vrijednosti za neka od najčešćih goriva.
Prilikom izrade i proračuna motora, inženjer treba da zna koliko će toplote biti oslobođeno kada se određena količina supstance sagori. Da biste to učinili, možete koristiti indirektna mjerenja koristeći formulu Q=qm, gdje je Q toplota sagorevanja supstance, q je specifična toplota sagorevanja (tabelarna vrednost), a m je data masa.
Stvaranje toplote tokom sagorevanja zasniva se na fenomenu oslobađanja energije tokom formiranja hemijskih veza. Najjednostavniji primjer je sagorijevanje ugljika koji je sadržanna bilo koju vrstu modernog goriva. Ugljik gori u prisustvu atmosferskog zraka i spaja se s kisikom da bi formirao ugljični dioksid. Stvaranje hemijske veze teče oslobađanjem toplotne energije u okolinu, a čovek se prilagodio da tu energiju koristi za svoje potrebe.
Nažalost, nepromišljeno trošenje tako vrijednih resursa kao što su nafta ili treset može uskoro dovesti do iscrpljivanja izvora za proizvodnju ovih goriva. Već danas se pojavljuju električni aparati, pa čak i novi modeli automobila, čiji se rad zasniva na alternativnim izvorima energije poput sunčeve svjetlosti, vode ili energije zemljine kore.
prijenos topline
Sposobnost razmene toplotne energije unutar tela ili sa jednog tela na drugo naziva se prenos toplote. Ova pojava se ne javlja spontano i javlja se samo uz temperaturnu razliku. U najjednostavnijem slučaju, toplotna energija se prenosi sa toplijeg tela na manje zagrejano dok se ne uspostavi ravnoteža.
Tijela ne moraju biti u kontaktu da bi se pojavio fenomen prijenosa topline. U svakom slučaju, do uspostavljanja ravnoteže može doći i na maloj udaljenosti između objekata koji se razmatraju, ali manjom brzinom nego kada dođu u kontakt.
Prenos toplote se može podeliti u tri tipa:
1. Toplotna provodljivost.
2. Konvekcija.
3. Radiant exchange.
Toplotna provodljivost
Ovaj fenomen se zasniva na prenosu toplotne energije između atoma ili molekula materije. Uzroktransmisija - haotično kretanje molekula i njihov stalni sudar. Zbog toga, toplina prelazi s jednog molekula na drugi duž lanca.
Fenomen toplotne provodljivosti može se uočiti kada se kalcinira bilo koji materijal gvožđa, kada se crvenilo na površini glatko širi i postepeno bledi (određena količina toplote se oslobađa u okolinu).
F. Fourier je izveo formulu za protok toplote, koja je sakupila sve količine koje utiču na stepen toplotne provodljivosti supstance (vidi sliku ispod).
U ovoj formuli, Q/t je toplotni tok, λ je koeficijent toplotne provodljivosti, S je površina poprečnog preseka, T/X je odnos temperaturne razlike između krajeva tela koji se nalaze na određena udaljenost.
Toplotna provodljivost je tabelarna vrijednost. Od praktične je važnosti kod izolacije stambene zgrade ili termoizolacije opreme.
Prenos toplote zračenja
Još jedan način prenosa toplote, koji se zasniva na fenomenu elektromagnetnog zračenja. Njegova razlika od konvekcije i provođenja toplote leži u činjenici da se prijenos energije može dogoditi iu vakuumskom prostoru. Međutim, kao iu prvom slučaju, potrebna je temperaturna razlika.
Razmjena zračenja je primjer prijenosa toplinske energije sa Sunca na površinu Zemlje, koja je uglavnom odgovorna za infracrveno zračenje. Da bi se utvrdilo koliko toplote dospeva na površinu zemlje, izgrađene su brojne stanice kojepratite promjenu ovog indikatora.
konvekcija
Konvektivno kretanje vazdušnih tokova direktno je povezano sa fenomenom prenosa toplote. Bez obzira na to koliko smo toplote dali tečnosti ili gasu, molekuli supstance počinju da se kreću brže. Zbog toga se pritisak cijelog sistema smanjuje, a volumen se, naprotiv, povećava. To je razlog kretanja toplih vazdušnih struja ili drugih gasova prema gore.
Najjednostavniji primjer korištenja fenomena konvekcije u svakodnevnom životu može se nazvati grijanjem prostorije na baterije. Nalaze se na dnu prostorije s razlogom, ali tako da zagrijani zrak ima prostora za podizanje, što dovodi do cirkulacije strujanja po prostoriji.
Kako se toplota može izmjeriti?
Toplota grijanja ili hlađenja izračunava se matematički pomoću posebnog uređaja - kalorimetra. Instalaciju predstavlja velika toplotno izolirana posuda napunjena vodom. Termometar se spušta u tečnost kako bi se izmjerila početna temperatura medija. Zatim se zagrijano tijelo spušta u vodu kako bi se izračunala promjena temperature tečnosti nakon uspostavljanja ravnoteže.
Povećanjem ili smanjenjem t okolina određuje koliko toplote za zagrijavanje tijela treba potrošiti. Kalorimetar je najjednostavniji uređaj koji može registrirati promjene temperature.
Također, pomoću kalorimetra možete izračunati koliko će se topline osloboditi tokom sagorijevanjasupstance. Da biste to učinili, "bomba" se stavlja u posudu napunjenu vodom. Ova "bomba" je zatvorena posuda u kojoj se nalazi ispitivana supstanca. Na njega su spojene posebne elektrode za paljenje, a komora se puni kiseonikom. Nakon potpunog sagorevanja supstance, bilježi se promjena temperature vode.
U toku ovakvih eksperimenata ustanovljeno je da su izvori toplotne energije hemijske i nuklearne reakcije. Nuklearne reakcije se odvijaju u dubokim slojevima Zemlje, tvoreći glavnu rezervu topline za cijelu planetu. Ljudi ih također koriste za proizvodnju energije nuklearnom fuzijom.
Primeri hemijskih reakcija su sagorevanje supstanci i razlaganje polimera u monomere u ljudskom probavnom sistemu. Kvalitet i količina hemijskih veza u molekuli određuju koliko se toplote konačno oslobađa.
Kako se mjeri toplina?
Jedinica toplote u međunarodnom SI sistemu je džul (J). Također se u svakodnevnom životu koriste vansistemske jedinice - kalorije. 1 kalorija je jednaka 4,1868 J prema međunarodnom standardu i 4,184 J prema termohemiji. Ranije je postojao btu btu, koji naučnici rijetko koriste. 1 BTU=1,055 J.
