U fizici, koncept "toplote" je povezan s prijenosom toplinske energije između različitih tijela. Usljed ovih procesa dolazi do zagrijavanja i hlađenja tijela, kao i do promjene njihovih agregatnih stanja. Razmotrimo detaljnije pitanje šta je toplota.
koncept koncepta
Šta je toplota? Svaka osoba može odgovoriti na ovo pitanje iz svakodnevnog ugla, pod konceptom koji se razmatra, osjećaje koje ima kada se temperatura okoline podigne. U fizici se ovaj fenomen shvata kao proces prijenosa energije povezan s promjenom intenziteta haotičnog kretanja molekula i atoma koji formiraju tijelo.
Uopšteno govoreći, možemo reći da što je viša tjelesna temperatura, to je više unutrašnje energije pohranjeno u njemu i više topline može dati drugim objektima.
Vrelina i temperatura
Poznavajući odgovor na pitanje šta je toplota, mnogi mogu pomisliti da je ovaj koncept sličan konceptu "temperature", ali nije. Toplota je kinetička energija, temperatura je mjera za toenergije. Dakle, proces prijenosa topline ovisi o masi tvari, o broju čestica koje je čine, kao i o vrsti ovih čestica i prosječnoj brzini njihovog kretanja. Zauzvrat, temperatura zavisi samo od posljednjeg od navedenih parametara.
Razliku između topline i temperature lako je razumjeti ako provedete jednostavan eksperiment: trebate sipati vodu u dvije posude tako da jedna posuda bude puna, a druga samo do pola. Stavljajući obe posude na vatru, može se primetiti da prva počinje da ključa ona u kojoj je manje vode. Da bi druga posuda proključala, trebat će joj još topline sa vatre. Kada obe posude ključaju, možete izmeriti njihovu temperaturu, biće ista (100 oC), ali je bilo potrebno više toplote da puna posuda prokuva vodu u njoj.
Jedinice grijanja
Prema definiciji toplote u fizici, može se pretpostaviti da se ona mjeri u istim jedinicama kao energija ili rad, odnosno u džulima (J). Osim glavne jedinice topline, u svakodnevnom životu često možete čuti o kalorijama (kcal). Ovaj koncept se podrazumijeva kao količina topline koju treba prenijeti na jedan gram vode tako da se njena temperatura poveća za 1 kelvin (K). Jedna kalorija je jednaka 4,184 J. Možete čuti i o velikim i malim kalorijama, koje su 1 kcal, odnosno 1 cal.
Koncept toplotnog kapaciteta
Znajući šta je toplota, razmotrimo fizičku veličinu koja je direktno karakteriše - toplotni kapacitet. Pod ovim konceptom,fizika označava količinu toplote koja se mora dati ili uzeti iz tijela da bi se njegova temperatura promijenila za 1 kelvin (K).
Toplotni kapacitet određenog tijela zavisi od 2 glavna faktora:
- o hemijskom sastavu i stanju agregacije u kojem je tijelo predstavljeno;
- njegove mase.
Da bi ova karakteristika bila nezavisna od mase predmeta, u fiziku toplote je uvedena još jedna veličina - specifični toplotni kapacitet, koji određuje količinu toplote koju prenosi ili preuzima dato telo po 1 kg njegova masa kada se temperatura promijeni za 1 K.
Da biste jasno pokazali razliku u specifičnim toplotnim kapacitetima za različite supstance, na primjer, uzmite 1 g vode, 1 g željeza i 1 g suncokretovog ulja i zagrijte ih. Temperatura će se najbrže promijeniti za uzorak gvožđa, zatim za kap ulja i posljednja za vodu.
Napominjemo da specifični toplotni kapacitet ne zavisi samo od hemijskog sastava supstance, već i od njenog agregacionog stanja, kao i od spoljašnjih fizičkih uslova pod kojima se smatra (konstantan pritisak ili konstantna zapremina).
Glavna jednadžba procesa prijenosa topline
Kada smo se pozabavili pitanjem šta je toplota, treba dati glavni matematički izraz koji karakteriše proces njenog prenosa za apsolutno bilo koja tela u bilo kom stanju agregacije. Ovaj izraz ima oblik: Q=cmΔT, gdje je Q količina prenesene (primljene) topline, c je specifična toplina predmetnog objekta, m -njegova masa, ΔT je promjena apsolutne temperature, koja je definirana kao razlika u tjelesnim temperaturama na kraju i na početku procesa prijenosa topline.
Važno je shvatiti da će gornja formula uvijek vrijediti kada, tokom procesa koji se razmatra, objekt zadrži svoje agregacijsko stanje, odnosno ostaje tekućina, čvrsta ili plinovita. Inače, jednačina se ne može koristiti.
Promjena stanja agregacije materije
Kao što znate, postoje 3 glavna agregatna stanja u kojima materija može biti:
- gas;
- tečnost;
- čvrsto tijelo.
Da bi došlo do prelaska iz jednog stanja u drugo, potrebno je da ga tijelo obavijesti ili oduzme toplinu. Za takve procese u fizici uvedeni su pojmovi specifičnih toplota topljenja (kristalizacije) i ključanja (kondenzacije). Sve ove količine određuju količinu topline potrebnu za promjenu agregacijskog stanja, koja oslobađa ili apsorbira 1 kg tjelesne težine. Za ove procese vrijedi jednadžba: Q=Lm, gdje je L specifična toplota odgovarajućeg prijelaza između stanja materije.
U nastavku su glavne karakteristike procesa promjene stanja agregacije:
- Ovi procesi se odvijaju na konstantnoj temperaturi, kao što je ključanje ili topljenje.
- Oni su reverzibilni. Na primjer, količina topline koju je dato tijelo apsorbira da bi se otopilo bit će točno jednaka količini topline koja će se osloboditi u okolinu ako ovo tijelo ponovo prođeu čvrsto stanje.
Termička ravnoteža
Ovo je još jedno važno pitanje vezano za koncept "topline" koje treba uzeti u obzir. Ako se dva tijela sa različitim temperaturama dovedu u kontakt, onda će se nakon nekog vremena temperatura u cijelom sistemu izjednačiti i postati ista. Da bi se postigla termička ravnoteža, telo sa višom temperaturom mora da odaje toplotu sistemu, a telo sa nižom temperaturom mora da prihvati tu toplotu. Zakoni fizike topline koji opisuju ovaj proces mogu se izraziti kao kombinacija glavne jednačine prijenosa topline i jednačine koja određuje promjenu agregatnog stanja materije (ako postoji).
Upečatljiv primjer procesa spontanog uspostavljanja termičke ravnoteže je usijana gvozdena šipka koja se baci u vodu. U tom slučaju, vruće gvožđe će odavati toplotu vodi dok njena temperatura ne postane jednaka temperaturi tečnosti.
Osnovne metode prijenosa topline
Svi procesi poznati čovjeku koji idu uz razmjenu toplotne energije odvijaju se na tri različita načina:
- Termička provodljivost. Da bi se razmjena toplote odvijala na ovaj način, neophodan je kontakt između dva tijela sa različitim temperaturama. U kontaktnoj zoni na lokalnom molekularnom nivou, kinetička energija se prenosi sa toplog tela na hladno. Brzina ovog prijenosa topline ovisi o sposobnosti uključenih tijela da provode toplinu. Upečatljiv primjer toplinske provodljivosti ječovjek dodiruje metalnu šipku.
- Konvekcija. Ovaj proces zahtijeva kretanje materije, pa se opaža samo u tekućinama i plinovima. Suština konvekcije je sljedeća: kada se zagriju slojevi plina ili tekućine, njihova gustoća se smanjuje, pa imaju tendenciju da se podignu. Prilikom porasta zapremine tečnosti ili gasa prenose toplotu. Primjer konvekcije je proces ključanja vode u kotlu.
- Radiation. Ovaj proces prijenosa topline nastaje zbog emisije elektromagnetnog zračenja različitih frekvencija od strane zagrijanog tijela. Sunčeva svjetlost je vrhunski primjer radijacije.
