Kaikilla aineilla on sisäistä energiaa. Tälle arvolle on tunnusomaista useat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, joiden joukossa lämpöön tulee kiinnittää erityistä huomiota. Tämä suure on abstrakti matemaattinen arvo, joka kuvaa aineen molekyylien välisiä vuorovaikutusvoimia. Lämmönvaihtomekanismin ymmärtäminen voi auttaa vastaamaan kysymykseen, kuinka paljon lämpöä vapautui aineiden jäähtyessä ja kuumentaessa sekä niiden palaessa.
Lämmön ilmiön löytämisen historia
Lämmönsiirron ilmiö kuvattiin alun perin hyvin yksinkertaisesti ja selkeästi: jos aineen lämpötila nousee, se vastaanottaa lämpöä ja jäähtyessä vapauttaa sitä ympäristöön. Lämpö ei kuitenkaan ole olennainen osa tarkasteltavana olevaa nestettä tai kehoa, kuten uskottiin kolme vuosisataa sitten. Ihmiset uskoivat naiivisti, että aine koostuu kahdesta osasta: sen omista molekyyleistä ja lämmöstä. Nyt harvat muistavat, että termi "lämpötila" latinaksi tarkoittaa "seosta", ja esimerkiksi he puhuivat pronssista "tinan ja kuparin lämpötilana".
1600-luvulla ilmestyi kaksi hypoteesia, jotkavoisi selittää selvästi lämmön ja lämmönsiirron ilmiön. Ensimmäisen ehdotti Galileo vuonna 1613. Hänen sanamuotonsa oli: "Lämpö on epätavallinen aine, joka voi tunkeutua mihin tahansa kehoon ja sieltä ulos." Galileo kutsui tätä ainetta kaloripitoiseksi. Hän väitti, että kalori ei voi kadota tai romahtaa, vaan se pystyy vain siirtymään kehosta toiseen. Vastaavasti mitä enemmän kaloreita aineessa on, sitä korkeampi on sen lämpötila.
Toinen hypoteesi ilmestyi vuonna 1620, ja sen ehdotti filosofi Bacon. Hän huomasi, että vasaran voimakkaiden iskujen alla rauta kuumeni. Tämä periaate toimi myös tulen sytyttämisessä kitkalla, mikä sai Baconin pohtimaan lämmön molekulaarista luonnetta. Hän väitti, että kun kehoon kohdistuu mekaaninen vaikutus, sen molekyylit alkavat lyödä toisiaan vastaan, lisäävät liikenopeutta ja nostaa siten lämpötilaa.
Toisen hypoteesin tulos oli johtopäätös, että lämpö on seurausta aineen molekyylien mekaanisesta vaikutuksesta keskenään. Lomonosov yritti pitkään perustella ja kokeellisesti todistaa tämän teorian.
Lämpö on aineen sisäisen energian mitta
Nykyajan tiedemiehet ovat tulleet seuraavaan johtopäätökseen: lämpöenergia on seurausta ainemolekyylien vuorovaikutuksesta, eli kehon sisäisestä energiasta. Hiukkasten liikkumisnopeus riippuu lämpötilasta, ja lämmön määrä on suoraan verrannollinen aineen massaan. Joten vesiämpärissä on enemmän lämpöenergiaa kuin täytetyssä kupissa. Kuitenkin lautanen kuumaa nestettävoi olla vähemmän lämpöä kuin kylmässä altaassa.
Tieteajat J. Joule ja B. Rumford kumosivat kaloriteorian, jonka Galileo ehdotti 1600-luvulla. He osoittivat, että lämpöenergialla ei ole massaa ja että sille on ominaista yksinomaan molekyylien mekaaninen liike.
Kuinka paljon lämpöä vapautuu aineen palamisen aikana? Ominaislämpöarvo
Turve, öljy, kivihiili, maakaasu tai puu ovat nykyään yleismaailmallisia ja laaj alti käytettyjä energialähteitä. Näitä aineita poltettaessa vapautuu tietty määrä lämpöä, joka käytetään lämmitykseen, käynnistysmekanismeihin jne. Miten tämä arvo voidaan laskea käytännössä?
Tätä varten otetaan käyttöön ominaispalamislämmön käsite. Tämä arvo riippuu lämpömäärästä, joka vapautuu palaessa 1 kg tiettyä ainetta. Se on merkitty kirjaimella q ja mitataan J / kg. Alla on taulukko q-arvoista joillekin yleisimmille polttoaineille.
Moottoreita rakentaessaan ja laskeessaan insinöörin on tiedettävä, kuinka paljon lämpöä vapautuu, kun tietty määrä ainetta palaa. Tätä varten voit käyttää epäsuoria mittauksia kaavalla Q=qm, jossa Q on aineen palamislämpö, q on ominaispalolämpö (taulukkoarvo) ja m on annettu massa.
Lämmön muodostuminen palamisen aikana perustuu energian vapautumiseen kemiallisten sidosten muodostumisen aikana. Yksinkertaisin esimerkki on hiilen poltto, joka on sisällämissä tahansa nykyaikaisessa polttoaineessa. Hiili palaa ilmakehän ilman läsnä ollessa ja yhdistyy hapen kanssa hiilidioksidiksi. Kemiallisen sidoksen muodostuminen etenee lämpöenergian vapautuessa ympäristöön, ja ihminen on sopeutunut käyttämään tätä energiaa omiin tarkoituksiinsa.
Valitettavasti tällaisten arvokkaiden resurssien, kuten öljyn tai turpeen, ajattelematon kuluttaminen voi pian johtaa näiden polttoaineiden tuotantolähteiden ehtymiseen. Jo tänään ilmaantuu sähkölaitteita ja jopa uusia automalleja, joiden toiminta perustuu vaihtoehtoisiin energialähteisiin kuten auringonvaloon, veteen tai maankuoren energiaan.
Lämmönsiirto
Mahdollisuutta vaihtaa lämpöenergiaa kehon sisällä tai kehosta toiseen kutsutaan lämmönsiirroksi. Tämä ilmiö ei tapahdu spontaanisti ja tapahtuu vain lämpötilaerolla. Yksinkertaisimmassa tapauksessa lämpöenergiaa siirretään kuumemmasta kappaleesta vähemmän kuumennettuun kappaleeseen, kunnes tasapaino saavutetaan.
Kehojen ei tarvitse olla kosketuksissa lämmönsiirtoilmiön tapahtumiseen. Joka tapauksessa tasapainon muodostuminen voi tapahtua myös pienellä etäisyydellä tarkasteltavien kohteiden välillä, mutta hitaammin kuin silloin, kun ne joutuvat kosketuksiin.
Lämmönsiirto voidaan jakaa kolmeen tyyppiin:
1. Lämmönjohtavuus.
2. Konvektio.
3. Säteilevä vaihto.
Lämmönjohtavuus
Tämä ilmiö perustuu lämpöenergian siirtoon atomien tai ainemolekyylien välillä. Syysiirto - molekyylien kaoottinen liike ja niiden jatkuva törmäys. Tämän ansiosta lämpö siirtyy molekyylistä toiseen ketjua pitkin.
Lämmönjohtavuusilmiö voidaan havaita, kun mitä tahansa rautamateriaalia kalsinoidaan, kun pinnan punoitus leviää tasaisesti ja haalistuu vähitellen (tietty määrä lämpöä vapautuu ympäristöön).
F. Fourier johti lämpövirran kaavan, joka keräsi kaikki suureet, jotka vaikuttavat aineen lämmönjohtavuusasteeseen (katso kuva alla).
Tässä kaavassa Q/t on lämpövirta, λ on lämmönjohtavuuskerroin, S on poikkileikkausala, T/X on lämpötilaeron suhde kappaleen päiden välillä, jotka sijaitsevat tietty etäisyys.
Lämmönjohtavuus on taulukkoarvo. Sillä on käytännön merkitystä asuinrakennuksen eristämisessä tai laitteiden lämpöeristeessä.
Säteilevä lämmönsiirto
Toinen lämmönsiirtotapa, joka perustuu sähkömagneettisen säteilyn ilmiöön. Sen ero konvektiosta ja lämmönjohtavuudesta on siinä, että energiaa voi siirtyä myös tyhjiötilassa. Kuitenkin, kuten ensimmäisessä tapauksessa, lämpötilaero tarvitaan.
Säteilyvaihto on esimerkki lämpöenergian siirtymisestä Auringosta Maan pinnalle, joka on pääasiassa vastuussa infrapunasäteilystä. Sen määrittämiseksi, kuinka paljon lämpöä pääsee maan pinnalle, on rakennettu lukuisia asemia, jotkatarkkaile tämän indikaattorin muutosta.
Konvektio
Ilmavirtojen konvektiivinen liike liittyy suoraan lämmönsiirron ilmiöön. Riippumatta siitä, kuinka paljon lämpöä annoimme nesteelle tai kaasulle, aineen molekyylit alkavat liikkua nopeammin. Tämän vuoksi koko järjestelmän paine laskee ja tilavuus päinvastoin kasvaa. Tämä on syy lämpimien ilmavirtojen tai muiden kaasujen liikkumiseen ylöspäin.
Yksinkertaisin esimerkki konvektioilmiön käytöstä jokapäiväisessä elämässä voidaan kutsua huoneen lämmittämiseksi paristoilla. Ne sijaitsevat huoneen pohjalla syystä, mutta niin, että lämmitetyllä ilmalla on tilaa nousta ylös, mikä johtaa virtausten kiertämiseen ympäri huonetta.
Miten lämpöä voidaan mitata?
Lämmitys- tai jäähdytyslämpö lasketaan matemaattisesti erityisellä laitteella - kalorimetrillä. Asennusta edustaa suuri lämpöeristetty astia, joka on täytetty vedellä. Lämpömittari lasketaan nesteeseen mittaamaan väliaineen alkulämpötilaa. Sitten lämmitetty kappale lasketaan veteen laskemaan nesteen lämpötilan muutos tasapainon saavuttamisen jälkeen.
Nostamalla tai vähentämällä t:tä ympäristö määrittää, kuinka paljon lämpöä kehon lämmittämiseen tulisi käyttää. Kalorimetri on yksinkertaisin laite, joka voi rekisteröidä lämpötilan muutoksia.
Voit myös laskea kalorimetrin avulla kuinka paljon lämpöä vapautuu palamisen aikanaaineet. Tätä varten "pommi" asetetaan vedellä täytettyyn astiaan. Tämä "pommi" on suljettu astia, jossa testiaine sijaitsee. Siihen on kytketty erityiset tuhopolttoelektrodit, ja kammio on täytetty hapella. Aineen täydellisen palamisen jälkeen veden lämpötilan muutos kirjataan.
Tällaisten kokeiden aikana todettiin, että lämpöenergian lähteet ovat kemialliset ja ydinreaktiot. Ydinreaktiot tapahtuvat maan syvissä kerroksissa muodostaen koko planeetan pääasiallisen lämpövarannon. Ihmiset käyttävät niitä myös energian tuottamiseen ydinfuusion avulla.
Esimerkkejä kemiallisista reaktioista ovat aineiden palaminen ja polymeerien hajoaminen monomeereiksi ihmisen ruoansulatusjärjestelmässä. Kemiallisten sidosten laatu ja määrä molekyylissä määräävät, kuinka paljon lämpöä lopulta vapautuu.
Miten lämpö mitataan?
Lämmön yksikkö kansainvälisessä SI-järjestelmässä on joule (J). Myös jokapäiväisessä elämässä käytetään järjestelmän ulkopuolisia yksiköitä - kaloreita. 1 kalori vastaa 4,1868 J kansainvälisen standardin mukaan ja 4,184 J lämpökemian perusteella. Aikaisemmin oli olemassa btu btu, jota tiedemiehet käyttävät harvoin. 1 BTU=1,055 J.
