Fysiikassa "lämmön" käsite liittyy lämpöenergian siirtoon eri kappaleiden välillä. Näistä prosesseista johtuen tapahtuu kappaleiden lämpenemistä ja jäähtymistä sekä niiden aggregaatiotilojen muutosta. Tarkastellaanpa tarkemmin kysymystä siitä, mitä lämpö on.
Konseptikonsepti
Mitä lämpö on? Jokainen voi vastata tähän kysymykseen arkipäivän näkökulmasta, mikä tarkoittaa tarkasteltavana olevan käsitteen alla niitä tuntemuksia, joita hänellä on ympäristön lämpötilan noustessa. Fysiikassa tämä ilmiö ymmärretään energiansiirtoprosessiksi, joka liittyy kehon muodostavien molekyylien ja atomien kaoottisen liikkeen intensiteetin muutokseen.
Yleensä voidaan sanoa, että mitä korkeampi kehon lämpötila, sitä enemmän sisäistä energiaa siihen varastoituu ja sitä enemmän lämpöä se voi antaa muille esineille.
Lämpö ja lämpötila
Tietessään vastauksen kysymykseen, mitä lämpö on, monet saattavat ajatella, että tämä käsite on samanlainen kuin "lämpötilan" käsite, mutta se ei ole sitä. Lämpö on kineettistä energiaa, lämpötila on tämän mittaenergiaa. Joten lämmönsiirtoprosessi riippuu aineen massasta, sen muodostavien hiukkasten lukumäärästä sekä näiden hiukkasten tyypistä ja niiden keskimääräisestä liikkumisnopeudesta. Lämpötila puolestaan riippuu vain viimeisestä luetelluista parametreista.
Lämmön ja lämpötilan ero on helppo ymmärtää, jos teet yksinkertaisen kokeen: sinun täytyy kaataa vettä kahteen astiaan niin, että toinen astia on täynnä ja toinen vain puoliksi täytetty. Laittamalla molemmat astiat tuleen, huomaa, että se, jossa on vähemmän vettä, alkaa kiehua ensin. Jotta toinen astia kiehuisi, se tarvitsee lisää lämpöä tulesta. Kun molemmat astiat kiehuvat, voit mitata niiden lämpötilan, se on sama (100 oC), mutta enemmän lämpöä tarvittiin, jotta täysi astia kiehuisi siinä.
Lämpöyksiköt
Lämmön fysiikan määritelmän mukaan voidaan olettaa, että se mitataan samoissa yksiköissä kuin energia tai työ, eli jouleina (J). Lämmön pääyksikön lisäksi jokapäiväisessä elämässä kuulet usein kaloreista (kcal). Tämä käsite ymmärretään lämpömääräksi, joka on siirrettävä yhteen grammaan vettä, jotta sen lämpötila nousee 1 kelvinin (K). Yksi kalori vastaa 4,184 J. Voit myös kuulla suurista ja pienistä kaloreista, jotka ovat 1 kcal ja 1 cal, vastaavasti.
Lämpökapasiteetin käsite
Kun tiedämme, mitä lämpö on, harkitsemme sitä suoraan kuvaavaa fyysistä suuruutta - lämpökapasiteettia. Tämän konseptin allafysiikka tarkoittaa lämmön määrää, joka keholle on annettava tai otettava siitä, jotta sen lämpötila muuttuisi 1 kelvinin (K).
Tietyn kehon lämpökapasiteetti riippuu kahdesta päätekijästä:
- kemiallisesta koostumuksesta ja aggregaatiotilasta, jossa ruumis esiintyy;
- hänen massasta.
Jotta tämä ominaisuus olisi riippumaton esineen massasta, lämmön fysiikassa otettiin käyttöön toinen suure - ominaislämpökapasiteetti, joka määrittää tietyn kehon siirtämän tai vastaanottaman lämmön määrän 1 kg:aa kohden. sen massa, kun lämpötila muuttuu 1 K.
Jos haluat selvästi näyttää eron eri aineiden ominaislämpökapasiteeteissa, ota esimerkiksi 1 g vettä, 1 g rautaa ja 1 g auringonkukkaöljyä ja kuumenna niitä. Lämpötila muuttuu nopeimmin rautanäytteelle, sitten öljypisaralle ja viimeiseksi veden os alta.
Huomaa, että ominaislämpökapasiteetti ei riipu pelkästään aineen kemiallisesta koostumuksesta, vaan myös sen aggregaatiotilasta sekä ulkoisista fysikaalisista olosuhteista, joissa sitä tarkastellaan (vakiopaine tai vakiotilavuus).
Lämmönsiirtoprosessin pääyhtälö
Kun on käsitelty kysymystä siitä, mitä lämpö on, tulisi antaa tärkein matemaattinen lauseke, joka luonnehtii sen siirtymisprosessia ehdottomasti kaikille kappaleille missä tahansa aggregaatiotilassa. Tämä lauseke on muotoa: Q=cmΔT, missä Q on siirretyn (vastaanotetun) lämmön määrä, c on kohteen ominaislämpö, m -sen massa, ΔT on muutos absoluuttisessa lämpötilassa, joka määritellään kehon lämpötilojen erona lämmönsiirtoprosessin lopussa ja alussa.
On tärkeää ymmärtää, että yllä oleva kaava pätee aina, kun kohde säilyttää tarkastellun prosessin aikana aggregoitumistilansa, eli se pysyy nesteenä, kiinteänä tai kaasuna. Muuten yhtälöä ei voida käyttää.
Aineen aggregaatiotilan muutos
Kuten tiedät, on kolme pääasiallista aggregaattitilaa, joissa aine voi olla:
- kaasu;
- neste;
- kiinteä runko.
Jotta siirtyminen tilasta toiseen tapahtuisi, kehon on tiedotettava siitä tai otettava siitä lämpö pois. Tällaisille fysiikan prosesseille otettiin käyttöön sulamis- (kiteytys) ja kiehumislämmöt (kondensaatio) käsitteet. Kaikki nämä määrät määrittävät lämpömäärän, joka tarvitaan muuttamaan aggregaatiotilaa, joka vapauttaa tai imee 1 kg kehon painoa. Näille prosesseille pätee yhtälö: Q=Lm, missä L on vastaavan aineen tilojen välisen siirtymän ominaislämpö.
Alla on aggregointitilan muuttamisprosessien pääpiirteet:
- Nämä prosessit tapahtuvat vakiolämpötilassa, kuten kiehumis- tai sulamislämpötilassa.
- Ne ovat käännettävissä. Esimerkiksi lämmön määrä, jonka tietty kappale absorboi sulaakseen, on täsmälleen yhtä suuri kuin lämpömäärä, joka vapautuu ympäristöön, jos tämä kappale kulkee uudelleenkiinteään tilaan.
Lämpötasapaino
Tämä on toinen tärkeä "lämmön" käsitteeseen liittyvä asia, joka on otettava huomioon. Jos kaksi erilämpöistä kappaletta saatetaan kosketuksiin, niin jonkin ajan kuluttua koko järjestelmän lämpötila tasoittuu ja muuttuu samaksi. Lämpötasapainon saavuttamiseksi korkeammassa lämpötilassa olevan kappaleen tulee luovuttaa lämpöä järjestelmään ja alhaisemman lämpötilan kappaleen on otettava tämä lämpö vastaan. Tätä prosessia kuvaavat lämpöfysiikan lait voidaan ilmaista päälämmönsiirtoyhtälön ja aineen aggregoidun olomuodon muutoksen määräävän yhtälön (jos sellainen on) yhdistelmänä.
Silmiinpistävä esimerkki spontaanista lämpötasapainon muodostumisesta on veteen heitetty punaisen kuuma rautatanko. Tässä tapauksessa kuuma silitysrauta luovuttaa lämpöä veteen, kunnes sen lämpötila on yhtä suuri kuin nesteen lämpötila.
Lämmönsiirron perusmenetelmät
Kaikki ihmisen tuntemat prosessit, jotka liittyvät lämpöenergian vaihtoon, tapahtuvat kolmella eri tavalla:
- Lämmönjohtavuus. Jotta lämmönvaihto tapahtuisi tällä tavalla, kahden erilämpöisen kappaleen välinen kosketus on välttämätön. Kosketusvyöhykkeellä paikallisella molekyylitasolla kineettinen energia siirtyy kuumasta kappaleesta kylmään. Tämän lämmönsiirron nopeus riippuu mukana olevien kappaleiden kyvystä johtaa lämpöä. Hämmästyttävä esimerkki lämmönjohtavuudesta onihminen koskettaa metallitankoa.
- Konvektio. Tämä prosessi vaatii aineen liikkumista, joten sitä havaitaan vain nesteissä ja kaasuissa. Konvektion olemus on seuraava: kun kaasu- tai nestekerroksia kuumennetaan, niiden tiheys pienenee, joten niillä on taipumus nousta ylös. Nesteen tai kaasun tilavuuden noustessa ne siirtävät lämpöä. Esimerkki konvektiosta on veden keittäminen vedenkeittimessä.
- Säteily. Tämä lämmönsiirtoprosessi johtuu lämmitetyn kappaleen eri taajuuksista sähkömagneettisen säteilyn lähettämisestä. Auringonvalo on loistava esimerkki säteilystä.
