Visos medžiagos turi vidinę energiją. Ši vertė pasižymi daugybe fizinių ir cheminių savybių, tarp kurių ypatingas dėmesys turėtų būti skiriamas šilumai. Šis dydis yra abstrakti matematinė reikšmė, apibūdinanti medžiagos molekulių sąveikos jėgas. Šilumos mainų mechanizmo supratimas gali padėti atsakyti į klausimą, kiek šilumos išsiskyrė aušinant ir kaitinant medžiagas, taip pat joms degant.
Šilumos reiškinio atradimo istorija
Iš pradžių šilumos perdavimo reiškinys buvo aprašytas labai paprastai ir aiškiai: jei medžiagos temperatūra pakyla, ji gauna šilumą, o aušinimo atveju išleidžia į aplinką. Tačiau šiluma nėra neatsiejama nagrinėjamo skysčio ar kūno dalis, kaip buvo manoma prieš tris šimtmečius. Žmonės naiviai tikėjo, kad materija susideda iš dviejų dalių: savo molekulių ir šilumos. Dabar tik nedaugelis prisimena, kad terminas „temperatūra“lotynų kalboje reiškia „mišinys“, ir, pavyzdžiui, jie kalbėjo apie bronzą kaip „alavo ir vario temperatūrą“.
XVII amžiuje atsirado dvi hipotezės, kadgalėtų aiškiai paaiškinti šilumos ir šilumos perdavimo reiškinį. Pirmąjį 1613 m. pasiūlė Galilėjus. Jo formuluotė buvo tokia: „Šiluma yra neįprasta medžiaga, kuri gali prasiskverbti į bet kurį kūną ir iš jo išeiti“. Galilėjus pavadino šią medžiagą kalorine. Jis teigė, kad kalorijos negali išnykti ar subyrėti, o tik gali pereiti iš vieno kūno į kitą. Atitinkamai, kuo daugiau medžiagos kalorijų, tuo aukštesnė jos temperatūra.
Antroji hipotezė pasirodė 1620 m., ją pasiūlė filosofas Bekonas. Jis pastebėjo, kad nuo stiprių plaktuko smūgių lygintuvas įkaista. Šis principas taip pat veikė kurstant ugnį trinties būdu, todėl Baconas susimąstė apie šilumos molekulinę prigimtį. Jis teigė, kad kai kūnas yra mechaniškai veikiamas, jo molekulės pradeda daužytis viena prieš kitą, padidina judėjimo greitį ir taip pakelia temperatūrą.
Antros hipotezės rezultatas buvo išvada, kad šiluma yra mechaninio medžiagos molekulių tarpusavio veikimo rezultatas. Ilgą laiką Lomonosovas bandė pagrįsti ir eksperimentiškai įrodyti šią teoriją.
Šiluma yra medžiagos vidinės energijos matas
Šiuolaikiniai mokslininkai padarė tokią išvadą: šiluminė energija yra medžiagos molekulių sąveikos rezultatas, t.y. vidinė kūno energija. Dalelių judėjimo greitis priklauso nuo temperatūros, o šilumos kiekis yra tiesiogiai proporcingas medžiagos masei. Taigi, vandens kibiras turi daugiau šiluminės energijos nei pripildytas puodelis. Tačiau karšto skysčio lėkštėgali turėti mažiau šilumos nei š altame baseine.
Kaloringumo teoriją, kurią XVII amžiuje pasiūlė Galilėjus, paneigė mokslininkai J. Joule ir B. Rumford. Jie įrodė, kad šiluminė energija neturi masės ir jai būdingas tik mechaninis molekulių judėjimas.
Kiek šilumos išsiskirs degant medžiagai? Konkreti kaloringumas
Šiandien durpės, nafta, anglis, gamtinės dujos ar mediena yra universalūs ir plačiai naudojami energijos š altiniai. Deginant šias medžiagas išsiskiria tam tikras šilumos kiekis, kuris sunaudojamas šildymui, paleidimo mechanizmams ir pan. Kaip šią vertę galima apskaičiuoti praktiškai?
Tam įvedama savitosios degimo šilumos sąvoka. Ši vertė priklauso nuo šilumos kiekio, kuris išsiskiria deginant 1 kg tam tikros medžiagos. Jis žymimas raide q ir matuojamas J / kg. Toliau pateikiama kai kurių dažniausiai naudojamų degalų q verčių lentelė.
Kurdamas ir skaičiuodamas variklius, inžinierius turi žinoti, kiek šilumos išsiskirs sudegus tam tikram medžiagos kiekiui. Norėdami tai padaryti, galite naudoti netiesioginius matavimus, naudodami formulę Q=qm, kur Q yra medžiagos degimo šiluma, q yra savitoji degimo šiluma (lentelės vertė), o m yra nurodyta masė.
Šilumos susidarymas degimo metu pagrįstas energijos išsiskyrimo reiškiniu susidarant cheminiams ryšiams. Paprasčiausias pavyzdys yra anglies, esančios viduje, deginimasbet kokio tipo šiuolaikiniame kure. Anglis dega esant atmosferos orui ir jungiasi su deguonimi, sudarydama anglies dioksidą. Cheminis ryšys formuojasi, kai į aplinką išsiskiria šiluminė energija, o žmogus prisitaikė naudoti šią energiją savo reikmėms.
Deja, neapgalvotas tokių vertingų išteklių, kaip nafta ar durpės, išleidimas netrukus gali išeikvoti šio kuro gamybos š altinius. Jau šiandien atsiranda elektros prietaisų ir net naujų modelių automobilių, kurių veikimas pagrįstas alternatyviais energijos š altiniais, tokiais kaip saulės šviesa, vanduo ar žemės plutos energija.
Šilumos perdavimas
Gebėjimas keistis šilumine energija kūno viduje arba iš vieno kūno į kitą vadinamas šilumos perdavimu. Šis reiškinys neatsiranda spontaniškai ir atsiranda tik esant temperatūros skirtumui. Paprasčiausiu atveju šiluminė energija perduodama iš karštesnio kūno į mažiau šildomą kūną, kol susidaro pusiausvyra.
Kūnai neturi liestis, kad atsirastų šilumos perdavimo reiškinys. Bet kokiu atveju, pusiausvyra gali susidaryti ir esant nedideliam atstumui tarp nagrinėjamų objektų, tačiau lėčiau nei tada, kai jie liečiasi.
Šilumos perdavimą galima suskirstyti į tris tipus:
1. Šilumos laidumas.
2. Konvekcija.
3. Spinduliavimo mainai.
Šiluminis laidumas
Šis reiškinys pagrįstas šiluminės energijos perdavimu tarp atomų ar materijos molekulių. Priežastisperdavimas – chaotiškas molekulių judėjimas ir nuolatinis jų susidūrimas. Dėl šios priežasties šiluma grandinėje pereina iš vienos molekulės į kitą.
Šilumos laidumo reiškinį galima pastebėti deginant bet kokią geležies medžiagą, kai paviršiuje esantis paraudimas sklandžiai plinta ir palaipsniui išnyksta (į aplinką išsiskiria tam tikras šilumos kiekis).
F. Furjė išvedė šilumos srauto formulę, kuri surinko visus kiekius, turinčius įtakos medžiagos šilumos laidumo laipsniui (žr. paveikslėlį žemiau).
Šioje formulėje Q/t yra šilumos srautas, λ yra šilumos laidumo koeficientas, S yra skerspjūvio plotas, T/X yra temperatūrų skirtumo tarp kūno galų, esančių tam tikru atstumu.
Šiluminis laidumas yra lentelės reikšmė. Tai turi praktinę reikšmę šiltinant gyvenamąjį namą ar izoliuojant įrangą.
Spinduliuojantis šilumos perdavimas
Kitas šilumos perdavimo būdas, pagrįstas elektromagnetinės spinduliuotės reiškiniu. Jo skirtumas nuo konvekcijos ir šilumos laidumo yra tas, kad energijos perdavimas gali vykti ir vakuuminėje erdvėje. Tačiau, kaip ir pirmuoju atveju, būtinas temperatūros skirtumas.
Spinduliavimo mainai yra šilumos energijos perdavimo iš Saulės į Žemės paviršių pavyzdys, kuris daugiausia yra atsakingas už infraraudonąją spinduliuotę. Norint nustatyti, kiek šilumos pasiekia žemės paviršių, buvo pastatyta daugybė stočių, kuriosstebėti šio rodiklio pokyčius.
Konvekcija
Konvekcinis oro srautų judėjimas yra tiesiogiai susijęs su šilumos perdavimo reiškiniu. Nepriklausomai nuo to, kiek šilumos suteikėme skysčiui ar dujoms, medžiagos molekulės pradeda judėti greičiau. Dėl šios priežasties visos sistemos slėgis mažėja, o tūris, atvirkščiai, didėja. Dėl šios priežasties šilto oro srovės ar kitos dujos juda aukštyn.
Paprasčiausias konvekcijos reiškinio panaudojimo kasdieniame gyvenime pavyzdys gali būti vadinamas kambario šildymu baterijomis. Jie ne veltui yra kambario apačioje, bet tam, kad šildomas oras turėtų vietos pakilti, todėl srautai cirkuliuoja aplink kambarį.
Kaip galima išmatuoti šilumą?
Šildymo arba vėsinimo šiluma apskaičiuojama matematiškai naudojant specialų prietaisą – kalorimetrą. Instaliaciją vaizduoja didelis šilumą izoliuotas indas, užpildytas vandeniu. Norint išmatuoti pradinę terpės temperatūrą, į skystį nuleidžiamas termometras. Tada įkaitintas kūnas nuleidžiamas į vandenį, kad būtų apskaičiuotas skysčio temperatūros pokytis nusistovėjus pusiausvyrai.
Didinant arba mažinant t, aplinka lemia, kiek šilumos reikia išleisti kūnui sušildyti. Kalorimetras yra paprasčiausias prietaisas, galintis registruoti temperatūros pokyčius.
Be to, naudodami kalorimetrą galite apskaičiuoti, kiek šilumos išsiskirs degimo metumedžiagų. Norėdami tai padaryti, "bomba" įdedama į indą, užpildytą vandeniu. Ši „bomba“yra uždaras indas, kuriame yra bandomoji medžiaga. Prie jo prijungiami specialūs elektrodai padegimui, o kamera pripildoma deguonies. Visiškai sudegus medžiagai, užregistruojamas vandens temperatūros pokytis.
Tokių eksperimentų metu buvo nustatyta, kad šiluminės energijos š altiniai yra cheminės ir branduolinės reakcijos. Branduolinės reakcijos vyksta giliuose Žemės sluoksniuose, suformuodamos pagrindinį šilumos rezervą visai planetai. Žmonės juos taip pat naudoja energijai gaminti per branduolių sintezę.
Cheminių reakcijų pavyzdžiai yra medžiagų degimas ir polimerų skilimas į monomerus žmogaus virškinimo sistemoje. Cheminių jungčių molekulėje kokybė ir kiekis lemia, kiek šilumos galiausiai išsiskiria.
Kaip matuojama šiluma?
Šilumos vienetas tarptautinėje SI sistemoje yra džaulis (J). Taip pat kasdieniame gyvenime naudojami nesisteminiai vienetai - kalorijos. 1 kalorija yra lygi 4,1868 J pagal tarptautinį standartą ir 4,184 J pagal termochemiją. Anksčiau buvo btu btu, kurį mokslininkai naudoja retai. 1 BTU=1,055 J.
