Fizikoje „šilumos“sąvoka siejama su šiluminės energijos perdavimu tarp skirtingų kūnų. Dėl šių procesų vyksta kūnų kaitinimas ir vėsimas, taip pat jų agregacijos būsenų pasikeitimas. Išsamiau panagrinėkime klausimą, kas yra šiluma.
Koncepcijos koncepcija
Kas yra šiluma? Kiekvienas žmogus gali atsakyti į šį klausimą kasdieniu požiūriu, o tai reiškia, kokius pojūčius jis patiria pakilus aplinkos temperatūrai. Fizikoje šis reiškinys suprantamas kaip energijos perdavimo procesas, susijęs su kūną sudarančių molekulių ir atomų chaotiško judėjimo intensyvumo pasikeitimu.
Apskritai galime teigti, kad kuo aukštesnė kūno temperatūra, tuo daugiau jame sukaupta vidinės energijos, ir tuo daugiau šilumos ji gali atiduoti kitiems objektams.
Šiluma ir temperatūra
Žinodami atsakymą į klausimą, kas yra šiluma, daugelis gali pagalvoti, kad ši sąvoka yra panaši į „temperatūros“sąvoką, tačiau taip nėra. Šiluma yra kinetinė energija, temperatūra yra jos matasenergijos. Taigi šilumos perdavimo procesas priklauso nuo medžiagos masės, nuo ją sudarančių dalelių skaičiaus, taip pat nuo šių dalelių tipo ir vidutinio jų judėjimo greičio. Savo ruožtu temperatūra priklauso tik nuo paskutinio iš išvardytų parametrų.
Skirtumą tarp šilumos ir temperatūros nesunku suprasti, jei atliksite paprastą eksperimentą: reikia įpilti vandens į du indus, kad vienas indas būtų pilnas, o kitas – tik iki pusės. Uždėjus abu indus ant ugnies, galima pastebėti, kad pirmasis pradeda virti tas, kuriame mažiau vandens. Kad antrasis indas užvirtų, jam reikės dar šiek tiek šilumos iš ugnies. Kai verda abu indai, galima pamatuoti jų temperatūrą, ji bus vienoda (100 oC), bet reikėjo daugiau šilumos, kad pilnas indas užvirtų jame vandenį.
Šilumos vienetai
Pagal šilumos apibrėžimą fizikoje galima spėti, kad ji matuojama tais pačiais vienetais kaip ir energija arba darbas, tai yra džauliais (J). Be pagrindinio šilumos vieneto, kasdieniame gyvenime dažnai galite išgirsti apie kalorijas (kcal). Ši sąvoka suprantama kaip šilumos kiekis, kurį reikia perduoti vienam gramui vandens, kad jo temperatūra pakiltų 1 kelvinu (K). Viena kalorija yra lygi 4,184 J. Taip pat galite išgirsti apie dideles ir mažas kalorijas, kurios yra atitinkamai 1 kcal ir 1 cal.
Šiluminės talpos samprata
Žinodami, kas yra šiluma, panagrinėkime ją tiesiogiai apibūdinantį fizikinį dydį – šiluminę talpą. Pagal šią koncepcijąfizika reiškia šilumos kiekį, kurį reikia atiduoti kūnui arba paimti iš jo, kad jo temperatūra pasikeistų 1 kelvinu (K).
Tam tikro kūno šiluminė talpa priklauso nuo 2 pagrindinių veiksnių:
- dėl cheminės sudėties ir agregacijos būsenos, kurioje pateikiamas kūnas;
- jo masės.
Kad ši charakteristika nepriklausytų nuo objekto masės, šilumos fizikoje buvo įvestas kitas dydis – savitoji šiluminė talpa, kuri apibrėžia konkretaus kūno pernešamos ar paimamos šilumos kiekį 1 kg. jo masė, kai temperatūra pasikeičia 1 K.
Norėdami aiškiai parodyti skirtingų medžiagų savitosios šiluminės talpos skirtumus, pavyzdžiui, paimkite 1 g vandens, 1 g geležies ir 1 g saulėgrąžų aliejaus ir pašildykite. Greičiausiai temperatūra keisis geležies mėginio, tada alyvos lašo ir vandens temperatūra.
Atkreipkite dėmesį, kad savitoji šiluminė talpa priklauso ne tik nuo cheminės medžiagos sudėties, bet ir nuo jos agregacijos būsenos, taip pat nuo išorinių fizinių sąlygų, kuriomis ji vertinama (pastovaus slėgio arba pastovaus tūrio)..
Pagrindinė šilumos perdavimo proceso lygtis
Išnagrinėjus klausimą, kas yra šiluma, reikėtų pateikti pagrindinę matematinę išraišką, apibūdinančią jos perdavimo procesą absoliučiai bet kokiems kūnams bet kokioje agregacijos būsenoje. Ši išraiška yra tokia: Q=cmΔT, kur Q yra perduotos (gaunamos) šilumos kiekis, c yra atitinkamo objekto savitoji šiluma, m -jo masė, ΔT yra absoliučios temperatūros pokytis, kuris apibrėžiamas kaip kūno temperatūrų skirtumas šilumos perdavimo proceso pabaigoje ir pradžioje.
Svarbu suprasti, kad aukščiau pateikta formulė galios visada, kai nagrinėjamo proceso metu objektas išlaiko savo agregacijos būseną, tai yra lieka skystas, kietas arba dujinis. Priešingu atveju lygtis negali būti naudojama.
Materijos agregacijos būsenos pokytis
Kaip žinote, yra 3 pagrindinės suvestinės būsenos, kuriose medžiaga gali būti:
- dujos;
- skystas;
- tvirtas korpusas.
Kad įvyktų perėjimas iš vienos būsenos į kitą, organizmas turi informuoti arba atimti iš jo šilumą. Tokiems fizikos procesams buvo įvestos specifinės lydymosi (kristalizacijos) ir virimo (kondensacijos) šilumos sąvokos. Visi šie kiekiai lemia šilumos kiekį, reikalingą agregacijos būklei pakeisti, kuri atpalaiduoja arba sugeria 1 kg kūno svorio. Šiems procesams galioja lygtis: Q=Lm, kur L yra atitinkamo perėjimo tarp medžiagos būsenų savitoji šiluma.
Toliau pateikiamos pagrindinės agregavimo būsenos keitimo procesų ypatybės:
- Šie procesai vyksta pastovioje temperatūroje, pvz., verdant arba lydantis.
- Jos yra grįžtamos. Pavyzdžiui, šilumos kiekis, kurį tam tikras kūnas sugeria, kad ištirptų, bus tiksliai lygus šilumos kiekiui, kuris bus išleistas į aplinką, jei šis kūnas vėl praeis.į kietą būseną.
Šiluminė pusiausvyra
Tai dar vienas svarbus klausimas, susijęs su „šilumos“sąvoka, kurį reikia apsvarstyti. Jei susiliečia du skirtingos temperatūros kūnai, po kurio laiko temperatūra visoje sistemoje išsilygins ir taps vienoda. Kad būtų pasiekta šiluminė pusiausvyra, aukštesnės temperatūros kūnas turi atiduoti šilumą sistemai, o žemesnės temperatūros kūnas – priimti šią šilumą. Šilumos fizikos dėsniai, apibūdinantys šį procesą, gali būti išreikšti kaip pagrindinės šilumos perdavimo lygties ir lygties, lemiančios suminės medžiagos būsenos kitimą (jei toks yra), derinys.
Ryškus spontaniško šiluminės pusiausvyros susidarymo proceso pavyzdys yra įkaitęs geležinis strypas, išmetamas į vandenį. Tokiu atveju karštas lygintuvas skirs šilumą vandeniui, kol jo temperatūra taps lygi skysčio temperatūrai.
Pagrindiniai šilumos perdavimo būdai
Visi žmogui žinomi procesai, susiję su šilumos energijos mainais, vyksta trimis skirtingais būdais:
- Šiluminis laidumas. Kad šitaip įvyktų šilumos mainai, būtinas dviejų skirtingų temperatūrų kūnų kontaktas. Kontaktinėje zonoje vietiniame molekuliniame lygmenyje kinetinė energija perduodama iš karšto kūno į š altą. Šio šilumos perdavimo greitis priklauso nuo dalyvaujančių kūnų gebėjimo praleisti šilumą. Ryškus šilumos laidumo pavyzdys yražmogus liečia metalinį strypą.
- Konvekcija. Šiam procesui reikalingas medžiagos judėjimas, todėl jis stebimas tik skysčiuose ir dujose. Konvekcijos esmė tokia: kaitinant dujų ar skysčio sluoksnius mažėja jų tankis, todėl jie linkę kilti aukštyn. Didėjant skysčio ar dujų tūriui, jie perduoda šilumą. Konvekcijos pavyzdys yra vandens virinimas virdulyje.
- Radiacija. Šis šilumos perdavimo procesas vyksta dėl įkaitusio kūno skleidžiamos įvairių dažnių elektromagnetinės spinduliuotės. Saulės šviesa yra puikus spinduliavimo pavyzdys.
