Топлината е ... Колко топлина ще се отдели при горенето?

Всички вещества имат вътрешна енергия. Тази стойност се характеризира с редица физични и химични свойства, сред които специално внимание трябва да се обърне на топлината. Тази стойност е абстрактна математическа стойност, която описва силите на взаимодействие на молекулите на материята. Разбирането на механизма за топлообмен може да помогне да се отговори на въпроса количество топлина

История на откриването на явлението топлина

Първоначално феноменът на топлопреминаването е описан много просто и разбираемо: ако температурата на веществото се покачи, то получава топлина, а в случай на охлаждане го изпуска в околната среда. Въпреки това, топлината не е неразделна част от въпросното течност или тяло, както се мисли преди три века. Хората наивно вярвали, че веществото се състои от две части: собствените си молекули и топлина. Сега малко хора помнят, че терминът "температура" на латински означава "смес", и например те говореха за бронз като "температурата на калай и мед".

През 17-и век се появиха две хипотези, които обясняваха явлението топлопреминаване. Първият, предложен през 1613 г. от "Галилео". Неговата формулировка е: "Топлината е необичайна субстанция, която може да проникне във всяко тяло и да излезе от нея". Галилео нарече това вещество топлина. Той твърди, че топлината не може да изчезне или да бъде унищожена, но само способна да се премести от едно тяло в друго. Съответно, колкото повече топлина в веществото, толкова по-висока е неговата температура.

Втората хипотеза се появява през 1620 г., а философът Бейкън го предлага. Той забеляза, че при силни удари с чук желязото се е нагрявало. Този принцип се прилага и когато огънят се запали от триене, което доведе Бейкън до идеята за молекулярната природа на топлината. Той твърди, че когато механичното действие върху тялото на молекулите му започне да се бори един срещу друг, увеличава скоростта на движение и по този начин повишава температурата.

Резултатът от втората хипотеза е заключението, че топлината е резултат от механичното действие на молекулите на материята един с друг. Ломоносов се опита да докаже тази теория за дълъг период от време.

Топлината е мярка за вътрешната енергия на дадено вещество

Съвременните учени стигат до следното заключение: топлинна енергия е резултат от взаимодействието на молекулите на материята, вътрешна енергия тяло. Скоростта на частиците зависи от температурата и топлинната стойност е пряко пропорционална на масата на веществото. Така че една кофа с вода има повече топлинна енергия, отколкото пълна чаша. Обаче, една чинийка с гореща течност може да има по-малко топлина от един басейн със студена.

Теорията за топлината, предложена през 17-ти век от "Галилео", е отхвърлена от учените J. Joule и B. Rumford. Те доказват, че топлинната енергия не притежава маса и се характеризира изключително с механичното движение на молекулите.

Колко топлина ще се освободи при изгаряне на веществото? Специфична топлина на изгаряне

Досега универсалните и широко използвани енергийни източници са торф, нефт, въглища, природен газ или дървесина. При изгарянето на тези вещества се отделя определено количество топлина, което се използва за нагряване, механизми за задействане и т.н. Как може да се изчисли тази стойност на практика?

За да направим това, ние въведохме идеята специфична топлина на изгаряне. Тази стойност зависи от количеството топлина, което се отделя, когато се изгори 1 кг от определено вещество. Обозначава се с буквата q и се измерва в J / kg. По-долу е дадена таблица с q стойности за някои от най-разпространените горива.

Инженерите в конструкцията и изчисляването на двигателите трябва да знаят колко топлина ще бъде освободена, когато изгори определено количество материя. За това ние можем да използваме индиректни измервания с формула Q = QM, където Q - е калоричността на веществото, Q - специфична топлина на изгаряне (стойност маса), и М - дадена маса.

Образуване на топлина по време на изгарянето се основава на явлението освобождаване на енергия по време на образуването на химически връзки. Най-простият пример е изгарянето на въглерод, който се съдържа във всеки тип модерно гориво. Въглеродът гори в присъствието на атмосферен въздух и се комбинира с кислород, образувайки въглероден диоксид. Образуването на химическа връзка води до отделянето на топлинна енергия в околната среда и тази енергия е адаптирана да се използва за собствени цели.

За съжаление, безмилостните разходи на такива ценни ресурси като петрол или торф скоро могат да доведат до изчерпване на източниците за добив на тези горива. Вече има електрически уреди и дори нови модели автомобили, чиято работа се основава на алтернативни източници на енергия като слънчевата светлина, водата или енергията на земната кора.

Топлопренос

Способността за обмен на топлинна енергия в тялото или от едно тяло до друго се нарича топлопреминаване. Това е явлението не се появява спонтанно и възниква само при температурна разлика. В най-простия случай топлинната енергия се прехвърля от по-загрятото тяло към по-малкото, докато се установи равновесие.

Телата не трябва да докосват явлението пренос на топлина. Във всеки случай установяването на равновесие може да се случи и на малко разстояние между въпросните обекти, но с по-бавна скорост, отколкото когато те са в контакт.

Топлопредаването може да бъде разделено на три вида:

1. Термична проводимост.

2. Конвекция.

3. Обмен на радиация.

Топлопроводимост

Това явление се основава на трансфера на топлинна енергия между атомите или молекулите на материята. Причината за прехвърлянето е хаотичното движение на молекулите и тяхното постоянно сблъскване. Поради това топлинните трансфери се пренасят от една молекула в друга по веригата.

Наблюдавайте топлопроводимост явление може запалване на железен материал, когато повърхността на еритема разпростира плавно и постепенно отслабва (определено количество топлина се освобождава в околната среда).

Дж. Фурие извлича формула за топлинния поток, която събира всички количества, които влияят върху степента на топлопроводимост на веществото (виж фигурата по-долу).

В тази формула Q / t е топлинният поток, ламбда е коефициентът на топлопроводимост, S е площта на напречното сечение, Т / Х е съотношението на температурната разлика между краищата на тялото, разположени на определено разстояние.

Топлинната проводимост е таблична стойност. Това е от практическо значение при изолацията на жилищна сграда или топлоизолацията на оборудването.

Трансфер на топлинна енергия

Друг начин за пренос на топлина, който се основава на явлението електромагнитно излъчване. Разликата му от конвекцията и топлинната проводимост се състои във факта, че енергийният трансфер може да се появи във вакуумно пространство. Въпреки това, както и в първия случай, е необходима разлика в температурата.

Обменът на слънчева енергия е пример за прехвърляне на слънчевата топлинна енергия върху повърхността на Земята, за която основно е отговорно инфрачервеното лъчение. За да се определи колко топлина достига до земната повърхност, бяха изградени многобройни станции, които наблюдават промяната в този индикатор.

конвекция

Конвекционното движение на въздушните потоци е пряко свързано с явлението топлопренос. Независимо колко топлина сме докладвали на течности или газ, молекулите на материята започват да се движат по-бързо. Поради това натискът на цялата система намалява, а обемът, напротив, се увеличава. Това е причината за движението на горещи въздушни течения или други газове нагоре.

Най-простият пример за използването на феномена конвекция в ежедневието може да се нарече загряване на помещението с помощта на батерии. Те се намират в дъното на помещението поради причина, но за нагряване на въздуха, където се стига до циркулация на потоците през стаята.

Как можете да измерите количеството топлина?

Топлината на отопление или охлаждане се изчислява математически с помощта на специален инструмент - калориметър. Инсталацията е представена от голям термично изолиран съд, който се пълни с вода. Термометърът се спуска в течността, за да се измери първоначалната температура на средата. След това загрятото тяло се спуска във водата, за да се изчисли температурната промяна на течността след установяване на равновесие.

С увеличаването или намаляването на t на средата се определя колко топлина да се нагрява тялото трябва да бъде изразходвано. Калориметърът е най-простото устройство, което може да регистрира промяна на температурата.

Също така, използвайки калориметър, можете да изчислите колко топлина ще бъде освободена, когато веществата са изгорени. За това "бомба" се поставя в съд, напълнен с вода. Тази "бомба" е затворен съд, в който се намира изпитваното вещество. В него се добавят специални електроди за палеж и камерата се запълва с кислород. След пълно изгаряне на веществото се регистрира промяна в температурата на водата.

По време на тези експерименти беше установено, че източниците на топлинна енергия са химически и ядрени реакции. Ядрените реакции се появяват в дълбоките слоеве на Земята, формирайки основния резерв за топлина на цялата планета. Те се използват и от човека за генериране на енергия по време на термоядрен синтез.

Примери за химични реакции са изгарянето на вещества и разделянето на полимери на мономери в човешката храносмилателна система. Качеството и количеството на химичните връзки в молекулата определя колко топлина се отделя в края.

Каква е мярката за топлина?

Единицата за измерване на топлината в международната SI система е джаула (J). Също така, не-системните единици - калории - се използват в ежедневието. 1 калория е 4.1868 J съгласно международния стандарт и 4.184 J на ​​база термохимия. Преди това имаше британска термична единица BTU, която рядко се използва от учените. 1 BTU = 1.055 J.