Všetky látky majú vnútornú energiu. Táto hodnota sa vyznačuje množstvom fyzikálnych a chemických vlastností, medzi ktorými je potrebné venovať osobitnú pozornosť teplu. Táto veličina je abstraktná matematická hodnota, ktorá popisuje sily interakcie medzi molekulami látky. Pochopenie mechanizmu výmeny tepla môže pomôcť zodpovedať otázku, koľko tepla sa uvoľnilo pri ochladzovaní a zahrievaní látok, ako aj pri ich spaľovaní.
História objavenia fenoménu tepla
Fenomén prenosu tepla bol spočiatku opísaný veľmi jednoducho a jasne: ak teplota látky stúpa, prijíma teplo a v prípade ochladzovania ho uvoľňuje do okolia. Teplo však nie je neoddeliteľnou súčasťou uvažovanej kvapaliny alebo telesa, ako sa predpokladalo pred tromi storočiami. Ľudia naivne verili, že hmota sa skladá z dvoch častí: vlastných molekúl a tepla. Teraz si málokto pamätá, že výraz „teplota“v latinčine znamená „zmes“a napríklad o bronze hovorili ako o „teplote cínu a medi.“
V 17. storočí sa objavili dve hypotézydokázal jasne vysvetliť fenomén tepla a prenosu tepla. Prvý navrhol v roku 1613 Galileo. Jeho formulácia znela: "Teplo je nezvyčajná látka, ktorá môže preniknúť do a von z každého tela." Galileo túto látku nazval kalorickou. Tvrdil, že kalória nemôže zmiznúť alebo kolabovať, ale je schopná iba prechádzať z jedného tela do druhého. V súlade s tým, čím je látka kalorickejšia, tým vyššia je jej teplota.
Druhá hypotéza sa objavila v roku 1620 a navrhol ju filozof Bacon. Všimol si, že pod silnými údermi kladiva sa železo zahrieva. Tento princíp fungoval aj pri zapálení ohňa trením, čo viedlo Bacona k úvahám o molekulárnej povahe tepla. Tvrdil, že keď je telo mechanicky ovplyvnené, jeho molekuly začnú proti sebe narážať, zvyšujú rýchlosť pohybu a tým aj teplotu.
Výsledkom druhej hypotézy bol záver, že teplo je výsledkom mechanického pôsobenia molekúl látky na seba. Po dlhú dobu sa Lomonosov pokúšal túto teóriu podložiť a experimentálne dokázať.
Teplo je mierou vnútornej energie hmoty
Moderní vedci dospeli k tomuto záveru: tepelná energia je výsledkom interakcie molekúl látok, t. j. vnútornej energie tela. Rýchlosť pohybu častíc závisí od teploty a množstvo tepla je priamo úmerné hmotnosti látky. Takže vedro vody má viac tepelnej energie ako naplnený pohár. Avšak tanierik horúcej tekutinymôže mať menej tepla ako studená nádrž.
Teóriu kalórií, ktorú v 17. storočí navrhol Galileo, vyvrátili vedci J. Joule a B. Rumford. Dokázali, že tepelná energia nemá žiadnu hmotnosť a je charakterizovaná výlučne mechanickým pohybom molekúl.
Koľko tepla sa uvoľní počas spaľovania látky? Špecifická výhrevnosť
Rašelina, ropa, uhlie, zemný plyn či drevo sú dnes univerzálne a široko používané zdroje energie. Pri spaľovaní týchto látok sa uvoľňuje určité množstvo tepla, ktoré sa využíva na ohrev, spúšťacie mechanizmy a pod. Ako sa dá táto hodnota v praxi vypočítať?
Na tento účel sa zavádza koncept špecifického spaľovacieho tepla. Táto hodnota závisí od množstva tepla, ktoré sa uvoľní pri spaľovaní 1 kg určitej látky. Označuje sa písmenom q a meria sa v J / kg. Nižšie je uvedená tabuľka hodnôt q pre niektoré z najbežnejších palív.
Pri konštrukcii a výpočte motorov musí inžinier vedieť, koľko tepla sa uvoľní, keď sa spáli určité množstvo látky. Na tento účel môžete použiť nepriame merania pomocou vzorca Q=qm, kde Q je spaľovacie teplo látky, q je špecifické spaľovacie teplo (tabuľková hodnota) a m je daná hmotnosť.
Tvorba tepla pri spaľovaní je založená na fenoméne uvoľňovania energie pri tvorbe chemických väzieb. Najjednoduchším príkladom je spaľovanie uhlíka, ktorý je obsiahnutýv akomkoľvek type moderného paliva. Uhlík horí v prítomnosti atmosférického vzduchu a spája sa s kyslíkom za vzniku oxidu uhličitého. Tvorba chemickej väzby prebieha uvoľňovaním tepelnej energie do prostredia a človek sa prispôsobil využívať túto energiu na svoje účely.
Žiaľ, bezohľadné míňanie takých cenných zdrojov, ako je ropa alebo rašelina, môže čoskoro viesť k vyčerpaniu zdrojov na výrobu týchto palív. Už dnes sa objavujú elektrospotrebiče a dokonca aj nové modely áut, ktorých prevádzka je založená na alternatívnych zdrojoch energie ako slnečné svetlo, voda či energia zemskej kôry.
Prenos tepla
Schopnosť vymieňať si tepelnú energiu v tele alebo z jedného telesa na druhé sa nazýva prenos tepla. Tento jav sa nevyskytuje samovoľne a vyskytuje sa len pri rozdiele teplôt. V najjednoduchšom prípade sa tepelná energia prenáša z teplejšieho telesa na menej zahriate teleso, kým sa nenastolí rovnováha.
Telesá nemusia byť v kontakte, aby došlo k fenoménu prenosu tepla. V každom prípade môže k nastoleniu rovnováhy dôjsť aj v malej vzdialenosti medzi uvažovanými objektmi, ale pomalšou rýchlosťou, než keď prídu do kontaktu.
Prenos tepla možno rozdeliť do troch typov:
1. Tepelná vodivosť.
2. Konvekcia.
3. Radiant exchange.
Tepelná vodivosť
Tento jav je založený na prenose tepelnej energie medzi atómami alebo molekulami hmoty. Príčinaprenos - chaotický pohyb molekúl a ich neustála kolízia. V dôsledku toho teplo prechádza z jednej molekuly do druhej pozdĺž reťazca.
Fenomén tepelnej vodivosti možno pozorovať pri kalcinácii akéhokoľvek železného materiálu, kedy sa začervenanie na povrchu hladko šíri a postupne vybledne (uvoľňuje sa určité množstvo tepla do okolia).
F. Fourier odvodil vzorec pre tepelný tok, ktorý zhromaždil všetky veličiny, ktoré ovplyvňujú stupeň tepelnej vodivosti látky (pozri obrázok nižšie).
V tomto vzorci je Q/t tepelný tok, λ je koeficient tepelnej vodivosti, S je plocha prierezu, T/X je pomer teplotného rozdielu medzi koncami telesa umiestnenými na určitú vzdialenosť.
Tepelná vodivosť je tabuľková hodnota. Má praktický význam pri zatepľovaní obytnej budovy alebo tepelnej izolácii zariadení.
Prenos tepla sálaním
Ďalší spôsob prenosu tepla, ktorý je založený na fenoméne elektromagnetického žiarenia. Jeho rozdiel od konvekcie a vedenia tepla spočíva v tom, že prenos energie môže nastať aj vo vákuovom priestore. Rovnako ako v prvom prípade je však potrebný teplotný rozdiel.
Výmena žiarenia je príkladom prenosu tepelnej energie zo Slnka na povrch Zeme, ktorá je zodpovedná najmä za infračervené žiarenie. Na zistenie, koľko tepla sa dostane na zemský povrch, boli vybudované početné stanice, ktorésledovať zmenu tohto indikátora.
Konvekcia
Konvekčný pohyb prúdenia vzduchu priamo súvisí s fenoménom prenosu tepla. Bez ohľadu na to, koľko tepla sme odovzdali kvapaline alebo plynu, molekuly látky sa začnú pohybovať rýchlejšie. Z tohto dôvodu sa tlak celého systému znižuje a objem sa naopak zvyšuje. To je dôvod pre pohyb prúdov teplého vzduchu alebo iných plynov smerom nahor.
Najjednoduchším príkladom využitia fenoménu konvekcie v každodennom živote možno nazvať vykurovanie miestnosti batériami. Z nejakého dôvodu sú umiestnené v spodnej časti miestnosti, ale preto, aby mal ohriaty vzduch priestor stúpať, čo vedie k cirkulácii prúdenia po miestnosti.
Ako sa dá merať teplo?
Teplo vykurovania alebo chladenia sa vypočítava matematicky pomocou špeciálneho zariadenia – kalorimetra. Inštaláciu predstavuje veľká tepelne izolovaná nádoba naplnená vodou. Teplomer sa spustí do kvapaliny na meranie počiatočnej teploty média. Potom sa zahriate teleso spustí do vody, aby sa vypočítala zmena teploty kvapaliny po nastolení rovnováhy.
Zvyšovaním alebo znižovaním t prostredie určuje, koľko tepla treba spotrebovať na zahriatie tela. Kalorimeter je najjednoduchšie zariadenie, ktoré dokáže registrovať zmeny teploty.
Pomocou kalorimetra si tiež môžete vypočítať, koľko tepla sa uvoľní počas spaľovanialátok. Na tento účel sa do nádoby naplnenej vodou umiestni „bomba“. Táto „bomba“je uzavretá nádoba, v ktorej sa nachádza testovaná látka. K nej sú pripojené špeciálne elektródy na podpaľačstvo a komora je naplnená kyslíkom. Po úplnom spálení látky sa zaznamená zmena teploty vody.
V priebehu takýchto experimentov sa zistilo, že zdrojom tepelnej energie sú chemické a jadrové reakcie. Jadrové reakcie prebiehajú v hlbokých vrstvách Zeme a tvoria hlavnú zásobu tepla pre celú planétu. Používajú ich aj ľudia na výrobu energie prostredníctvom jadrovej fúzie.
Príklady chemických reakcií sú spaľovanie látok a rozklad polymérov na monoméry v ľudskom tráviacom systéme. Kvalita a množstvo chemických väzieb v molekule určuje, koľko tepla sa nakoniec uvoľní.
Ako sa meria teplo?
Jednotkou tepla v medzinárodnom systéme SI je joule (J). Aj v každodennom živote sa používajú mimosystémové jednotky - kalórie. 1 kalória sa rovná 4,1868 J podľa medzinárodného štandardu a 4,184 J na základe termochémie. Predtým existovalo btu btu, ktoré vedci zriedka používajú. 1 BTU=1,055 J.
