Kõigil ainetel on sisemine energia. Seda väärtust iseloomustavad mitmed füüsikalised ja keemilised omadused, mille hulgas tuleks erilist tähelepanu pöörata soojusele. See suurus on abstraktne matemaatiline väärtus, mis kirjeldab aine molekulide vastastikmõju jõude. Soojusvahetuse mehhanismi mõistmine võib aidata vastata küsimusele, kui palju soojust vabanes ainete jahutamisel ja kuumutamisel, samuti nende põlemisel.
Kuumanähtuse avastamise ajalugu
Esialgu kirjeldati soojusülekande nähtust väga lihts alt ja selgelt: kui aine temperatuur tõuseb, saab ta soojust, jahutamise korral aga eraldub keskkonda. Kuumus ei ole aga vaadeldava vedeliku või keha lahutamatu osa, nagu arvati kolm sajandit tagasi. Inimesed uskusid naiivselt, et aine koosneb kahest osast: oma molekulidest ja soojusest. Nüüd mäletavad vähesed, et termin "temperatuur" tähendab ladina keeles "segu" ja näiteks rääkisid nad pronksist kui "tina ja vase temperatuurist".
17. sajandil ilmnes kaks hüpoteesi, etvõiks selgelt seletada soojuse ja soojusülekande nähtust. Esimese pakkus välja 1613. aastal Galileo. Tema sõnastus oli: "Kuumus on ebatavaline aine, mis võib tungida igasse kehasse ja se alt välja." Galileo nimetas seda ainet kaloriliseks. Ta väitis, et kalorid ei saa kaduda ega kokku kukkuda, vaid on võimelised ainult ühest kehast teise üle kanduma. Seega, mida rohkem kaloreid aines on, seda kõrgem on selle temperatuur.
Teine hüpotees ilmus 1620. aastal ja selle pakkus välja filosoof Bacon. Ta märkas, et tugevate vasaralöökide all raud kuumenes. See põhimõte toimis ka hõõrdumise teel tule süütamisel, mis pani Baconi mõtlema soojuse molekulaarsele olemusele. Ta väitis, et kui keha mehaaniliselt mõjutada, hakkavad selle molekulid üksteise vastu lööma, suurendavad liikumiskiirust ja seeläbi temperatuuri.
Teise hüpoteesi tulemuseks oli järeldus, et soojus on aine molekulide mehaanilise toime tulemus. Lomonosov püüdis pikka aega seda teooriat põhjendada ja katseliselt tõestada.
Kuumus on aine siseenergia mõõt
Kaasaegsed teadlased on jõudnud järgmisele järeldusele: soojusenergia on ainemolekulide vastasmõju tulemus, s.o keha siseenergia. Osakeste liikumiskiirus sõltub temperatuurist ja soojushulk on otseselt võrdeline aine massiga. Seega on veeämbril rohkem soojusenergiat kui täidetud tassil. Küll aga kuuma vedeliku alustassvõib olla vähem sooja kui külmas basseinis.
Teadlased J. Joule ja B. Rumford lükkasid ümber kaloriteooria, mille 17. sajandil pakkus välja Galileo. Nad tõestasid, et soojusenergial ei ole massi ja seda iseloomustab ainult molekulide mehaaniline liikumine.
Kui palju soojust eraldub aine põlemisel? Konkreetne kütteväärtus
Tänapäeval on turvas, nafta, kivisüsi, maagaas või puit universaalsed ja laialdaselt kasutatavad energiaallikad. Nende ainete põletamisel eraldub teatud kogus soojust, mida kasutatakse kütmiseks, käivitusmehhanismide jms jaoks. Kuidas seda väärtust praktikas arvutada?
Selleks võetakse kasutusele eripõlemissoojuse mõiste. See väärtus sõltub soojushulgast, mis eraldub 1 kg teatud aine põletamisel. Seda tähistatakse tähega q ja mõõdetakse J / kg. Allpool on tabel q väärtuste kohta mõnede levinumate kütuste jaoks.
Mootorite ehitamisel ja arvutamisel peab insener teadma, kui palju soojust eraldub teatud koguse aine põletamisel. Selleks saate kasutada kaudseid mõõtmisi valemiga Q=qm, kus Q on aine põlemissoojus, q on eripõlemissoojus (tabeli väärtus) ja m on antud mass.
Põlemisel tekkiv soojus põhineb energia vabanemisel keemiliste sidemete moodustumisel. Lihtsaim näide on sisalduva süsiniku põletaminemis tahes tüüpi kaasaegses kütuses. Süsinik põleb atmosfääriõhu juuresolekul ja ühineb hapnikuga, moodustades süsinikdioksiidi. Keemilise sideme moodustumine toimub soojusenergia eraldumisega keskkonda ja inimene on kohanenud seda energiat oma eesmärkidel kasutama.
Kahjuks võib selliste väärtuslike ressursside nagu nafta või turvas mõtlematu kulutamine peagi viia nende kütuste tootmise allikate ammendumiseni. Juba täna ilmuvad elektriseadmed ja isegi uued automudelid, mille töö põhineb alternatiivsetel energiaallikatel nagu päikesevalgus, vesi või maapõue energia.
Soojusülekanne
Võimeet vahetada soojusenergiat keha sees või ühest kehast teise nimetatakse soojusülekandeks. See nähtus ei esine spontaanselt ja ilmneb ainult temperatuuride erinevuse korral. Lihtsamal juhul kandub soojusenergia kuumem alt keh alt vähem kuumutatud kehale kuni tasakaalu saavutamiseni.
Soojusülekande nähtuse ilmnemiseks ei pea kehad kontaktis olema. Igal juhul võib tasakaal tekkida ka väikese vahemaa tagant vaadeldavate objektide vahel, kuid aeglasema kiirusega kui nende kokkupuutel.
Soojusülekande võib jagada kolme tüüpi:
1. Soojusjuhtivus.
2. Konvektsioon.
3. Särav vahetus.
Soojusjuhtivus
See nähtus põhineb soojusenergia ülekandel aatomite või aine molekulide vahel. Põhjusülekanne – molekulide kaootiline liikumine ja nende pidev kokkupõrge. Tänu sellele läheb soojus mööda ahelat ühelt molekulilt teisele.
Soojusjuhtivuse nähtust võib täheldada mistahes raudmaterjali k altsineerimisel, kui pinnal olev punetus levib sujuv alt ja kaob järk-järgult (teatud kogus soojust eraldub keskkonda).
F. Fourier tuletas soojusvoo valemi, mis kogus kõik kogused, mis mõjutavad aine soojusjuhtivuse astet (vt joonist allpool).
Selles valemis on Q/t soojusvoog, λ on soojusjuhtivuse koefitsient, S on ristlõikepindala, T/X on temperatuuride erinevuse suhe keha otste vahel, mis asuvad teatud vahemaa.
Soojusjuhtivus on tabeliväärtus. Sellel on praktiline tähtsus elamu soojustamisel või seadmete soojusisolatsioonil.
Kiirgav soojusülekanne
Teine soojusülekande viis, mis põhineb elektromagnetilise kiirguse nähtusel. Selle erinevus konvektsioonist ja soojusjuhtivusest seisneb selles, et energiaülekanne võib toimuda ka vaakumruumis. Kuid nagu ka esimesel juhul, on vaja temperatuuri erinevust.
Kiirgusvahetus on näide soojusenergia ülekandmisest Päikeselt Maa pinnale, mis vastutab peamiselt infrapunakiirguse eest. Et määrata, kui palju soojust maapinnale jõuab, on ehitatud arvuk alt jaamu, misjälgige selle indikaatori muutust.
Konvektsioon
Õhuvoolude konvektiivne liikumine on otseselt seotud soojusülekande nähtusega. Olenemata sellest, kui palju soojust me vedelikule või gaasile andsime, hakkavad aine molekulid kiiremini liikuma. Seetõttu väheneb kogu süsteemi rõhk ja maht, vastupidi, suureneb. See on sooja õhuvoolu või muude gaaside ülespoole liikumise põhjus.
Lihtsaimaks näiteks konvektsiooninähtuse kasutamisest igapäevaelus võib nimetada ruumi kütmiseks patareidega. Need asuvad mingil põhjusel ruumi allosas, kuid nii, et soojendatud õhul oleks ruumi tõusta, mis viib voolude tsirkuleerimiseni ruumis.
Kuidas saab soojust mõõta?
Kütte- või jahutussoojus arvutatakse matemaatiliselt spetsiaalse seadme – kalorimeetri – abil. Paigaldust esindab suur veega täidetud soojusisolatsiooniga anum. Söötme algtemperatuuri mõõtmiseks langetatakse vedelikku termomeeter. Seejärel lastakse kuumutatud keha vette, et arvutada vedeliku temperatuuri muutus pärast tasakaalu saavutamist.
Suurendades või vähendades t määrab keskkond, kui palju soojust keha soojendamiseks kulutada. Kalorimeeter on lihtsaim seade, mis suudab registreerida temperatuurimuutusi.
Samuti saate kalorimeetri abil arvutada, kui palju soojust põlemisel eraldubained. Selleks asetatakse veega täidetud anumasse “pomm”. See "pomm" on suletud anum, milles asub uuritav aine. Sellega on ühendatud spetsiaalsed süütamise elektroodid ja kamber täidetakse hapnikuga. Pärast aine täielikku põlemist registreeritakse vee temperatuuri muutus.
Selliste katsete käigus tehti kindlaks, et soojusenergia allikateks on keemilised ja tuumareaktsioonid. Tuumareaktsioonid toimuvad Maa sügavates kihtides, moodustades kogu planeedi peamise soojusvaru. Inimesed kasutavad neid ka tuumasünteesi kaudu energia tootmiseks.
Keemiliste reaktsioonide näideteks on ainete põlemine ja polümeeride lagunemine monomeerideks inimese seedesüsteemis. Molekulis sisalduvate keemiliste sidemete kvaliteet ja kogus määrab, kui palju soojust lõpuks eraldub.
Kuidas soojust mõõdetakse?
Rahvusvahelises SI-süsteemis on soojusühikuks džaul (J). Ka igapäevaelus kasutatakse süsteemiväliseid ühikuid - kaloreid. 1 kalorit võrdub rahvusvahelise standardi järgi 4,1868 J ja termokeemia järgi 4,184 J. Varem oli btu btu, mida teadlased kasutavad harva. 1 BTU=1,055 J.
