Füüsikas seostatakse "soojuse" mõistet soojusenergia ülekandega erinevate kehade vahel. Nende protsesside tõttu toimub kehade kuumenemine ja jahtumine, samuti nende agregatsiooniseisundite muutumine. Vaatleme üksikasjalikum alt küsimust, mis on soojus.
Konseptsioonikontseptsioon
Mis on soojus? Iga inimene saab sellele küsimusele vastata igapäevasest vaatenurgast, mis tähendab vaadeldava kontseptsiooni all neid aistinguid, mis tal tekivad ümbritseva õhu temperatuuri tõustes. Füüsikas mõistetakse seda nähtust kui energia ülekande protsessi, mis on seotud keha moodustavate molekulide ja aatomite kaootilise liikumise intensiivsuse muutumisega.
Üldiselt võib öelda, et mida kõrgem on kehatemperatuur, seda rohkem sisemist energiat sellesse salvestatakse ja seda rohkem soojust see teistele objektidele anda suudab.
Kuumus ja temperatuur
Teades vastust küsimusele, mis on soojus, võivad paljud arvata, et see mõiste sarnaneb mõistega "temperatuur", kuid see pole nii. Soojus on kineetiline energia, temperatuur on selle mõõtenergiat. Niisiis sõltub soojusülekande protsess aine massist, seda moodustavate osakeste arvust, samuti nende osakeste tüübist ja nende keskmisest liikumiskiirusest. Temperatuur sõltub omakorda ainult viimasest loetletud parameetrist.
Kuumuse ja temperatuuri erinevust on lihtne mõista, kui teete lihtsa katse: peate valama vett kahte anumasse nii, et üks anum oleks täis ja teine ainult poolenisti täidetud. Mõlemad anumad tulele pannes võib märgata, et esimesena hakkab keema see, milles on vähem vett. Selleks, et teine anum keema läheks, vajab see tulelt veel veidi soojust. Kui mõlemad anumad keevad, saate mõõta nende temperatuuri, see on sama (100 oC), kuid täis anuma jaoks oli vaja rohkem soojust, et selles vett keeta.
Soojusühikud
Soojuse definitsiooni järgi füüsikas võib oletada, et seda mõõdetakse samades ühikutes nagu energia või töö ehk džaulides (J). Lisaks põhilisele soojusühikule võib igapäevaelus sageli kuulda ka kalorite (kcal) kohta. Seda mõistet mõistetakse kui soojushulka, mis tuleb üle kanda ühele grammile veele, et selle temperatuur tõuseks 1 kelvini (K) võrra. Üks kalor võrdub 4,184 J. Samuti võite kuulda suurtest ja väikestest kaloritest, mis on vastav alt 1 kcal ja 1 cal.
Soojusmahtuvuse mõiste
Teades, mis on soojus, vaatleme seda otseselt iseloomustavat füüsikalist suurust – soojusmahtuvust. Selle kontseptsiooni kohaseltfüüsika tähendab soojushulka, mis tuleb kehale anda või keh alt võtta, et selle temperatuur muutuks 1 kelvini (K) võrra.
Konkreetse keha soojusmahtuvus sõltub kahest peamisest tegurist:
- keha esineva keemilise koostise ja agregatsiooniseisundi kohta;
- tema massist.
Et muuta see omadus objekti massist sõltumatuks, võeti soojusfüüsikasse kasutusele teine suurus - erisoojusmahtuvus, mis määrab antud keha poolt ülekantava või omastatava soojushulga 1 kg kehamassi kohta. selle mass, kui temperatuur muutub 1 K võrra.
Et selgelt näidata erinevate ainete erisoojusvõimsuste erinevust, võtke näiteks 1 g vett, 1 g rauda ja 1 g päevalilleõli ning kuumutage neid. Temperatuur muutub kõige kiiremini rauaproovi, seejärel õlitilga ja vee puhul kõige kiiremini.
Pange tähele, et erisoojusmahtuvus ei sõltu ainult aine keemilisest koostisest, vaid ka selle agregatsiooni olekust, samuti välistest füüsikalistest tingimustest, milles seda käsitletakse (konstantne rõhk või konstantne maht).
Soojusülekande protsessi põhivõrrand
Olles käsitlenud küsimust, mis on soojus, tuleks anda peamine matemaatiline avaldis, mis iseloomustab selle ülekandmise protsessi absoluutselt kõigi kehade puhul mis tahes agregatsiooniseisundis. See avaldis on kujul: Q=cmΔT, kus Q on ülekantud (vastuvõetud) soojuse hulk, c on kõnealuse objekti erisoojus, m -selle mass, ΔT on absoluutse temperatuuri muutus, mis on defineeritud kui kehatemperatuuride erinevus soojusülekande protsessi lõpus ja alguses.
Oluline on mõista, et ül altoodud valem kehtib alati, kui objekt säilitab vaadeldava protsessi käigus oma agregatsiooniseisundi, see tähendab, et see jääb vedelaks, tahkeks või gaasiliseks. Vastasel juhul ei saa võrrandit kasutada.
Aine agregatsiooni oleku muutus
Nagu teate, on kolm peamist koondseisundit, milles aine võib olla:
- gaas;
- vedelik;
- tugev keha.
Selleks, et toimuks üleminek ühest olekust teise, on vajalik, et keha teavitaks või võtaks sellest soojust ära. Selliste füüsikaliste protsesside jaoks võeti kasutusele erisulamissoojuse (kristalliseerumise) ja keemistemperatuuri (kondensatsioon) mõisted. Kõik need kogused määravad soojushulga, mis on vajalik agregatsiooniseisundi muutmiseks, mis vabastab või neelab 1 kg kehamassi. Nende protsesside puhul kehtib võrrand: Q=Lm, kus L on aine olekute vahelise vastava ülemineku erisoojus.
Allpool on toodud koondamisoleku muutmise protsesside põhijooned:
- Need protsessid toimuvad konstantsel temperatuuril, näiteks keemine või sulamine.
- Need on pööratavad. Näiteks soojushulk, mille antud keha neelas sulamiseks, on täpselt võrdne soojushulgaga, mis eraldub keskkonda, kui see keha uuesti läbi läheb.tahkesse olekusse.
Soojustasakaal
See on veel üks oluline "soojuse" mõistega seotud küsimus, mida tuleb arvesse võtta. Kui kokku puutuda kaks erineva temperatuuriga keha, siis mõne aja pärast temperatuur kogu süsteemis ühtlustub ja muutub samaks. Termilise tasakaalu saavutamiseks peab kõrgema temperatuuriga keha andma süsteemile soojust ja madalama temperatuuriga keha peab selle soojuse vastu võtma. Seda protsessi kirjeldavaid soojusfüüsika seadusi saab väljendada peamise soojusülekande võrrandi ja aine agregeeritud oleku muutuse määrava võrrandi (kui see on olemas) kombinatsioonina.
Silmatorkav näide termilise tasakaalu spontaansest loomisest on vette visatud kuum raudkang. Sel juhul eraldab kuum triikraud veele soojust, kuni selle temperatuur on võrdne vedeliku temperatuuriga.
Põhilised soojusülekande meetodid
Kõik inimesele teadaolevad protsessid, mis käivad koos soojusenergia vahetamisega, toimuvad kolmel erineval viisil:
- Soojusjuhtivus. Selleks, et soojusvahetus sel viisil toimuks, on vajalik kahe erineva temperatuuriga keha kontakt. Lokaalse molekulaarse tasandi kontakttsoonis kandub kineetiline energia kuum alt keh alt külmale. Selle soojusülekande kiirus sõltub kaasatud kehade võimest soojust juhtida. Soojusjuhtivuse ilmekas näide oninimene puudutab metallvarda.
- Konvektsioon. See protsess nõuab aine liikumist, nii et seda täheldatakse ainult vedelikes ja gaasides. Konvektsiooni olemus on järgmine: gaasi- või vedelikukihtide kuumutamisel väheneb nende tihedus, mistõttu need kipuvad üles tõusma. Vedeliku või gaasi mahu suurenemise ajal edastavad nad soojust. Konvektsiooni näide on veekeetjas vee keetmine.
- Kiirgus. See soojusülekande protsess toimub kuumutatud keha poolt erineva sagedusega elektromagnetilise kiirguse emissiooni tõttu. Päikesevalgus on suurepärane näide kiirgusest.
