Sve tvari imaju unutarnju energiju. Ovu vrijednost karakterizira niz fizikalnih i kemijskih svojstava, među kojima posebnu pozornost treba posvetiti toplini. Ova veličina je apstraktna matematička vrijednost koja opisuje sile interakcije između molekula tvari. Razumijevanje mehanizma izmjene topline može pomoći u odgovoru na pitanje koliko je topline oslobođeno tijekom hlađenja i zagrijavanja tvari, kao i njihovog izgaranja.
Povijest otkrića fenomena topline
U početku je fenomen prijenosa topline opisan vrlo jednostavno i jasno: ako se temperatura neke tvari povisi, ona prima toplinu, au slučaju hlađenja ispušta je u okoliš. Međutim, toplina nije sastavni dio tekućine ili tijela koje se razmatra, kao što se mislilo prije tri stoljeća. Ljudi su naivno vjerovali da se materija sastoji od dva dijela: vlastitih molekula i topline. Sada se malo ljudi sjeća da izraz "temperatura" na latinskom znači "mješavina", a, na primjer, o bronci su govorili kao o "temperaturi kositra i bakra".
U 17. stoljeću pojavile su se dvije hipoteze damogao jasno objasniti fenomen topline i prijenosa topline. Prvi je 1613. predložio Galileo. Njegova formulacija glasila je: "Toplina je neobična tvar koja može prodrijeti u bilo koje tijelo i iz njega." Galileo je ovu tvar nazvao kaloričnom. Tvrdio je da kalorija ne može nestati ili se srušiti, već je sposobna samo prijeći s jednog tijela na drugo. Sukladno tome, što je tvar kalorijskija, to je njena temperatura viša.
Druga hipoteza pojavila se 1620. godine, a predložio ju je filozof Bacon. Primijetio je da se pod snažnim udarcima čekića željezo zagrijalo. Ovaj princip djelovao je i pri paljenju vatre trenjem, što je Bacona navelo na razmišljanje o molekularnoj prirodi topline. Tvrdio je da kada je tijelo mehanički pogođeno, njegove molekule počinju tući jedna o drugu, povećavaju brzinu kretanja i time podižu temperaturu.
Rezultat druge hipoteze bio je zaključak da je toplina rezultat mehaničkog djelovanja molekula tvari jedne na drugu. Lomonosov je dugo vremena pokušavao potkrijepiti i eksperimentalno dokazati ovu teoriju.
Toplota je mjera unutarnje energije materije
Suvremeni znanstvenici došli su do sljedećeg zaključka: toplinska energija je rezultat interakcije molekula tvari, tj. unutarnje energije tijela. Brzina kretanja čestica ovisi o temperaturi, a količina topline izravno je proporcionalna masi tvari. Dakle, kanta vode ima više toplinske energije od napunjene šalice. Međutim, tanjurić vruće tekućinemože imati manje topline od hladnog umivaonika.
Teoriju kalorija, koju je u 17. stoljeću predložio Galileo, opovrgli su znanstvenici J. Joule i B. Rumford. Dokazali su da toplinska energija nema nikakvu masu i da je karakterizira isključivo mehaničko kretanje molekula.
Koliko će se topline osloboditi tijekom izgaranja tvari? Specifična kalorijska vrijednost
Danas su treset, nafta, ugljen, prirodni plin ili drvo univerzalni i široko korišteni izvori energije. Kada se te tvari izgaraju, oslobađa se određena količina topline koja se koristi za zagrijavanje, pokretanje mehanizama itd. Kako se ta vrijednost može izračunati u praksi?
Za to se uvodi koncept specifične topline izgaranja. Ova vrijednost ovisi o količini topline koja se oslobađa tijekom izgaranja 1 kg određene tvari. Označava se slovom q i mjeri se u J/kg. Ispod je tablica q vrijednosti za neka od najčešćih goriva.
Prilikom izrade i proračuna motora, inženjer mora znati koliko će se topline osloboditi kada se određena količina tvari izgori. Da biste to učinili, možete koristiti indirektna mjerenja pomoću formule Q=qm, gdje je Q toplina izgaranja tvari, q je specifična toplina izgaranja (tablična vrijednost), a m je zadana masa.
Stvaranje topline tijekom izgaranja temelji se na fenomenu oslobađanja energije tijekom stvaranja kemijskih veza. Najjednostavniji primjer je izgaranje ugljika koji je sadržanu bilo kojoj vrsti modernog goriva. Ugljik gori u prisutnosti atmosferskog zraka i spaja se s kisikom da nastane ugljični dioksid. Stvaranje kemijske veze odvija se oslobađanjem toplinske energije u okoliš, a čovjek se prilagodio da tu energiju koristi za svoje potrebe.
Nažalost, nepromišljeno trošenje tako vrijednih resursa kao što su nafta ili treset uskoro može dovesti do iscrpljivanja izvora za proizvodnju ovih goriva. Već danas se pojavljuju električni aparati, pa čak i novi modeli automobila čiji se rad temelji na alternativnim izvorima energije poput sunčeve svjetlosti, vode ili energije zemljine kore.
prijenos topline
Sposobnost razmjene toplinske energije unutar tijela ili s jednog tijela na drugo naziva se prijenos topline. Ovaj fenomen se ne događa spontano i javlja se samo uz temperaturnu razliku. U najjednostavnijem slučaju, toplinska energija se prenosi s toplijeg tijela na manje zagrijano tijelo dok se ne uspostavi ravnoteža.
Tijela ne moraju biti u kontaktu da bi se pojavio fenomen prijenosa topline. U svakom slučaju, uspostavljanje ravnoteže može se dogoditi i na maloj udaljenosti između predmeta koji se razmatraju, ali sporijom brzinom nego kad dođu u dodir.
Prijenos topline može se podijeliti u tri vrste:
1. Toplinska vodljivost.
2. Konvekcija.
3. Radiant exchange.
Toplinska vodljivost
Ovaj se fenomen temelji na prijenosu toplinske energije između atoma ili molekula tvari. Uzrokprijenos – kaotično kretanje molekula i njihov stalni sudar. Zbog toga toplina prelazi s jedne molekule na drugu duž lanca.
Fenomen toplinske vodljivosti može se uočiti kada se bilo koji željezni materijal kalcinira, kada se crvenilo na površini glatko širi i postupno blijedi (određena količina topline se oslobađa u okolinu).
F. Fourier je izveo formulu za protok topline, koja je prikupila sve količine koje utječu na stupanj toplinske vodljivosti tvari (vidi sliku ispod).
U ovoj formuli, Q/t je toplinski tok, λ je koeficijent toplinske vodljivosti, S je površina poprečnog presjeka, T/X je omjer temperaturne razlike između krajeva tijela smještenih na određena udaljenost.
Toplinska vodljivost je tablična vrijednost. Od praktične je važnosti kod izolacije stambene zgrade ili toplinske izolacije opreme.
prijenos topline zračenja
Još jedan način prijenosa topline, koji se temelji na fenomenu elektromagnetskog zračenja. Njegova razlika od konvekcije i provođenja topline leži u činjenici da se prijenos energije može dogoditi iu vakuumskom prostoru. Međutim, kao i u prvom slučaju, potrebna je temperaturna razlika.
Izmjena zračenja primjer je prijenosa toplinske energije sa Sunca na površinu Zemlje, koja je uglavnom odgovorna za infracrveno zračenje. Kako bi se utvrdilo koliko topline dopire do zemljine površine izgrađene su brojne postaje kojepratite promjenu ovog pokazatelja.
konvekcija
Konvektivno kretanje strujanja zraka izravno je povezano s fenomenom prijenosa topline. Bez obzira na to koliko smo topline prenijeli tekućini ili plinu, molekule tvari počinju se kretati brže. Zbog toga se tlak cijelog sustava smanjuje, a volumen se, naprotiv, povećava. To je razlog kretanja toplih zračnih struja ili drugih plinova prema gore.
Najjednostavniji primjer korištenja fenomena konvekcije u svakodnevnom životu može se nazvati grijanjem prostorije na baterije. Nalaze se na dnu prostorije s razlogom, ali tako da zagrijani zrak ima prostora za podizanje, što dovodi do kruženja strujanja po prostoriji.
Kako se toplina može izmjeriti?
Toplina grijanja ili hlađenja izračunava se matematički pomoću posebnog uređaja - kalorimetra. Instalaciju predstavlja velika toplinski izolirana posuda napunjena vodom. Termometar se spušta u tekućinu kako bi se izmjerila početna temperatura medija. Zatim se zagrijano tijelo spušta u vodu kako bi se izračunala promjena temperature tekućine nakon uspostavljanja ravnoteže.
Povećanjem ili smanjenjem t okolina određuje koliko topline za zagrijavanje tijela treba potrošiti. Kalorimetar je najjednostavniji uređaj koji može registrirati promjene temperature.
Također, pomoću kalorimetra možete izračunati koliko će se topline osloboditi tijekom izgaranjatvari. Da biste to učinili, "bomba" se stavlja u posudu napunjenu vodom. Ova "bomba" je zatvorena posuda u kojoj se nalazi ispitivana tvar. Na njega su spojene posebne elektrode za palež, a komora se puni kisikom. Nakon potpunog izgaranja tvari, bilježi se promjena temperature vode.
Tijekom ovakvih eksperimenata ustanovljeno je da su izvori toplinske energije kemijske i nuklearne reakcije. Nuklearne reakcije odvijaju se u dubokim slojevima Zemlje, tvoreći glavnu rezervu topline za cijeli planet. Ljudi ih također koriste za proizvodnju energije nuklearnom fuzijom.
Primjeri kemijskih reakcija su izgaranje tvari i razgradnja polimera u monomere u ljudskom probavnom sustavu. Kvaliteta i količina kemijskih veza u molekuli određuju koliko se topline konačno oslobađa.
Kako se mjeri toplina?
Jedinica topline u međunarodnom SI sustavu je džul (J). Također u svakodnevnom životu koriste se izvansistemske jedinice - kalorije. 1 kalorija je jednaka 4,1868 J prema međunarodnom standardu i 4,184 J prema termokemiji. Prije je postojao btu btu, koji znanstvenici rijetko koriste. 1 BTU=1,055 J.
