U fizici, koncept "topline" povezan je s prijenosom toplinske energije između različitih tijela. Zbog ovih procesa dolazi do zagrijavanja i hlađenja tijela, kao i do promjene njihovih agregacijskih stanja. Razmotrimo detaljnije pitanje što je toplina.
koncept koncepta
Što je toplina? Svaka osoba može odgovoriti na ovo pitanje iz svakodnevnog stajališta, pod pojmom koji se razmatra, misli na osjete koje ima pri porastu temperature okoline. U fizici se ovaj fenomen shvaća kao proces prijenosa energije povezan s promjenom intenziteta kaotičnog kretanja molekula i atoma koji tvore tijelo.
Općenito, možemo reći da što je viša tjelesna temperatura, to je više unutarnje energije pohranjeno u njemu i više topline može dati drugim objektima.
toplina i temperatura
Poznavajući odgovor na pitanje što je toplina, mnogi bi mogli pomisliti da je ovaj koncept sličan konceptu "temperature", ali nije. Toplina je kinetička energija, temperatura je mjera za toenergije. Dakle, proces prijenosa topline ovisi o masi tvari, o broju čestica koje ga čine, kao i o vrsti tih čestica i prosječnoj brzini njihovog kretanja. Zauzvrat, temperatura ovisi samo o posljednjem od navedenih parametara.
Razliku između topline i temperature lako je razumjeti ako provedete jednostavan eksperiment: trebate uliti vodu u dvije posude tako da jedna posuda bude puna, a druga samo do pola. Stavljajući obje posude na vatru, može se uočiti da prva počinje ključati ona u kojoj je manje vode. Da bi druga posuda zakuhala, trebat će joj još malo topline s vatre. Kada obje posude ključaju, možete izmjeriti njihovu temperaturu, bit će ista (100 oC), ali je bilo potrebno više topline da puna posuda prokuha vodu u njoj.
Jedinice grijanja
Prema definiciji topline u fizici, može se pretpostaviti da se ona mjeri u istim jedinicama kao energija ili rad, odnosno u džulima (J). Osim glavne jedinice topline, u svakodnevnom životu često možete čuti o kalorijama (kcal). Ovaj koncept se shvaća kao količina topline koju je potrebno prenijeti na jedan gram vode kako bi se njezina temperatura povećala za 1 kelvin (K). Jedna kalorija je jednaka 4,184 J. Također možete čuti o velikim i malim kalorijama, koje su 1 kcal, odnosno 1 cal.
Koncept toplinskog kapaciteta
Znajući što je toplina, razmotrimo fizičku veličinu koja je izravno karakterizira - toplinski kapacitet. Pod ovim konceptom,fizika označava količinu topline koja se mora dati tijelu ili uzeti iz njega da bi se njegova temperatura promijenila za 1 kelvin (K).
Toplinski kapacitet određenog tijela ovisi o 2 glavna čimbenika:
- o kemijskom sastavu i agregacijskom stanju u kojem se tijelo nalazi;
- njegove mase.
Da bi ova karakteristika bila neovisna o masi predmeta, u fiziku topline uvedena je još jedna veličina - specifični toplinski kapacitet, koji određuje količinu topline koju neko tijelo prenosi ili preuzima po 1 kg njegova masa kada se temperatura promijeni za 1 K.
Da biste jasno pokazali razliku u specifičnim toplinskim kapacitetima za različite tvari, uzmite na primjer 1 g vode, 1 g željeza i 1 g suncokretovog ulja i zagrijte ih. Temperatura će se najbrže promijeniti za uzorak željeza, zatim za kap ulja i posljednju za vodu.
Napominjemo da specifični toplinski kapacitet ne ovisi samo o kemijskom sastavu tvari, već i o njezinu agregacijskom stanju, kao i o vanjskim fizičkim uvjetima pod kojima se smatra (konstantan tlak ili konstantan volumen).
Glavna jednadžba procesa prijenosa topline
Nakon što smo se pozabavili pitanjem što je toplina, treba dati glavni matematički izraz koji karakterizira proces njezina prijenosa za apsolutno bilo koja tijela u bilo kojem stanju agregacije. Ovaj izraz ima oblik: Q=cmΔT, gdje je Q količina prenesene (primljene) topline, c je specifična toplina predmetnog objekta, m -njegova masa, ΔT je promjena apsolutne temperature, koja je definirana kao razlika u tjelesnim temperaturama na kraju i na početku procesa prijenosa topline.
Važno je razumjeti da će gornja formula uvijek vrijediti kada, tijekom procesa koji se razmatra, objekt zadrži svoje stanje agregacije, odnosno ostaje tekućina, krutina ili plin. Inače, jednadžba se ne može koristiti.
Promjena stanja agregacije materije
Kao što znate, postoje 3 glavna agregatna stanja u kojima materija može biti:
- gas;
- tekućina;
- čvrsto tijelo.
Da bi došlo do prijelaza iz jednog stanja u drugo, potrebno je da ga tijelo obavijesti ili oduzme toplinu. Za takve procese u fizici uvedeni su pojmovi specifičnih toplina taljenja (kristalizacije) i ključanja (kondenzacije). Sve te količine određuju količinu topline potrebnu za promjenu agregacijskog stanja, koja oslobađa ili apsorbira 1 kg tjelesne težine. Za ove procese vrijedi jednadžba: Q=Lm, gdje je L specifična toplina odgovarajućeg prijelaza između stanja tvari.
U nastavku su glavne značajke procesa promjene stanja agregacije:
- Ovi se procesi odvijaju na konstantnoj temperaturi, kao što je ključanje ili taljenje.
- Oni su reverzibilni. Na primjer, količina topline koju je određeno tijelo apsorbiralo da bi se otopilo bit će točno jednaka količini topline koja će se osloboditi u okolinu ako ovo tijelo ponovno prođeu čvrsto stanje.
Termička ravnoteža
Ovo je još jedno važno pitanje vezano uz koncept "topline" koje treba uzeti u obzir. Ako se dva tijela s različitim temperaturama dovedu u kontakt, tada će se nakon nekog vremena temperatura u cijelom sustavu izjednačiti i postati ista. Za postizanje toplinske ravnoteže tijelo s višom temperaturom mora odavati toplinu sustavu, a tijelo s nižom temperaturom tu toplinu mora prihvatiti. Zakoni fizike topline koji opisuju ovaj proces mogu se izraziti kao kombinacija glavne jednadžbe prijenosa topline i jednadžbe koja određuje promjenu agregatnog stanja tvari (ako postoji).
Upečatljiv primjer procesa spontanog uspostavljanja toplinske ravnoteže je užarena željezna šipka koja se baci u vodu. U tom slučaju, vruće željezo će odavati toplinu vodi dok njena temperatura ne postane jednaka temperaturi tekućine.
Osnovne metode prijenosa topline
Svi procesi poznati čovjeku koji idu uz razmjenu toplinske energije odvijaju se na tri različita načina:
- Termička vodljivost. Da bi se razmjena topline dogodila na ovaj način, nužan je kontakt dvaju tijela s različitim temperaturama. U kontaktnoj zoni na lokalnoj molekularnoj razini kinetička energija se prenosi s vrućeg tijela na hladno. Brzina ovog prijenosa topline ovisi o sposobnosti uključenih tijela da provode toplinu. Upečatljiv primjer toplinske vodljivosti ječovjek dodiruje metalnu šipku.
- Konvekcija. Ovaj proces zahtijeva kretanje tvari, pa se opaža samo u tekućinama i plinovima. Bit konvekcije je sljedeća: kada se zagriju slojevi plina ili tekućine, njihova gustoća se smanjuje, pa imaju tendenciju podizanja. Tijekom porasta volumena tekućine ili plina prenose toplinu. Primjer konvekcije je proces kipuće vode u kotlu.
- Zračenje. Ovaj proces prijenosa topline nastaje zbog emisije elektromagnetskog zračenja različitih frekvencija od strane zagrijanog tijela. Sunčeva svjetlost je vrhunski primjer zračenja.
