Minden anyagnak van belső energiája. Ezt az értéket számos fizikai és kémiai tulajdonság jellemzi, amelyek között különös figyelmet kell fordítani a hőre. Ez a mennyiség egy absztrakt matematikai érték, amely leírja az anyag molekulái közötti kölcsönhatási erőket. A hőcsere mechanizmusának megértése segíthet megválaszolni azt a kérdést, hogy mennyi hő szabadul fel az anyagok hűtése és melegítése, valamint égése során.
A hő jelenség felfedezésének története
Kezdetben nagyon egyszerűen és érthetően írták le a hőátadás jelenségét: ha egy anyag hőmérséklete megemelkedik, hőt kap, hűtés esetén pedig kiengedi a környezetbe. A hő azonban nem szerves része a vizsgált folyadéknak vagy testnek, ahogy azt három évszázaddal ezelőtt gondolták. Az emberek naivan azt hitték, hogy az anyag két részből áll: saját molekuláiból és hőből. Ma már kevesen emlékeznek arra, hogy a „hőmérséklet” kifejezés latinul „keveréket” jelent, és például a bronzról úgy beszéltek, mint „az ón és a réz hőmérsékletéről”.
A 17. században két olyan hipotézis jelent meg, hogyegyértelműen megmagyarázhatná a hő és hőátadás jelenségét. Az elsőt Galilei javasolta 1613-ban. Megszövegezése a következő volt: "A hő egy szokatlan anyag, amely bármely testbe behatol és ki tud hatolni." Galilei ezt az anyagot kalóriatartalmúnak nevezte. Azzal érvelt, hogy a kalória nem tud eltűnni vagy összeomlani, hanem csak egyik testből a másikba képes átjutni. Ennek megfelelően minél több kalória van az anyagban, annál magasabb a hőmérséklete.
A második hipotézis 1620-ban jelent meg, és Bacon filozófus javasolta. Észrevette, hogy a kalapács erős ütései alatt a vas felmelegszik. Ez az elv a súrlódással tűzgyújtáskor is működött, ami miatt Bacon elgondolkodott a hő molekuláris természetéről. Azzal érvelt, hogy ha egy testet mechanikusan érintenek, akkor a molekulái elkezdenek verni egymást, növelik a mozgási sebességet és ezáltal a hőmérsékletet.
A második hipotézis eredménye az volt, hogy a hő egy anyag molekuláinak egymással való mechanikai hatásának eredménye. Lomonoszov hosszú ideig próbálta ezt az elméletet alátámasztani és kísérletileg bizonyítani.
A hő az anyag belső energiájának mértéke
A modern tudósok a következő következtetésre jutottak: a hőenergia az anyagmolekulák kölcsönhatásának eredménye, vagyis a test belső energiája. A részecskék mozgási sebessége a hőmérséklettől függ, a hőmennyiség pedig egyenesen arányos az anyag tömegével. Tehát egy vödör víz több hőenergiával rendelkezik, mint egy megtöltött csésze. Azonban egy csészealj forró folyadékotkevesebb meleg lehet, mint egy hideg medencében.
A kalóriaelméletet, amelyet a 17. században Galilei javasolt, J. Joule és B. Rumford tudósok megcáfolták. Bebizonyították, hogy a hőenergiának nincs tömege, és kizárólag a molekulák mechanikai mozgása jellemzi.
Mennyi hő szabadul fel egy anyag égése során? Fajlagos fűtőérték
Ma a tőzeg, az olaj, a szén, a földgáz vagy a fa univerzális és széles körben használt energiaforrások. Ezen anyagok elégetésekor bizonyos mennyiségű hő szabadul fel, amelyet fűtésre, indítószerkezetekre stb. használnak fel. Hogyan számítható ki ez az érték a gyakorlatban?
Ehhez bevezetik a fajlagos égéshő fogalmát. Ez az érték egy adott anyag 1 kg elégetésekor felszabaduló hőmennyiségtől függ. Ezt q betűvel jelöljük, és J / kg-ban mérik. Az alábbiakban a q értékek táblázata látható néhány leggyakoribb üzemanyaghoz.
A motorok építésekor és kiszámításakor a mérnöknek tudnia kell, hogy mennyi hő szabadul fel bizonyos mennyiségű anyag elégetésekor. Ehhez indirekt méréseket használhat a Q=qm képlet segítségével, ahol Q az anyag égéshője, q a fajlagos égéshő (táblázati érték), m pedig a megadott tömeg.
Az égés közbeni hőképződés a kémiai kötések kialakulása során felszabaduló energia jelenségén alapul. A legegyszerűbb példa a szén elégetése, amely tartalmazzabármilyen típusú modern üzemanyagban. A szén a légköri levegő jelenlétében ég, és oxigénnel egyesülve szén-dioxidot képez. A kémiai kötés kialakulása a hőenergia környezetbe való kibocsátásával megy végbe, és az ember alkalmazkodott ahhoz, hogy ezt az energiát saját céljaira használja fel.
Sajnos az olyan értékes erőforrások meggondolatlan elköltése, mint az olaj vagy a tőzeg, hamarosan az ezen üzemanyagok előállításához szükséges források kimerüléséhez vezethet. Már napjainkban megjelennek olyan elektromos készülékek, sőt új autómodellek, amelyek működése olyan alternatív energiaforrásokon alapul, mint a napfény, a víz vagy a földkéreg energiája.
Hőátadás
A hőenergia testen belüli vagy egyik testről a másikra cseréjének képességét hőátadásnak nevezzük. Ez a jelenség nem spontán, és csak hőmérséklet-különbség esetén jelentkezik. A legegyszerűbb esetben a hőenergiát egy forróbb testről egy kevésbé melegített testre továbbítják, amíg az egyensúly létre nem jön.
A testeknek nem kell érintkezniük ahhoz, hogy a hőátadás jelensége bekövetkezzen. Mindenesetre az egyensúly kialakulása a vizsgált objektumok között kis távolságban is megtörténhet, de lassabb sebességgel, mint amikor érintkeznek.
A hőátadás három típusra osztható:
1. Hővezetőképesség.
2. Konvekció.
3. Sugárzó csere.
Hővezetőképesség
Ez a jelenség a hőenergia atomok vagy anyagmolekulák közötti átvitelén alapul. Okátvitel - a molekulák kaotikus mozgása és állandó ütközése. Ennek köszönhetően a hő a lánc mentén egyik molekuláról a másikra halad át.
A hővezető képesség jelensége bármely vasanyag kalcinálásakor megfigyelhető, amikor a felületen a vörösség egyenletesen terjed és fokozatosan elhalványul (bizonyos mennyiségű hő szabadul fel a környezetbe).
F. Fourier levezette a hőáramlás képletét, amely összegyűjti az összes olyan mennyiséget, amely befolyásolja az anyag hővezető képességének mértékét (lásd az alábbi ábrát).
Ebben a képletben Q/t a hőáram, λ a hővezetési együttható, S a keresztmetszeti terület, T/X a testnek a következő ponton elhelyezkedő végei közötti hőmérsékletkülönbség aránya. egy bizonyos távolság.
A hővezető képesség egy táblázatos érték. Gyakorlati jelentősége van lakóépület szigetelésénél vagy berendezések hőszigetelésénél.
Sugárzó hőátadás
A hőátadás másik módja, amely az elektromágneses sugárzás jelenségén alapul. Különbsége a konvekciótól és a hővezetéstől abban rejlik, hogy az energiaátadás vákuumtérben is megtörténhet. Azonban, mint az első esetben, hőmérséklet-különbségre van szükség.
A sugárcsere egy példa a hőenergia átvitelére a Napból a Föld felszínére, amely elsősorban az infravörös sugárzásért felelős. Annak meghatározására, hogy mennyi hő éri el a földfelszínt, számos állomást építettek, amelyekfigyelje a mutató változását.
Konvekció
A légáramlás konvektív mozgása közvetlenül összefügg a hőátadás jelenségével. Függetlenül attól, hogy mennyi hőt adtunk át egy folyadéknak vagy gáznak, az anyag molekulái gyorsabban kezdenek mozogni. Emiatt az egész rendszer nyomása csökken, a térfogat pedig éppen ellenkezőleg, nő. Ez az oka a meleg levegőáramok vagy más gázok felfelé mozgásának.
A konvekció jelenségének mindennapi életben való alkalmazásának legegyszerűbb példája a helyiség elemekkel történő fűtése. Nem véletlenül helyezkednek el a szoba alján, de azért, hogy a felmelegített levegőnek legyen helye felemelkedni, ami az áramlások keringéséhez vezet a helyiségben.
Hogyan mérhető a hő?
A fűtés vagy hűtés hőjét matematikailag számítják ki egy speciális eszköz – egy kaloriméter – segítségével. A telepítést egy nagyméretű, vízzel töltött hőszigetelt edény képviseli. Egy hőmérőt engednek le a folyadékba, hogy megmérjék a közeg kezdeti hőmérsékletét. Ezután egy fűtött testet engednek a vízbe, hogy kiszámítsák a folyadék hőmérsékletének változását az egyensúly létrejötte után.
A t növelésével vagy csökkentésével a környezet határozza meg, hogy mennyi hőt kell elkölteni a test felmelegítésére. A kaloriméter a legegyszerűbb eszköz, amely képes regisztrálni a hőmérséklet-változásokat.
Továbbá kaloriméter segítségével kiszámíthatja, hogy mennyi hő szabadul fel az égés soránanyagokat. Ehhez egy „bombát” helyeznek egy vízzel töltött edénybe. Ez a „bomba” egy zárt edény, amelyben a vizsgált anyag található. Speciális gyújtós elektródák vannak hozzá csatlakoztatva, és a kamra meg van töltve oxigénnel. Az anyag teljes égése után a víz hőmérsékletének változását rögzítik.
E kísérletek során megállapították, hogy a hőenergia forrásai a kémiai és nukleáris reakciók. A nukleáris reakciók a Föld mély rétegeiben játszódnak le, és az egész bolygó fő hőtartalékát képezik. Az emberek energiatermelésre is használják magfúzióval.
A kémiai reakciókra példák az anyagok elégetése és a polimerek monomerekké bomlása az emberi emésztőrendszerben. A molekulában lévő kémiai kötések minősége és mennyisége határozza meg, hogy végül mennyi hő szabadul fel.
Hogyan mérik a hőt?
A hő mértékegysége a nemzetközi SI-rendszerben a joule (J). Szintén a mindennapi életben használják a rendszeren kívüli egységeket - kalóriákat. 1 kalória a nemzetközi szabvány szerint 4,1868 J, a termokémia alapján pedig 4,184 J. Korábban volt egy btu btu, amelyet ritkán használnak a tudósok. 1 BTU=1,055 J.
