A fizikában a "hő" fogalma a különböző testek közötti hőenergia átvitelhez kapcsolódik. Ezen folyamatok következtében a testek felmelegedése, lehűlése, valamint aggregációs állapotuk megváltozik. Vizsgáljuk meg részletesebben azt a kérdést, hogy mi a hő.
Koncepció
Mi az a hő? Mindenki válaszolhat erre a kérdésre a mindennapi szemszögből, vagyis a szóban forgó fogalom alatt azokat az érzéseket, amelyeket a környezeti hőmérséklet emelkedésekor érez. A fizikában ez a jelenség az energiaátadás folyamata, amely a testet alkotó molekulák és atomok kaotikus mozgásának intenzitásának megváltozásával jár.
Általánosságban elmondható, hogy minél magasabb a testhőmérséklet, annál több belső energia raktározódik benne, és annál több hőt tud adni más tárgyaknak.
Hő és hőmérséklet
A hőség kérdésére adott válasz ismeretében sokan azt gondolhatják, hogy ez a fogalom hasonlít a "hőmérséklet" fogalmához, de nem az. A hő kinetikus energia, a hőmérséklet ennek mértékeenergia. Tehát a hőátadás folyamata az anyag tömegétől, az azt alkotó részecskék számától, valamint ezen részecskék típusától és mozgásuk átlagos sebességétől függ. A hőmérséklet viszont csak az utolsó felsorolt paramétertől függ.
A hő és a hőmérséklet közötti különbség könnyen megérthető, ha egy egyszerű kísérletet végez: vizet kell önteni két edénybe úgy, hogy az egyik edény tele legyen, a másik pedig csak félig legyen tele. Mindkét edényt a tűzre helyezve megfigyelhető, hogy először az kezd forrni, amelyben kevesebb a víz. Ahhoz, hogy a második edény felforrjon, több hőre lesz szüksége a tűzről. Amikor mindkét edény forr, meg tudod mérni a hőmérsékletüket, akkor ugyanaz lesz (100 oC), de több hő kellett ahhoz, hogy egy teli edény felforralja a vizet.
Hőegységek
A hő fizikai meghatározása szerint sejthető, hogy az energiával vagy a munkával azonos mértékegységekben, azaz joule-ban (J) mérik. A fő hőegység mellett a mindennapi életben gyakran hallani a kalóriákról (kcal). Ez a fogalom az a hőmennyiség, amelyet egy gramm vízre kell átadni, hogy annak hőmérséklete 1 kelvinnel (K) emelkedjen. Egy kalória 4,184 J. Hallhatunk a nagy és kis kalóriákról is, amelyek 1 kcal, illetve 1 cal.
A hőkapacitás fogalma
Tudva, hogy mi a hő, vegyünk egy fizikai mennyiséget, amely közvetlenül jellemzi azt - a hőkapacitást. E koncepció szerintA fizika azt a hőmennyiséget jelenti, amelyet egy testnek kell adni vagy el kell venni, hogy a hőmérséklete 1 kelvinnel (K) megváltozzon.
Egy adott test hőkapacitása 2 fő tényezőtől függ:
- a kémiai összetételről és az aggregáció állapotáról, amelyben a test megjelenik;
- miséjéből.
Annak érdekében, hogy ez a jellemző független legyen a tárgy tömegétől, a hőfizikában egy másik mennyiséget vezettek be - a fajlagos hőkapacitást, amely meghatározza, hogy egy adott test mennyi hőt ad át vagy vesz fel 1 kg testre. tömege, ha a hőmérséklet 1 K-val változik.
A különböző anyagok fajlagos hőkapacitásai közötti különbségek világos megjelenítéséhez például vegyünk 1 g vizet, 1 g vasat és 1 g napraforgóolajat, és melegítsük fel őket. A hőmérséklet a leggyorsabban a vasminta, majd az olajcsepp és a víz esetében változik a leggyorsabban.
Ne feledje, hogy a fajlagos hőkapacitás nemcsak az anyag kémiai összetételétől függ, hanem az aggregáltsági állapotától, valamint a külső fizikai feltételektől is, amelyek mellett figyelembe veszik (állandó nyomás vagy állandó térfogat)..
A hőátadási folyamat fő egyenlete
Miután foglalkoztunk azzal a kérdéssel, hogy mi a hő, meg kell adni azt a fő matematikai kifejezést, amely jellemzi annak átviteli folyamatát abszolút bármely testre, bármilyen aggregált állapotban. Ennek a kifejezésnek az alakja: Q=cmΔT, ahol Q az átadott (fogadott) hő mennyisége, c a kérdéses tárgy fajhője, m -tömege, ΔT az abszolút hőmérséklet változása, amely a testhőmérséklet különbsége a hőátadási folyamat végén és elején.
Fontos megérteni, hogy a fenti képlet mindig érvényes, ha a vizsgált folyamat során az objektum megtartja aggregált állapotát, azaz folyadék, szilárd vagy gáz halmazállapotú marad. Ellenkező esetben az egyenlet nem használható.
Az anyag halmazállapotának változása
Mint tudod, 3 fő aggregált állapot létezik, amelyekben az anyag a következő lehet:
- gáz;
- folyékony;
- tömör test.
Ahhoz, hogy az egyik állapotból a másikba átmenet megtörténjen, szükséges, hogy a szervezet tájékoztassa, vagy hőt vegyen el belőle. A fizika ilyen folyamataihoz bevezették a fajlagos olvadáshő (kristályosodás) és forráshő (kondenzáció) fogalmát. Mindezek a mennyiségek meghatározzák az aggregációs állapot megváltoztatásához szükséges hőmennyiséget, amely 1 kg testtömeg felszabadul vagy elnyel. Ezekre a folyamatokra érvényes az egyenlet: Q=Lm, ahol L az anyag halmazállapotai közötti megfelelő átmenet fajhője.
Az alábbiakban az összesítési állapot megváltoztatásának folyamatainak fő jellemzőit mutatjuk be:
- Ezek a folyamatok állandó hőmérsékleten mennek végbe, például forrásban vagy olvadásban.
- Megfordíthatók. Például az a hőmennyiség, amelyet egy adott test felvesz, hogy megolvadjon, pontosan megegyezik azzal a hőmennyiséggel, amely a környezetbe kerül, ha ez a test újra áthalad.szilárd állapotba.
Hőmérséklet
Ez egy másik fontos kérdés a "meleg" fogalmával kapcsolatban, amelyet figyelembe kell venni. Ha két különböző hőmérsékletű test érintkezik, akkor egy idő után a hőmérséklet az egész rendszerben kiegyenlítődik és azonos lesz. A termikus egyensúly eléréséhez a magasabb hőmérsékletű testnek hőt kell leadnia a rendszernek, az alacsonyabb hőmérsékletű testnek pedig fel kell vennie ezt a hőt. A hőfizikai törvények, amelyek ezt a folyamatot leírják, a fő hőátadási egyenlet és az anyag halmazállapotának változását meghatározó egyenlet kombinációjaként fejezhetők ki (ha van ilyen).
A termikus egyensúly spontán létrejöttének feltűnő példája egy vörösen izzó vasrúd, amelyet a vízbe dobnak. Ebben az esetben a forró vasaló hőt ad le a víznek, amíg annak hőmérséklete nem lesz egyenlő a folyadék hőmérsékletével.
A hőátadás alapvető módszerei
Minden ember által ismert folyamat, amely a hőenergia cseréjével jár, három különböző módon megy végbe:
- Hővezetőképesség. Ahhoz, hogy a hőcsere ilyen módon megtörténjen, két különböző hőmérsékletű test érintkezésére van szükség. A lokális molekuláris szinten az érintkezési zónában a kinetikus energia a forró testből a hidegbe kerül. Ennek a hőátadásnak a sebessége az érintett testek hővezető képességétől függ. A hővezető képesség szembetűnő példája azember megérint egy fémrudat.
- Konvekció. Ez a folyamat az anyag mozgását igényli, ezért csak folyadékokban és gázokban figyelhető meg. A konvekció lényege a következő: a gáz- vagy folyadékrétegek felmelegítésekor a sűrűségük csökken, így hajlamosak felfelé emelkedni. A folyadék vagy gáz térfogatának növekedése során hőt adnak át. A konvekcióra példa a víz forralása egy vízforralóban.
- Sugárzás. Ez a hőátadási folyamat a fűtött test különböző frekvenciájú elektromágneses sugárzásának köszönhető. A napfény a sugárzás kiváló példája.
