Alle stoffen hebben interne energie. Deze waarde wordt gekenmerkt door een aantal fysische en chemische eigenschappen, waaronder speciale aandacht voor warmte. Deze grootheid is een abstracte wiskundige waarde die de krachten van interactie tussen de moleculen van een stof beschrijft. Inzicht in het mechanisme van warmte-uitwisseling kan helpen bij het beantwoorden van de vraag hoeveel warmte er vrijkwam bij het koelen en verwarmen van stoffen, evenals bij de verbranding ervan.
Geschiedenis van de ontdekking van het fenomeen warmte
Aanvankelijk werd het fenomeen warmteoverdracht heel eenvoudig en duidelijk beschreven: als de temperatuur van een stof stijgt, ontvangt deze warmte en in het geval van afkoeling geeft deze deze af aan de omgeving. Warmte is echter geen integraal onderdeel van de vloeistof of het lichaam in kwestie, zoals drie eeuwen geleden werd gedacht. Mensen geloofden naïef dat materie uit twee delen bestaat: zijn eigen moleculen en warmte. Nu herinneren maar weinig mensen zich dat de term 'temperatuur' in het Latijn 'mengsel' betekent, en ze spraken bijvoorbeeld over brons als 'de temperatuur van tin en koper'.
In de 17e eeuw verschenen twee hypothesen datkon het fenomeen van warmte en warmteoverdracht duidelijk verklaren. De eerste werd in 1613 voorgesteld door Galileo. Zijn bewoording was: "Hitte is een ongebruikelijke substantie die in en uit elk lichaam kan doordringen." Galileo noemde deze stof calorisch. Hij betoogde dat calorieën niet kunnen verdwijnen of instorten, maar alleen in staat zijn om van het ene lichaam naar het andere over te gaan. Dienovereenkomstig, hoe meer calorieën de stof bevat, hoe hoger de temperatuur.
De tweede hypothese verscheen in 1620 en werd voorgesteld door de filosoof Bacon. Hij merkte op dat onder de harde slagen van de hamer het ijzer opwarmde. Dit principe werkte ook bij het ontsteken van een vuur door wrijving, wat Bacon ertoe bracht na te denken over de moleculaire aard van warmte. Hij betoogde dat wanneer een lichaam mechanisch wordt aangetast, de moleculen tegen elkaar beginnen te slaan, de bewegingssnelheid verhogen en daardoor de temperatuur verhogen.
Het resultaat van de tweede hypothese was de conclusie dat warmte het resultaat is van de mechanische werking van de moleculen van een stof met elkaar. Lange tijd probeerde Lomonosov deze theorie te onderbouwen en experimenteel te bewijzen.
Warmte is een maat voor de interne energie van materie
Moderne wetenschappers zijn tot de volgende conclusie gekomen: thermische energie is het resultaat van de interactie van stofmoleculen, d.w.z. de interne energie van het lichaam. De bewegingssnelheid van deeltjes is afhankelijk van de temperatuur en de hoeveelheid warmte is recht evenredig met de massa van de stof. Een emmer water heeft dus meer thermische energie dan een gevulde beker. Echter, een schotel met hete vloeistofkan minder warmte hebben dan een koude bak.
De theorie van calorieën, die in de 17e eeuw door Galileo werd voorgesteld, werd weerlegd door wetenschappers J. Joule en B. Rumford. Ze bewezen dat thermische energie geen massa heeft en uitsluitend wordt gekenmerkt door de mechanische beweging van moleculen.
Hoeveel warmte komt er vrij bij de verbranding van een stof? Specifieke calorische waarde
Tegenwoordig zijn turf, olie, kolen, aardgas of hout universele en veelgebruikte energiebronnen. Bij het verbranden van deze stoffen komt een bepaalde hoeveelheid warmte vrij, die wordt gebruikt voor verwarming, startmechanismen, etc. Hoe kan deze waarde in de praktijk worden berekend?
Hiervoor wordt het concept van specifieke verbrandingswarmte geïntroduceerd. Deze waarde is afhankelijk van de hoeveelheid warmte die vrijkomt bij de verbranding van 1 kg van een bepaalde stof. Het wordt aangegeven met de letter q en wordt gemeten in J / kg. Hieronder vindt u een tabel met q-waarden voor enkele van de meest voorkomende brandstoffen.
Bij het bouwen en berekenen van motoren moet een ingenieur weten hoeveel warmte er vrijkomt wanneer een bepaalde hoeveelheid stof wordt verbrand. Om dit te doen, kunt u indirecte metingen gebruiken met de formule Q=qm, waarbij Q de verbrandingswarmte van de stof is, q de soortelijke verbrandingswarmte (tabelwaarde) en m de gegeven massa.
De vorming van warmte tijdens verbranding is gebaseerd op het fenomeen van het vrijkomen van energie tijdens de vorming van chemische bindingen. Het eenvoudigste voorbeeld is de verbranding van koolstof, die is ingeslotenin elk type moderne brandstof. Koolstof verbrandt in aanwezigheid van atmosferische lucht en combineert met zuurstof om koolstofdioxide te vormen. De vorming van een chemische binding vindt plaats met het vrijkomen van thermische energie in de omgeving, en de mens heeft zich aangepast om deze energie voor zijn eigen doeleinden te gebruiken.
Helaas kan de ondoordachte besteding van waardevolle bronnen als olie of turf binnenkort leiden tot uitputting van bronnen voor de productie van deze brandstoffen. Nu al verschijnen er elektrische apparaten en zelfs nieuwe automodellen, waarvan de werking gebaseerd is op alternatieve energiebronnen zoals zonlicht, water of de energie van de aardkorst.
Warmteoverdracht
Het vermogen om thermische energie in een lichaam of van het ene lichaam naar het andere uit te wisselen, wordt warmteoverdracht genoemd. Dit fenomeen treedt niet spontaan op en treedt alleen op bij een temperatuurverschil. In het eenvoudigste geval wordt thermische energie overgedragen van een heter lichaam naar een minder verwarmd lichaam totdat er een evenwicht is bereikt.
Lichamen hoeven geen contact te hebben om het fenomeen warmteoverdracht te laten optreden. In ieder geval kan het tot stand komen van evenwicht ook plaatsvinden op een kleine afstand tussen de beschouwde objecten, maar met een lagere snelheid dan wanneer ze in contact komen.
Warmteoverdracht kan worden onderverdeeld in drie soorten:
1. Thermische geleidbaarheid.
2. Convectie.
3. Stralende uitwisseling.
Thermische geleidbaarheid
Dit fenomeen is gebaseerd op de overdracht van thermische energie tussen atomen of moleculen van materie. Oorzaaktransmissie - de chaotische beweging van moleculen en hun constante botsing. Hierdoor gaat warmte van het ene molecuul naar het andere langs de keten.
Het fenomeen van thermische geleidbaarheid kan worden waargenomen wanneer een ijzermateriaal wordt gecalcineerd, wanneer de roodheid op het oppervlak zich soepel verspreidt en geleidelijk vervaagt (een bepaalde hoeveelheid warmte wordt afgegeven aan de omgeving).
F. Fourier heeft een formule voor warmtestroom afgeleid, die alle grootheden verzamelde die de mate van thermische geleidbaarheid van een stof beïnvloeden (zie onderstaande figuur).
In deze formule is Q/t de warmtestroom, is λ de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt, is S het dwarsdoorsnede-oppervlak, is T/X de verhouding van het temperatuurverschil tussen de uiteinden van het lichaam op een bepaalde afstand.
Thermische geleidbaarheid is een tabelwaarde. Het is van praktisch belang bij het isoleren van een woongebouw of thermische isolatie van apparatuur.
Stralende warmteoverdracht
Een andere manier van warmteoverdracht, die is gebaseerd op het fenomeen elektromagnetische straling. Het verschil met convectie en warmtegeleiding ligt in het feit dat energieoverdracht ook in vacuümruimte kan plaatsvinden. Net als in het eerste geval is echter een temperatuurverschil vereist.
Stralingsuitwisseling is een voorbeeld van de overdracht van thermische energie van de zon naar het aardoppervlak, dat voornamelijk verantwoordelijk is voor infrarode straling. Om te bepalen hoeveel warmte het aardoppervlak bereikt, zijn er talloze stations gebouwd, diecontroleer de verandering in deze indicator.
Convectie
Convectieve beweging van luchtstromen is direct gerelateerd aan het fenomeen warmteoverdracht. Ongeacht hoeveel warmte we aan een vloeistof of gas hebben gegeven, de moleculen van de stof beginnen sneller te bewegen. Hierdoor neemt de druk van het hele systeem af en neemt het volume juist toe. Dit is de reden voor de beweging van warme luchtstromen of andere gassen naar boven.
Het eenvoudigste voorbeeld van het gebruik van het fenomeen convectie in het dagelijks leven is het verwarmen van een kamer met batterijen. Ze bevinden zich niet voor niets aan de onderkant van de kamer, maar zodat de verwarmde lucht de ruimte krijgt om te stijgen, wat leidt tot de circulatie van stromen door de kamer.
Hoe kan warmte worden gemeten?
De warmte van verwarming of koeling wordt wiskundig berekend met behulp van een speciaal apparaat - een calorimeter. De installatie wordt vertegenwoordigd door een groot warmte-geïsoleerd vat gevuld met water. Een thermometer wordt in de vloeistof neergelaten om de begintemperatuur van het medium te meten. Vervolgens wordt een verwarmd lichaam in het water neergelaten om de verandering in temperatuur van de vloeistof te berekenen nadat het evenwicht is bereikt.
Door t te verhogen of te verlagen, bepa alt de omgeving hoeveel warmte het lichaam moet verwarmen om te verwarmen. De calorimeter is het eenvoudigste apparaat dat temperatuurveranderingen kan registreren.
Met een calorimeter kun je ook berekenen hoeveel warmte er vrijkomt tijdens de verbrandingstoffen. Om dit te doen, wordt een "bom" in een met water gevuld vat geplaatst. Deze "bom" is een gesloten vat waarin de teststof zich bevindt. Er zijn speciale elektroden voor brandstichting op aangesloten en de kamer is gevuld met zuurstof. Na de volledige verbranding van de stof wordt een verandering in de temperatuur van het water geregistreerd.
Tijdens dergelijke experimenten werd vastgesteld dat de bronnen van thermische energie chemische en nucleaire reacties zijn. Kernreacties vinden plaats in de diepe lagen van de aarde en vormen de belangrijkste warmtereserve voor de hele planeet. Ze worden ook door mensen gebruikt om energie op te wekken door middel van kernfusie.
Voorbeelden van chemische reacties zijn de verbranding van stoffen en de afbraak van polymeren tot monomeren in het menselijke spijsverteringsstelsel. De kwaliteit en kwantiteit van chemische bindingen in een molecuul bepa alt hoeveel warmte er uiteindelijk vrijkomt.
Hoe wordt warmte gemeten?
De eenheid van warmte in het internationale SI-systeem is de joule (J). Ook in het dagelijks leven worden off-system-eenheden gebruikt - calorieën. 1 calorie is gelijk aan 4.1868 J volgens de internationale norm en 4.184 J op basis van thermochemie. Voorheen was er een btu btu, die zelden door wetenschappers wordt gebruikt. 1 BTU=1,055 J.
