In de natuurkunde wordt het concept 'warmte' geassocieerd met de overdracht van thermische energie tussen verschillende lichamen. Door deze processen vindt verwarming en afkoeling van lichamen plaats, evenals een verandering in hun aggregatietoestand. Laten we in meer detail kijken naar de vraag wat warmte is.
Concept concept
Wat is warmte? Elke persoon kan deze vraag beantwoorden vanuit een alledaags gezichtspunt, dat wil zeggen onder het beschouwde concept de sensaties die hij heeft wanneer de omgevingstemperatuur stijgt. In de natuurkunde wordt dit fenomeen begrepen als het proces van energieoverdracht dat gepaard gaat met een verandering in de intensiteit van de chaotische beweging van moleculen en atomen die het lichaam vormen.
Over het algemeen kunnen we zeggen dat hoe hoger de lichaamstemperatuur, hoe meer interne energie erin wordt opgeslagen en hoe meer warmte het aan andere objecten kan geven.
Warmte en temperatuur
Omdat ze het antwoord kennen op de vraag wat warmte is, denken velen misschien dat dit concept vergelijkbaar is met het concept 'temperatuur', maar dat is het niet. Warmte is kinetische energie, temperatuur is een maat hiervoorenergie. Het proces van warmteoverdracht hangt dus af van de massa van de stof, van het aantal deeltjes waaruit deze bestaat, evenals van het type van deze deeltjes en de gemiddelde snelheid van hun beweging. Op zijn beurt hangt de temperatuur alleen af van de laatste van de vermelde parameters.
Het verschil tussen warmte en temperatuur is gemakkelijk te begrijpen als je een eenvoudig experiment uitvoert: je moet water in twee vaten gieten, zodat het ene vat vol is en het andere slechts voor de helft. Door beide vaten op het vuur te zetten, kan men zien dat degene waarin minder water is het eerst begint te koken. Om het tweede vat te laten koken, heeft het wat meer warmte van het vuur nodig. Als beide vaten koken, kun je hun temperatuur meten, deze zal hetzelfde zijn (100 oC), maar er was meer warmte nodig om een vol vat er water in te laten koken.
Verwarmingsunits
Volgens de definitie van warmte in de natuurkunde, kan men raden dat het wordt gemeten in dezelfde eenheden als energie of arbeid, dat wil zeggen in joules (J). Naast de hoofdeenheid van warmte, kun je in het dagelijks leven vaak horen over calorieën (kcal). Dit concept wordt opgevat als de hoeveelheid warmte die moet worden overgedragen aan één gram water zodat de temperatuur met 1 kelvin (K) stijgt. Eén calorie is gelijk aan 4,184 J. Je kunt ook horen over grote en kleine calorieën, die respectievelijk 1 kcal en 1 cal zijn.
Het concept van warmtecapaciteit
Weten wat warmte is, laten we eens kijken naar een fysieke grootheid die het direct kenmerkt - warmtecapaciteit. Onder dit begrip,natuurkunde betekent de hoeveelheid warmte die aan een lichaam moet worden gegeven of afgenomen om de temperatuur met 1 kelvin (K) te laten veranderen.
De warmtecapaciteit van een bepaald lichaam hangt af van 2 hoofdfactoren:
- over de chemische samenstelling en aggregatietoestand waarin het lichaam wordt gepresenteerd;
- van zijn mis.
Om dit kenmerk onafhankelijk te maken van de massa van een object, werd in de fysica van warmte een andere grootheid geïntroduceerd - de specifieke warmtecapaciteit, die de hoeveelheid warmte bepa alt die wordt overgedragen of opgenomen door een bepaald lichaam per 1 kg zijn massa wanneer de temperatuur met 1 K verandert.
Om het verschil in specifieke warmtecapaciteiten voor verschillende stoffen duidelijk te laten zien, neem bijvoorbeeld 1 g water, 1 g ijzer en 1 g zonnebloemolie en verwarm ze. De temperatuur verandert het snelst voor het ijzermonster, dan voor de oliedruppel en het laatst voor het water.
Merk op dat de specifieke warmtecapaciteit niet alleen afhangt van de chemische samenstelling van de stof, maar ook van de aggregatietoestand, evenals van de externe fysieke omstandigheden waaronder deze wordt beschouwd (constante druk of constant volume).
De belangrijkste vergelijking van het warmteoverdrachtsproces
Na de vraag wat warmte is te hebben behandeld, zou men de belangrijkste wiskundige uitdrukking moeten geven die het proces van overdracht kenmerkt voor absoluut alle lichamen in elke staat van aggregatie. Deze uitdrukking heeft de vorm: Q=cmΔT, waarbij Q de hoeveelheid overgedragen (ontvangen) warmte is, c de soortelijke warmte van het object in kwestie, m -zijn massa, ΔT is de verandering in absolute temperatuur, die wordt gedefinieerd als het verschil in lichaamstemperatuur aan het einde en aan het begin van het warmteoverdrachtsproces.
Het is belangrijk om te begrijpen dat de bovenstaande formule altijd geldig is wanneer het object tijdens het betreffende proces zijn aggregatietoestand behoudt, dat wil zeggen dat het een vloeistof, vaste stof of gas blijft. Anders kan de vergelijking niet worden gebruikt.
Verandering in de staat van aggregatie van materie
Zoals u weet, zijn er 3 hoofdstaten waarin materie kan zijn:
- gas;
- vloeistof;
- vast lichaam.
Om een overgang van de ene toestand naar de andere te laten plaatsvinden, is het noodzakelijk voor het lichaam om het te informeren of warmte weg te nemen. Voor dergelijke processen in de natuurkunde werden de concepten van de soortelijke warmte van smelten (kristallisatie) en koken (condensatie) geïntroduceerd. Al deze hoeveelheden bepalen de hoeveelheid warmte die nodig is om de aggregatietoestand te veranderen, die 1 kg lichaamsgewicht vrijgeeft of absorbeert. Voor deze processen is de vergelijking geldig: Q=Lm, waarbij L de soortelijke warmte is van de corresponderende overgang tussen de toestanden van materie.
Hieronder staan de belangrijkste kenmerken van de processen voor het wijzigen van de aggregatiestatus:
- Deze processen vinden plaats bij een constante temperatuur, zoals koken of smelten.
- Ze zijn omkeerbaar. Zo zal de hoeveelheid warmte die een bepaald lichaam opneemt om te smelten exact gelijk zijn aan de hoeveelheid warmte die vrijkomt in de omgeving als dit lichaam weer passeertnaar een vaste toestand.
Thermisch evenwicht
Dit is een andere belangrijke kwestie met betrekking tot het concept van 'warmte' waarmee rekening moet worden gehouden. Als twee lichamen met verschillende temperaturen met elkaar in contact worden gebracht, zal na een tijdje de temperatuur in het hele systeem gelijk worden en gelijk worden. Om thermisch evenwicht te bereiken, moet een lichaam met een hogere temperatuur warmte afgeven aan het systeem, en een lichaam met een lagere temperatuur moet deze warmte opnemen. De wetten van de warmtefysica die dit proces beschrijven, kunnen worden uitgedrukt als een combinatie van de belangrijkste warmteoverdrachtsvergelijking en de vergelijking die de verandering in de geaggregeerde toestand van materie (indien aanwezig) bepa alt.
Een treffend voorbeeld van het proces van spontane totstandkoming van thermisch evenwicht is een gloeiend hete ijzeren staaf die in het water wordt gegooid. In dit geval zal het hete strijkijzer warmte afgeven aan het water totdat de temperatuur gelijk wordt aan de temperatuur van de vloeistof.
Basismethoden voor warmteoverdracht
Alle processen die de mens kent en die gepaard gaan met de uitwisseling van thermische energie, vinden op drie verschillende manieren plaats:
- Thermische geleidbaarheid. Om op deze manier warmte-uitwisseling te laten plaatsvinden, is contact tussen twee lichamen met verschillende temperaturen nodig. In de contactzone op lokaal moleculair niveau wordt kinetische energie overgedragen van een heet lichaam naar een koud lichaam. De snelheid van deze warmteoverdracht hangt af van het vermogen van de betrokken lichamen om warmte te geleiden. Een treffend voorbeeld van thermische geleidbaarheid is:mens die een metalen staaf aanraakt.
- Convectie. Dit proces vereist de beweging van materie, dus het wordt alleen waargenomen in vloeistoffen en gassen. De essentie van convectie is als volgt: wanneer gas- of vloeistoflagen worden verwarmd, neemt hun dichtheid af, waardoor ze de neiging hebben omhoog te komen. Tijdens hun stijging van het vloeistof- of gasvolume dragen ze warmte over. Een voorbeeld van convectie is het proces van kokend water in een waterkoker.
- Straling. Dit proces van warmteoverdracht vindt plaats door de emissie van elektromagnetische straling van verschillende frequenties door een verwarmd lichaam. Zonlicht is een goed voorbeeld van straling.
