Tutte le sostanze hanno energia interna. Questo valore è caratterizzato da una serie di proprietà fisiche e chimiche, tra le quali occorre prestare particolare attenzione al calore. Questa quantità è un valore matematico astratto che descrive le forze di interazione tra le molecole di una sostanza. Comprendere il meccanismo dello scambio termico può aiutare a rispondere alla domanda su quanto calore è stato rilasciato durante il raffreddamento e il riscaldamento delle sostanze, nonché la loro combustione.
Storia della scoperta del fenomeno del calore
Inizialmente il fenomeno del trasferimento di calore è stato descritto in modo molto semplice e chiaro: se la temperatura di una sostanza aumenta, questa riceve calore e, in caso di raffreddamento, lo rilascia nell'ambiente. Tuttavia, il calore non è parte integrante del liquido o del corpo in esame, come si pensava tre secoli fa. La gente credeva ingenuamente che la materia fosse composta da due parti: le sue stesse molecole e il calore. Ora, pochi ricordano che il termine "temperatura" in latino significa "miscela" e, ad esempio, parlavano del bronzo come "la temperatura dello stagno e del rame".
Nel 17° secolo, apparvero due ipotesi chepotrebbe spiegare chiaramente il fenomeno del calore e del trasferimento di calore. Il primo fu proposto nel 1613 da Galileo. La sua formulazione era: "Il calore è una sostanza insolita che può penetrare dentro e fuori qualsiasi corpo". Galileo chiamò questa sostanza calorica. Ha sostenuto che il calorico non può scomparire o collassare, ma è solo in grado di passare da un corpo all' altro. Di conseguenza, più calorico nella sostanza, maggiore è la sua temperatura.
La seconda ipotesi apparve nel 1620, e fu proposta dal filosofo Bacone. Notò che sotto i forti colpi del martello, il ferro si riscaldava. Questo principio funzionava anche quando si accendeva un fuoco per attrito, il che portò Bacon a pensare alla natura molecolare del calore. Ha affermato che quando un corpo è influenzato meccanicamente, le sue molecole iniziano a battere l'una contro l' altra, aumentando la velocità di movimento e quindi aumentando la temperatura.
Il risultato della seconda ipotesi è stata la conclusione che il calore è il risultato dell'azione meccanica delle molecole di una sostanza l'una con l' altra. Per un lungo periodo di tempo, Lomonosov ha cercato di sostanziare e provare sperimentalmente questa teoria.
Il calore è una misura dell'energia interna della materia
Gli scienziati moderni sono giunti alla seguente conclusione: l'energia termica è il risultato dell'interazione di molecole di sostanze, cioè l'energia interna del corpo. La velocità di movimento delle particelle dipende dalla temperatura e la quantità di calore è direttamente proporzionale alla massa della sostanza. Quindi, un secchio d'acqua ha più energia termica di una tazza piena. Tuttavia, un piattino di liquido caldopotrebbe avere meno calore di un bacino freddo.
La teoria del calorico, proposta nel XVII secolo da Galileo, fu confutata dagli scienziati J. Joule e B. Rumford. Hanno dimostrato che l'energia termica non ha massa ed è caratterizzata unicamente dal movimento meccanico delle molecole.
Quanto calore verrà rilasciato durante la combustione di una sostanza? Potere calorifico specifico
Oggi torba, petrolio, carbone, gas naturale o legno sono fonti di energia universali e ampiamente utilizzate. Quando queste sostanze vengono bruciate, viene rilasciata una certa quantità di calore, che viene utilizzata per il riscaldamento, i meccanismi di avviamento, ecc. Come si calcola in pratica questo valore?
Per questo viene introdotto il concetto di calore specifico di combustione. Questo valore dipende dalla quantità di calore che viene rilasciata durante la combustione di 1 kg di una determinata sostanza. È indicato dalla lettera q e si misura in J / kg. Di seguito è riportata una tabella dei valori di q per alcuni dei combustibili più comuni.
Quando costruisce e calcola motori, un ingegnere deve sapere quanto calore verrà rilasciato quando una certa quantità di sostanza viene bruciata. Per fare ciò, è possibile utilizzare misurazioni indirette utilizzando la formula Q=qm, dove Q è il calore di combustione della sostanza, q è il calore specifico di combustione (valore della tabella) e m è la massa data.
La formazione di calore durante la combustione si basa sul fenomeno del rilascio di energia durante la formazione di legami chimici. L'esempio più semplice è la combustione del carbonio, che è contenutoin qualsiasi tipo di combustibile moderno. Il carbonio brucia in presenza di aria atmosferica e si combina con l'ossigeno per formare anidride carbonica. La formazione di un legame chimico procede con il rilascio di energia termica nell'ambiente e l'uomo si è adattato ad utilizzare questa energia per i propri scopi.
Purtroppo, la spesa sconsiderata di risorse così preziose come petrolio o torba potrebbe presto portare all'esaurimento delle fonti per la produzione di questi combustibili. Già oggi compaiono elettrodomestici e persino nuovi modelli di automobili, il cui funzionamento si basa su fonti di energia alternative come la luce solare, l'acqua o l'energia della crosta terrestre.
Trasferimento di calore
La capacità di scambiare energia termica all'interno di un corpo o da un corpo all' altro è chiamata trasferimento di calore. Questo fenomeno non si verifica spontaneamente e si verifica solo con una differenza di temperatura. Nel caso più semplice, l'energia termica viene trasferita da un corpo più caldo a un corpo meno riscaldato fino a quando non si stabilisce l'equilibrio.
Non è necessario che i corpi siano in contatto perché si verifichi il fenomeno del trasferimento di calore. In ogni caso, l'instaurarsi dell'equilibrio può avvenire anche a piccola distanza tra gli oggetti in esame, ma a una velocità inferiore rispetto a quando entrano in contatto.
Il trasferimento di calore può essere suddiviso in tre tipi:
1. Conducibilità termica.
2. Convezione.
3. Scambio radioso.
Conducibilità termica
Questo fenomeno si basa sul trasferimento di energia termica tra atomi o molecole di materia. Causatrasmissione - il movimento caotico delle molecole e la loro costante collisione. Per questo motivo, il calore passa da una molecola all' altra lungo la catena.
Il fenomeno della conducibilità termica si osserva quando un qualsiasi materiale ferroso viene calcinato, quando il rossore sulla superficie si diffonde dolcemente e svanisce gradualmente (una certa quantità di calore viene rilasciata nell'ambiente).
F. Fourier ha derivato una formula per il flusso di calore, che ha raccolto tutte le quantità che influenzano il grado di conducibilità termica di una sostanza (vedi figura sotto).
In questa formula, Q/t è il flusso di calore, λ è il coefficiente di conducibilità termica, S è l'area della sezione trasversale, T/X è il rapporto della differenza di temperatura tra le estremità del corpo situate a una certa distanza.
La conducibilità termica è un valore tabulare. È di importanza pratica quando si isola un edificio residenziale o l'isolamento termico delle apparecchiature.
Trasferimento di calore radiante
Un' altra modalità di trasferimento del calore, che si basa sul fenomeno della radiazione elettromagnetica. La sua differenza dalla convezione e dalla conduzione del calore sta nel fatto che il trasferimento di energia può avvenire anche nello spazio vuoto. Tuttavia, come nel primo caso, è necessaria una differenza di temperatura.
Lo scambio radiante è un esempio del trasferimento di energia termica dal Sole alla superficie terrestre, che è principalmente responsabile della radiazione infrarossa. Per determinare quanto calore raggiunge la superficie terrestre, sono state costruite numerose stazioni, chemonitorare il cambiamento in questo indicatore.
Convezione
Il movimento convettivo dei flussi d'aria è direttamente correlato al fenomeno del trasferimento di calore. Indipendentemente dalla quantità di calore che abbiamo impartito a un liquido o gas, le molecole della sostanza iniziano a muoversi più velocemente. Per questo motivo, la pressione dell'intero sistema diminuisce e il volume, al contrario, aumenta. Questo è il motivo per il movimento di correnti d'aria calda o altri gas verso l' alto.
L'esempio più semplice di utilizzo del fenomeno della convezione nella vita di tutti i giorni può essere chiamato riscaldamento di una stanza con le batterie. Si trovano nella parte inferiore della stanza per un motivo, ma in modo che l'aria riscaldata abbia spazio per salire, il che porta alla circolazione dei flussi intorno alla stanza.
Come si misura il calore?
Il calore del riscaldamento o del raffreddamento viene calcolato matematicamente utilizzando un dispositivo speciale: un calorimetro. L'impianto è rappresentato da un grande vaso termoisolato riempito d'acqua. Un termometro viene abbassato nel liquido per misurare la temperatura iniziale del mezzo. Quindi un corpo riscaldato viene calato nell'acqua per calcolare la variazione di temperatura del liquido dopo che si è stabilito l'equilibrio.
Aumentando o diminuendo t, l'ambiente determina quanto calore deve essere speso per riscaldare il corpo. Il calorimetro è il dispositivo più semplice in grado di registrare le variazioni di temperatura.
Inoltre, utilizzando un calorimetro, puoi calcolare quanto calore verrà rilasciato durante la combustionesostanze. Per fare questo, una "bomba" viene posta in una nave piena d'acqua. Questa "bomba" è un recipiente chiuso in cui si trova la sostanza in esame. Ad esso sono collegati elettrodi speciali per incendi dolosi e la camera è piena di ossigeno. Dopo la completa combustione della sostanza, viene registrata una variazione della temperatura dell'acqua.
Nel corso di tali esperimenti, è stato stabilito che le fonti di energia termica sono reazioni chimiche e nucleari. Le reazioni nucleari avvengono negli strati profondi della Terra, formando la principale riserva di calore per l'intero pianeta. Sono anche usati dagli esseri umani per generare energia attraverso la fusione nucleare.
Esempi di reazioni chimiche sono la combustione di sostanze e la scomposizione di polimeri in monomeri nel sistema digerente umano. La qualità e la quantità dei legami chimici in una molecola determina la quantità di calore rilasciata alla fine.
Come si misura il calore?
L'unità di misura del calore nel sistema internazionale SI è il joule (J). Anche nella vita di tutti i giorni vengono utilizzate unità fuori dal sistema: calorie. 1 caloria equivale a 4,1868 J secondo lo standard internazionale e 4,184 J secondo la termochimica. In precedenza, esisteva un btu btu, usato raramente dagli scienziati. 1 BTU=1.055 J.
