Totes les substàncies tenen energia interna. Aquest valor es caracteritza per una sèrie de propietats físiques i químiques, entre les quals cal prestar especial atenció a la calor. Aquesta quantitat és un valor matemàtic abstracte que descriu les forces d'interacció entre les molècules d'una substància. Comprendre el mecanisme d'intercanvi de calor pot ajudar a respondre a la pregunta de quanta calor es va alliberar durant el refredament i l'escalfament de les substàncies, així com la seva combustió.
Història del descobriment del fenomen de la calor
En un principi, el fenomen de la transferència de calor es descrivia de manera molt senzilla i clara: si la temperatura d'una substància augmenta, rep calor i, en el cas de refredar-se, l'allibera a l'ambient. Tanmateix, la calor no és una part integral del líquid o del cos considerat, com es pensava fa tres segles. La gent creia ingènuament que la matèria consta de dues parts: les seves pròpies molècules i la calor. Ara, poca gent recorda que el terme "temperatura" en llatí significa "mescla" i, per exemple, parlaven del bronze com "la temperatura de l'estany i el coure".
Al segle XVII van aparèixer dues hipòtesis quepodria explicar clarament el fenomen de la calor i la transferència de calor. El primer va ser proposat l'any 1613 per Galileu. La seva paraula era: "La calor és una substància inusual que pot penetrar dins i fora de qualsevol cos". Galileu va anomenar aquesta substància calòrica. Va argumentar que el calòric no pot desaparèixer ni col·lapsar-se, sinó que només és capaç de passar d'un cos a un altre. En conseqüència, com més calòrica sigui la substància, més alta serà la seva temperatura.
La segona hipòtesi va aparèixer el 1620, i va ser proposada pel filòsof Bacon. Va notar que sota els forts cops del martell, el ferro s'escalfava. Aquest principi també funcionava en encendre un foc per fricció, cosa que va portar a Bacon a pensar en la naturalesa molecular de la calor. Va argumentar que quan un cos es veu afectat mecànicament, les seves molècules comencen a batre les unes contra les altres, augmenten la velocitat de moviment i, per tant, augmenten la temperatura.
El resultat de la segona hipòtesi va ser la conclusió que la calor és el resultat de l'acció mecànica de les molècules d'una substància entre si. Durant un llarg període de temps, Lomonosov va intentar corroborar i demostrar experimentalment aquesta teoria.
La calor és una mesura de l'energia interna de la matèria
Els científics moderns han arribat a la següent conclusió: l'energia tèrmica és el resultat de la interacció de les molècules de la substància, és a dir, l'energia interna del cos. La velocitat de moviment de les partícules depèn de la temperatura i la quantitat de calor és directament proporcional a la massa de la substància. Per tant, una galleda d'aigua té més energia tèrmica que una tassa plena. No obstant això, un plat de líquid calentpot tenir menys calor que una conca freda.
La teoria de la calòrica, que va ser proposada al segle XVII per Galileu, va ser refutada pels científics J. Joule i B. Rumford. Van demostrar que l'energia tèrmica no té massa i es caracteritza únicament pel moviment mecànic de les molècules.
Quanta calor s'alliberarà durant la combustió d'una substància? Poder calorífic específic
Avui, la torba, el petroli, el carbó, el gas natural o la fusta són fonts d'energia universals i molt utilitzades. Quan es cremen aquestes substàncies, s'allibera una certa quantitat de calor que s'utilitza per escalfar, engegar mecanismes, etc. Com es pot calcular aquest valor a la pràctica?
Per a això s'introdueix el concepte de calor específica de combustió. Aquest valor depèn de la quantitat de calor que s'allibera durant la combustió d'1 kg d'una determinada substància. Es denota amb la lletra q i es mesura en J/kg. A continuació es mostra una taula de valors de q per a alguns dels combustibles més comuns.
Quan construeix i calcula motors, un enginyer ha de saber quanta calor s'alliberarà quan es crema una determinada quantitat de substància. Per fer-ho, podeu utilitzar mesures indirectes amb la fórmula Q=qm, on Q és la calor de combustió de la substància, q és la calor específica de combustió (valor de la taula) i m és la massa donada.
La formació de calor durant la combustió es basa en el fenomen d'alliberament d'energia durant la formació d'enllaços químics. L'exemple més senzill és la combustió del carboni, que està continguten qualsevol tipus de combustible modern. El carboni es crema en presència de l'aire atmosfèric i es combina amb l'oxigen per formar diòxid de carboni. La formació d'un enllaç químic es produeix amb l'alliberament d'energia tèrmica al medi ambient, i l'home s'ha adaptat a utilitzar aquesta energia per als seus propis propòsits.
Desafortunadament, la despesa irreflexiva de recursos tan valuosos com el petroli o la torba pot provocar aviat l'esgotament de les fonts per a la producció d'aquests combustibles. Ja avui estan apareixent electrodomèstics i fins i tot nous models de cotxes, el funcionament dels quals es basa en fonts d'energia alternatives com la llum solar, l'aigua o l'energia de l'escorça terrestre.
Transferència de calor
La capacitat d'intercanviar energia tèrmica dins d'un cos o d'un cos a un altre s'anomena transferència de calor. Aquest fenomen no es produeix de manera espontània i només es produeix amb una diferència de temperatura. En el cas més simple, l'energia tèrmica es transfereix d'un cos més calent a un cos menys escalfat fins que s'estableix l'equilibri.
Els cossos no han d'estar en contacte perquè es produeixi el fenomen de la transferència de calor. En qualsevol cas, l'establiment de l'equilibri també es pot produir a poca distància entre els objectes considerats, però a una velocitat més lenta que quan entren en contacte.
La transferència de calor es pot dividir en tres tipus:
1. Conductivitat tèrmica.
2. Convecció.
3. Intercanvi radiant.
Conductivitat tèrmica
Aquest fenomen es basa en la transferència d'energia tèrmica entre àtoms o molècules de matèria. Causatransmissió: el moviment caòtic de les molècules i la seva col·lisió constant. A causa d'això, la calor passa d'una molècula a una altra al llarg de la cadena.
El fenomen de la conductivitat tèrmica es pot observar quan es calcina qualsevol material de ferro, quan l'envermelliment de la superfície s'estén suaument i s'esvaeix gradualment (una certa quantitat de calor s'allibera a l'entorn).
F. Fourier va derivar una fórmula per al flux de calor, que recollia totes les magnituds que afecten el grau de conductivitat tèrmica d'una substància (vegeu la figura següent).
En aquesta fórmula, Q/t és el flux de calor, λ és el coeficient de conductivitat tèrmica, S és l'àrea de la secció transversal, T/X és la relació de la diferència de temperatura entre els extrems del cos situat a una certa distància.
La conductivitat tèrmica és un valor tabular. És d'importància pràctica a l'hora d'aïllar un edifici residencial o d'aïllament tèrmic d'equips.
Transferència de calor radiant
Una altra forma de transferència de calor, que es basa en el fenomen de la radiació electromagnètica. La seva diferència amb la convecció i la conducció de calor rau en el fet que la transferència d'energia també es pot produir a l'espai al buit. Tanmateix, com en el primer cas, cal una diferència de temperatura.
L'intercanvi radiant és un exemple de la transferència d'energia tèrmica del Sol a la superfície de la Terra, que és principalment responsable de la radiació infraroja. Per determinar quanta calor arriba a la superfície terrestre, s'han construït nombroses estacions, quesupervisar el canvi en aquest indicador.
Convecció
El moviment convectiu dels fluxos d'aire està directament relacionat amb el fenomen de la transferència de calor. Independentment de la quantitat de calor que impartim a un líquid o gas, les molècules de la substància comencen a moure's més ràpidament. Per això, la pressió de tot el sistema disminueix i el volum, per contra, augmenta. Aquesta és la raó del moviment de corrents d'aire calent o altres gasos cap amunt.
L'exemple més senzill d'utilitzar el fenomen de la convecció a la vida quotidiana es pot anomenar escalfar una habitació amb piles. Es troben al fons de l'habitació per un motiu, però perquè l'aire escalfat tingui espai per pujar, la qual cosa fa que circulin els fluxos per l'habitació.
Com es pot mesurar la calor?
La calor d'escalfament o refrigeració es calcula matemàticament mitjançant un dispositiu especial: un calorímetre. La instal·lació està representada per un gran recipient tèrmic ple d'aigua. Es baixa un termòmetre al líquid per mesurar la temperatura inicial del medi. A continuació, un cos escalfat es baixa a l'aigua per calcular el canvi de temperatura del líquid després d'establir l'equilibri.
En augmentar o disminuir t, l'entorn determina quanta calor cal gastar el cos per escalfar. El calorímetre és el dispositiu més senzill que pot registrar els canvis de temperatura.
A més, amb un calorímetre, podeu calcular quanta calor s'alliberarà durant la combustiósubstàncies. Per fer-ho, es col·loca una "bomba" en un recipient ple d'aigua. Aquesta "bomba" és un recipient tancat en el qual es troba la substància de prova. S'hi connecten elèctrodes especials per incendiar i la cambra s'omple d'oxigen. Després de la combustió completa de la substància, es registra un canvi en la temperatura de l'aigua.
En el curs d'aquests experiments, es va establir que les fonts d'energia tèrmica són les reaccions químiques i nuclears. Les reaccions nuclears tenen lloc a les capes profundes de la Terra, formant la principal reserva de calor per a tot el planeta. Els humans també les fan servir per generar energia mitjançant la fusió nuclear.
Exemples de reaccions químiques són la combustió de substàncies i la descomposició de polímers en monòmers en el sistema digestiu humà. La qualitat i la quantitat dels enllaços químics d'una molècula determina quanta calor s'allibera finalment.
Com es mesura la calor?
La unitat de calor del sistema SI internacional és el joule (J). També a la vida quotidiana s'utilitzen unitats fora del sistema: calories. 1 caloria equival a 4,1868 J segons l'estàndard internacional i 4,184 J segons la termoquímica. Anteriorment, hi havia un btu btu, que els científics poques vegades utilitzen. 1 BTU=1,055 J.
