Всі речовини володіють внутрішньою енергією. Ця величина характеризується рядом фізично-хімічних властивостей, серед яких особливу увагу слід приділити теплоті. Ця величина є абстрактним математичним значенням, яке описує сили взаємодії молекул речовини. Розуміння механізму теплового обміну може допомогти відповісти на питання, яка кількість теплоти, що виділилося при охолодженні і нагріванні речовин, а також їх згоранні.

Історія відкриття явища теплоти

Спочатку явище теплопередачі описувалося дуже просто і зрозуміло: якщо температура речовини підвищується, воно отримує теплоту, а в разі охолодження воно виділяє її в навколишнє середовище. Однак теплота – це не складова частина аналізованої рідини або тіла, як думали три століття тому. Люди наївно вважали, що речовина складається з двох частин: власних молекул і теплоти. Зараз мало хто пам'ятає, що термін «температура» латинською означає «суміш», і, наприклад, про бронзі говорили як про «температурі олова і міді».


У 17 столітті з'явилося дві гіпотези, які могли б зрозуміло пояснити явище теплоти і теплопередачі. Першу запропонував у 1613 році Галілей. Його формулювання звучало так: «Теплота – це незвичайне речовина, яка може проникати в будь-які тіла і виходити з них». Галілей назвав це речовина теплородом. Він стверджував, що теплород не може зникнути чи зруйнуватися, а тільки здатний переходити від одного тіла до іншого. Відповідно, чим більше в речовині теплороду, тим вище його температура.


Друга гіпотеза з'явилася в 1620 році, і запропонував її філософ Бекон. Він зауважив, що під сильними ударами молота залізо нагрівалося. Цей принцип діяв і при розпалюванні вогнища тертям, що призвело Бекона до думки про молекулярну природу теплоти. Він стверджував, що при механічному впливі на тіло його молекули починають битися один об одного, збільшувати швидкість пересування і тим самим піднімати температуру. Підсумком другої гіпотези став висновок, що теплота – це результат механічного впливу молекул речовини один з одним. Цю теорію протягом довгого проміжку часу намагався обґрунтувати та експериментально довести Ломоносов.

Теплота – це міра внутрішньої енергії речовини

Сучасні вчені прийшли до наступного висновку: теплова енергія є результатом взаємодії молекул речовини, тобто внутрішньої енергії тіла. Швидкість руху частинок залежить від температури, а величина теплоти прямо пропорційно масі речовини. Так, відро з водою володіє більшою тепловою енергією, чим наповнена чашка. Однак блюдце з гарячою рідиною може мати менше теплоти, ніж таз з холодною. Теорії теплороду, яку запропонував в 17 столітті Галілей, спростували вчені Дж. Джоуль і Б. Румфорда. Вони довели, що теплова енергія не має якої-небудь масою і характеризується виключно механічним рухом молекул.

Яка кількість теплоти виділиться при згорянні речовини? Питома теплота згоряння

На сьогоднішній день універсальними і широко використовуваними джерелами енергії є торф, нафта, вугілля, природний газ або деревина. При спалюванні цих речовин виділяється певна кількість теплоти, яка використовується для обігріву, запуску механізмів і т. д. Яким чином можна розрахувати цю величину на практиці?
Для цього вводиться поняття питомої теплоти згоряння. Ця величина залежить від кількості теплоти, що виділяється при згорянні 1 кг певної речовини. Позначається воно буквою q і вимірюється в Дж/кг. Нижче представлена таблиця значень q деяких найбільш поширених видів палива. Інженеру при побудові та розрахунку двигунів необхідно знати, яка кількість теплоти виділиться при згорянні певної кількості речовини. Для цього можна скористатися непрямими вимірами за формулою Q = qm, де Q – це теплота згоряння речовини, q – питома теплота згоряння (табличне значення), а m – задана маса. Освіта теплоти при згорянні ґрунтується на явищі виділення енергії при утворенні хімічних зв'язків. Найпростішим прикладом є згоряння вуглецю, який міститься в будь-якому з видів сучасного палива. Вуглець згоряє у присутності атмосферного повітря і з'єднується з киснем, утворюючи вуглекислий газ. Формування хімічного зв'язку протікає з виділенням теплової енергії в навколишнє середовище, і цю енергію людина пристосувалася використовувати в своїх цілях. На жаль, бездумне витрачання таких цінних ресурсів, як нафта та торф, що незабаром може привести до виснаження джерел видобутку цих видів палива. Уже сьогодні з'являються електроприлади і навіть нові моделі автомобілів, робота яких заснована на таких альтернативних джерелах енергії, як сонячне світло, вода або енергія земного кори.

Теплопередача

Здатність обміну теплової енергії всередині тіла або від одного тіла до іншого називається теплопередачею. Це явище не відбувається спонтанно і виникає тільки при різниці температур. У найпростішому випадку теплова енергія передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого до тих пір, поки не встановиться рівновага.
Тіла необов'язково повинні стикатися, щоб відбувалося явище теплопередачі. У будь-якому разі встановлення рівноваги може статися і на невеликій відстані між розглянутими об'єктами, проте з меншою швидкістю, ніж при їх зіткненні. Теплопередачу можна поділити на три види: 1. Теплопровідність. 2. Конвекція. 3. Променистий обмін.

Теплопровідність

Це явище ґрунтується на передачі теплової енергії між атомами або молекулами речовини. Причина передачі – хаотичний рух молекул і їх постійне зіткнення. Завдяки чому теплота переходить від однієї молекули до іншої по ланцюжку. Спостерігати явище теплопровідності можна при прожарюванні будь-якого залізного матеріалу, коли почервоніння на поверхні плавно поширюється і поступово затухає (певна кількість теплоти виділяється в навколишнє середовище). Ж. Фур'є вивів формулу для теплового потоку, яка зібрала всі величини, що впливають на ступінь теплопровідності речовини (див. малюнок нижче). У цій формулі Q/t – тепловий потік, ? – коефіцієнт теплопровідності, S - площа поперечного перерізу, T/X – відношення різниці температур між кінцями тіла, розташованими на певній відстані. Теплопровідність є табличним значенням. Вона має практичне значення при утепленні житлового будинку або теплоізоляції обладнання.

Променистий теплообмін

Ще один спосіб теплопередачі, який заснований на явищі електромагнітного випромінювання. Його відмінність від конвекції і теплопровідності полягає в тому, що передача енергії може відбуватися і в вакуумному просторі. Однак, як і в першому випадку, необхідно наявність різниці температур. Променистий обмін – це приклад передачі теплової енергії Сонця на поверхню Землі, за яку відповідає переважно інфрачервоне випромінювання. Щоб визначити, яка кількість теплоти потрапляє на земну поверхню, були побудовані численні станції, які стежать за зміною даного показника.

Конвекція

Конвекційне рух потоків повітря безпосередньо пов'язано з явищем теплопередачі. Незалежно від того, яка кількість теплоти ми повідомили рідини або газу, молекули речовини починають рухатися швидше. З-за цього тиск всієї системи зменшується, а обсяг, навпаки, збільшується. Це і є причина руху теплих потоків повітря або інших газів вгору. Найпростішим прикладом використання явища конвекції в побуті можна назвати опалення приміщення за допомогою батарей. Вони розташовуються внизу кімнати не просто так, а щоб нагрітому повітрю було куди підніматися, що призводить до циркуляції потоків по приміщенню.

Як можна виміряти кількість теплоти?

Теплота нагрівання або охолодження розраховується математично за допомогою спеціального приладу – калориметра. Установка представлена великим теплоізольованим посудиною, який заповнений водою. В рідина опускається термометр для вимірювання початкової температури середовища. Потім у воду опускають нагріте тіло, щоб обчислити зміну температури рідини після встановлення рівноваги. За підвищення або зниження t середовища визначають, яка кількість теплоти для нагрівання тіла слід затратити. Калориметр є найпростішим пристроєм, який може зареєструвати зміну температури. Також за допомогою калориметра можна порахувати, яка кількість теплоти виділиться при згорянні речовин. Для цього в посудину, заповнений водою, поміщають «бомбу». Ця "бомба" являє собою закриту посудину, в якому розташовується досліджувана речовина. До нього підведені спеціальні електроди для підпалу, а камера заповнена киснем. Після повного згоряння речовини реєструється зміна температури води. У процесі подібних експериментів встановили, що джерелами теплової енергії є хімічні та ядерні реакції. Ядерні реакції протікають у глибоких шарах Землі, утворюючи основний запас теплоти всієї планети. Також вони використовуються людиною для отримання енергії у процесі термоядерного синтезу. Прикладами хімічних реакції горіння речовин і розщеплювання полімерів до мономерів у травній системі людини. Якість і кількість хімічних зв'язків в молекулі визначає, яка кількість теплоти виділиться в кінцевому підсумку.

У чому вимірюється теплота?

Одиницею вимірювання теплоти в міжнародній системі СІ є джоуль (Дж). Також у побуті використовуються позасистемні одиниці калорії. 1 калорія дорівнює 41868 Дж за міжнародним стандартом і 4184 Дж виходячи з термохімії. Раніше зустрічалася британська теплова одиниця БТЕ, яка вже рідко використовується вченими. 1 БТО = 1055 Дж.