Všechny látky mají vnitřní energii. Tato hodnota se vyznačuje řadou fyzikálních a chemických vlastností, mezi nimiž je třeba věnovat zvláštní pozornost teplu. Tato veličina je abstraktní matematická hodnota, která popisuje síly interakce mezi molekulami látky. Pochopení mechanismu výměny tepla může pomoci odpovědět na otázku, kolik tepla se uvolnilo při chlazení a ohřevu látek a také při jejich spalování.
Historie objevu fenoménu tepla
Zpočátku byl fenomén přenosu tepla popsán velmi jednoduše a jasně: stoupá-li teplota látky, přijímá teplo a v případě ochlazování jej uvolňuje do okolí. Teplo však není nedílnou součástí uvažované kapaliny nebo tělesa, jak se před třemi staletími myslelo. Lidé naivně věřili, že hmota se skládá ze dvou částí: vlastních molekul a tepla. Nyní si málokdo pamatuje, že termín „teplota“v latině znamená „směs“a například o bronzu mluvili jako o „teplotě cínu a mědi.“
V 17. století se objevily dvě hypotézy, žedokázal jasně vysvětlit jev tepla a přenosu tepla. První navrhl v roce 1613 Galileo. Jeho formulace byla: "Teplo je neobvyklá látka, která může proniknout do každého těla a ven." Galileo nazval tuto látku kalorickou. Tvrdil, že kalorické nemohou zmizet ani se zhroutily, ale jsou schopné pouze přecházet z jednoho těla do druhého. Čím je tedy látka kaloričtější, tím vyšší je její teplota.
Druhá hypotéza se objevila v roce 1620 a byla navržena filozofem Baconem. Všiml si, že pod silnými údery kladiva se železo rozžhavilo. Tento princip fungoval také při zapalování ohně třením, což vedlo Bacona k úvahám o molekulární povaze tepla. Tvrdil, že když je těleso mechanicky ovlivněno, jeho molekuly začnou proti sobě narážet, zvyšují rychlost pohybu a tím zvyšují teplotu.
Výsledkem druhé hypotézy byl závěr, že teplo je výsledkem mechanického působení molekul látky mezi sebou. Lomonosov se dlouhou dobu snažil tuto teorii podložit a experimentálně dokázat.
Teplo je mírou vnitřní energie hmoty
Moderní vědci došli k následujícímu závěru: tepelná energie je výsledkem interakce molekul látek, tedy vnitřní energie těla. Rychlost pohybu částic závisí na teplotě a množství tepla je přímo úměrné hmotnosti látky. Kbelík vody má tedy více tepelné energie než naplněný šálek. Nicméně podšálek horké tekutinymůže mít méně tepla než studená pánev.
Teorii kalorií, kterou navrhl v 17. století Galileo, vyvrátili vědci J. Joule a B. Rumford. Dokázali, že tepelná energie nemá žádnou hmotnost a je charakterizována pouze mechanickým pohybem molekul.
Kolik tepla se uvolní při spalování látky? Specifická výhřevnost
Rašelina, ropa, uhlí, zemní plyn nebo dřevo jsou dnes univerzálními a široce používanými zdroji energie. Při spalování těchto látek se uvolňuje určité množství tepla, které se využívá pro ohřev, spouštěcí mechanismy atd. Jak lze tuto hodnotu v praxi vypočítat?
Za tímto účelem je zaveden koncept měrného spalného tepla. Tato hodnota závisí na množství tepla, které se uvolní při spalování 1 kg určité látky. Označuje se písmenem q a měří se v J / kg. Níže je uvedena tabulka hodnot q pro některá z nejběžnějších paliv.
Při konstrukci a výpočtech motorů potřebuje technik vědět, kolik tepla se uvolní, když se spálí určité množství látky. K tomu můžete použít nepřímá měření pomocí vzorce Q=qm, kde Q je spalné teplo látky, q je měrné spalné teplo (tabulková hodnota) a m je daná hmotnost.
Tvorba tepla při spalování je založena na fenoménu uvolňování energie při tvorbě chemických vazeb. Nejjednodušším příkladem je spalování uhlíku, který je obsaženv jakémkoli druhu moderního paliva. Uhlík hoří v přítomnosti atmosférického vzduchu a spojuje se s kyslíkem za vzniku oxidu uhličitého. Vytváření chemické vazby pokračuje uvolňováním tepelné energie do prostředí a člověk se přizpůsobil, aby tuto energii využíval pro své vlastní účely.
Uvážené utrácení tak cenných zdrojů, jako je ropa nebo rašelina, může bohužel brzy vést k vyčerpání zdrojů pro výrobu těchto paliv. Již dnes se objevují elektrospotřebiče a dokonce i nové modely automobilů, jejichž provoz je založen na alternativních zdrojích energie jako je sluneční záření, voda nebo energie zemské kůry.
Přenos tepla
Schopnost výměny tepelné energie v těle nebo z jednoho těla do druhého se nazývá přenos tepla. Tento jev nenastává samovolně a vyskytuje se pouze při rozdílu teplot. V nejjednodušším případě se tepelná energie přenáší z teplejšího tělesa do méně zahřátého tělesa, dokud není ustavena rovnováha.
Tělesa nemusí být v kontaktu, aby došlo k jevu přenosu tepla. V každém případě k ustavení rovnováhy může dojít také v malé vzdálenosti mezi uvažovanými objekty, ale pomaleji, než když se dostanou do kontaktu.
Přenos tepla lze rozdělit do tří typů:
1. Tepelná vodivost.
2. Konvekce.
3. Radiant exchange.
Tepelná vodivost
Tento jev je založen na přenosu tepelné energie mezi atomy nebo molekulami hmoty. Způsobitpřenos - chaotický pohyb molekul a jejich neustálá kolize. Díky tomu přechází teplo z jedné molekuly na druhou podél řetězce.
Jev tepelné vodivosti lze pozorovat při kalcinaci jakéhokoli železného materiálu, kdy se zarudnutí na povrchu hladce šíří a postupně mizí (do okolí se uvolňuje určité množství tepla).
F. Fourier odvodil vzorec pro tepelný tok, který shromáždil všechny veličiny, které ovlivňují stupeň tepelné vodivosti látky (viz obrázek níže).
V tomto vzorci je Q/t tepelný tok, λ je součinitel tepelné vodivosti, S je plocha průřezu, T/X je poměr teplotního rozdílu mezi konci tělesa umístěného na určitou vzdálenost.
Tepelná vodivost je tabulková hodnota. Má praktický význam při zateplování obytného domu nebo tepelné izolaci zařízení.
Přenos tepla sáláním
Další způsob přenosu tepla, který je založen na jevu elektromagnetického záření. Jeho rozdíl od konvekce a vedení tepla spočívá v tom, že k přenosu energie může docházet i ve vakuovém prostoru. Stejně jako v prvním případě je však nutný teplotní rozdíl.
Radiační výměna je příkladem přenosu tepelné energie ze Slunce na zemský povrch, která je zodpovědná především za infračervené záření. Pro zjištění, kolik tepla se dostane na zemský povrch, byly postaveny četné stanice, kterésledujte změnu tohoto indikátoru.
Konvekce
Konvektivní pohyb proudění vzduchu přímo souvisí s fenoménem přenosu tepla. Bez ohledu na to, kolik tepla jsme předali kapalině nebo plynu, molekuly látky se začnou pohybovat rychleji. Z tohoto důvodu se tlak celého systému snižuje a objem se naopak zvyšuje. To je důvod pro pohyb proudů teplého vzduchu nebo jiných plynů nahoru.
Nejjednodušším příkladem využití fenoménu konvekce v každodenním životě lze nazvat vytápění místnosti bateriemi. Z nějakého důvodu jsou umístěny ve spodní části místnosti, ale proto, aby měl ohřátý vzduch prostor stoupat, což vede k cirkulaci proudění po místnosti.
Jak lze měřit teplo?
Teplo ohřevu nebo chlazení se vypočítává matematicky pomocí speciálního zařízení – kalorimetru. Instalaci představuje velká tepelně izolovaná nádoba naplněná vodou. Do kapaliny se ponoří teploměr, aby se změřila počáteční teplota média. Poté se zahřáté těleso spustí do vody, aby se vypočítala změna teploty kapaliny po ustavení rovnováhy.
Zvyšováním nebo snižováním t určuje prostředí, kolik tepla by mělo být vynaloženo na zahřátí těla. Kalorimetr je nejjednodušší zařízení, které dokáže registrovat změny teploty.
Také pomocí kalorimetru můžete vypočítat, kolik tepla se uvolní během spalovánílátek. Za tímto účelem se do nádoby naplněné vodou umístí „bomba“. Tato „bomba“je uzavřená nádoba, ve které se nachází zkoušená látka. K ní jsou připojeny speciální elektrody pro žhářství a komora je naplněna kyslíkem. Po úplném spálení látky se zaznamená změna teploty vody.
V průběhu těchto experimentů bylo zjištěno, že zdrojem tepelné energie jsou chemické a jaderné reakce. V hlubokých vrstvách Země probíhají jaderné reakce, které tvoří hlavní zásobu tepla pro celou planetu. Používají je také lidé k výrobě energie prostřednictvím jaderné fúze.
Příklady chemických reakcí jsou spalování látek a rozklad polymerů na monomery v lidském trávicím systému. Kvalita a množství chemických vazeb v molekule určuje, kolik tepla se nakonec uvolní.
Jak se měří teplo?
Jednotkou tepla v mezinárodní soustavě SI je joule (J). Také v každodenním životě se používají mimosystémové jednotky - kalorie. 1 kalorie se rovná 4,1868 J podle mezinárodního standardu a 4,184 J na základě termochemie. Dříve existovalo btu btu, které vědci používají jen zřídka. 1 BTU=1,055 J.
