Semua bahan mempunyai tenaga dalaman. Nilai ini dicirikan oleh beberapa sifat fizikal dan kimia, antaranya perhatian khusus harus diberikan kepada haba. Kuantiti ini ialah nilai matematik abstrak yang menerangkan daya interaksi antara molekul bahan. Memahami mekanisme pertukaran haba boleh membantu menjawab soalan tentang berapa banyak haba yang dibebaskan semasa penyejukan dan pemanasan bahan, serta pembakarannya.
Sejarah penemuan fenomena haba
Pada mulanya, fenomena pemindahan haba diterangkan dengan sangat mudah dan jelas: jika suhu bahan meningkat, ia menerima haba, dan dalam kes penyejukan, ia membebaskannya ke persekitaran. Walau bagaimanapun, haba bukanlah sebahagian daripada cecair atau badan yang sedang dipertimbangkan, seperti yang difikirkan tiga abad yang lalu. Orang secara naif percaya bahawa jirim terdiri daripada dua bahagian: molekulnya sendiri dan haba. Kini, beberapa orang ingat bahawa istilah "suhu" dalam bahasa Latin bermaksud "campuran", dan, sebagai contoh, mereka bercakap tentang gangsa sebagai "suhu timah dan tembaga."
Pada abad ke-17, dua hipotesis muncul bahawadapat menerangkan dengan jelas fenomena pemindahan haba dan haba. Yang pertama dicadangkan pada tahun 1613 oleh Galileo. Kata-katanya ialah: "Haba adalah bahan luar biasa yang boleh menembusi ke dalam dan keluar dari mana-mana badan." Galileo memanggil bahan ini kalori. Beliau berhujah bahawa kalori tidak boleh hilang atau runtuh, tetapi hanya mampu berpindah dari satu badan ke badan yang lain. Oleh itu, lebih banyak kalori dalam bahan, lebih tinggi suhunya.
Hipotesis kedua muncul pada tahun 1620, dan dicadangkan oleh ahli falsafah Bacon. Dia perasan bahawa di bawah pukulan tukul yang kuat, besi itu menjadi panas. Prinsip ini juga beroperasi apabila menyalakan api melalui geseran, yang menyebabkan Bacon berfikir tentang sifat molekul haba. Beliau berhujah bahawa apabila jasad terjejas secara mekanikal, molekulnya mula berdegup antara satu sama lain, meningkatkan kelajuan pergerakan dan seterusnya meningkatkan suhu.
Hasil hipotesis kedua ialah kesimpulan bahawa haba adalah hasil daripada tindakan mekanikal molekul sesuatu bahan antara satu sama lain. Untuk jangka masa yang panjang, Lomonosov cuba membuktikan dan membuktikan teori ini secara eksperimen.
Haba ialah ukuran tenaga dalaman jirim
Para saintis moden telah membuat kesimpulan berikut: tenaga haba adalah hasil daripada interaksi molekul bahan, iaitu tenaga dalaman badan. Kelajuan pergerakan zarah bergantung pada suhu, dan jumlah haba adalah berkadar terus dengan jisim bahan. Jadi, baldi air mempunyai lebih banyak tenaga haba daripada cawan yang diisi. Namun, piring berisi cecair panasmungkin mempunyai kurang kehangatan daripada besen sejuk.
Teori kalori, yang dicadangkan pada abad ke-17 oleh Galileo, telah disangkal oleh saintis J. Joule dan B. Rumford. Mereka membuktikan bahawa tenaga haba tidak mempunyai sebarang jisim dan dicirikan semata-mata oleh pergerakan mekanikal molekul.
Berapa banyak haba yang akan dibebaskan semasa pembakaran bahan? Nilai kalori khusus
Hari ini, gambut, minyak, arang batu, gas asli atau kayu adalah sumber tenaga yang universal dan digunakan secara meluas. Apabila bahan ini dibakar, sejumlah haba tertentu dibebaskan, yang digunakan untuk pemanasan, mekanisme permulaan, dsb. Bagaimanakah nilai ini boleh dikira dalam amalan?
Untuk ini, konsep haba tentu pembakaran diperkenalkan. Nilai ini bergantung kepada jumlah haba yang dibebaskan semasa pembakaran 1 kg bahan tertentu. Ia dilambangkan dengan huruf q dan diukur dalam J / kg. Di bawah ialah jadual nilai q untuk beberapa bahan api yang paling biasa.
Apabila membina dan mengira enjin, seorang jurutera perlu mengetahui berapa banyak haba yang akan dibebaskan apabila sejumlah bahan dibakar. Untuk melakukan ini, anda boleh menggunakan ukuran tidak langsung menggunakan formula Q=qm, di mana Q ialah haba pembakaran bahan, q ialah haba tentu pembakaran (nilai jadual), dan m ialah jisim yang diberikan.
Pembentukan haba semasa pembakaran adalah berdasarkan fenomena pembebasan tenaga semasa pembentukan ikatan kimia. Contoh paling mudah ialah pembakaran karbon, yang terkandungdalam mana-mana jenis bahan api moden. Karbon terbakar dengan kehadiran udara atmosfera dan bergabung dengan oksigen untuk membentuk karbon dioksida. Pembentukan ikatan kimia diteruskan dengan pembebasan tenaga haba ke alam sekitar, dan manusia telah menyesuaikan diri untuk menggunakan tenaga ini untuk tujuannya sendiri.
Malangnya, perbelanjaan yang tidak difikirkan untuk sumber berharga seperti minyak atau gambut mungkin akan mengakibatkan kehabisan sumber untuk pengeluaran bahan api ini. Pada hari ini, peralatan elektrik dan juga model kereta baharu muncul, yang operasinya berdasarkan sumber tenaga alternatif seperti cahaya matahari, air atau tenaga kerak bumi.
Pemindahan haba
Keupayaan untuk menukar tenaga haba dalam badan atau dari satu badan ke badan yang lain dipanggil pemindahan haba. Fenomena ini tidak berlaku secara spontan dan berlaku hanya dengan perbezaan suhu. Dalam kes yang paling mudah, tenaga haba dipindahkan daripada badan yang lebih panas kepada badan yang kurang panas sehingga keseimbangan diwujudkan.
Badan tidak perlu bersentuhan untuk fenomena pemindahan haba berlaku. Walau apa pun, penubuhan keseimbangan juga boleh berlaku pada jarak yang kecil antara objek yang sedang dipertimbangkan, tetapi pada kelajuan yang lebih perlahan daripada apabila ia bersentuhan.
Pemindahan haba boleh dibahagikan kepada tiga jenis:
1. Kekonduksian terma.
2. Perolakan.
3. Pertukaran berseri.
Kekonduksian terma
Fenomena ini berdasarkan pemindahan tenaga haba antara atom atau molekul jirim. sebabpenghantaran - pergerakan molekul yang huru-hara dan perlanggaran berterusan mereka. Disebabkan ini, haba berpindah dari satu molekul ke molekul lain di sepanjang rantai.
Fenomena kekonduksian terma boleh diperhatikan apabila mana-mana bahan besi dikalsinasi, apabila kemerahan pada permukaan merebak dengan lancar dan beransur-ansur pudar (sebilangan haba tertentu dibebaskan ke persekitaran).
F. Fourier memperoleh formula untuk aliran haba, yang mengumpul semua kuantiti yang mempengaruhi tahap kekonduksian terma sesuatu bahan (lihat rajah di bawah).
Dalam formula ini, Q/t ialah fluks haba, λ ialah pekali kekonduksian terma, S ialah luas keratan rentas, T/X ialah nisbah perbezaan suhu antara hujung badan yang terletak pada jarak tertentu.
Kekonduksian terma ialah nilai jadual. Ia amat penting apabila menebat bangunan kediaman atau penebat haba peralatan.
Pemindahan haba berseri
Satu lagi cara pemindahan haba, yang berdasarkan fenomena sinaran elektromagnet. Perbezaannya daripada perolakan dan pengaliran haba terletak pada hakikat bahawa pemindahan tenaga juga boleh berlaku dalam ruang vakum. Walau bagaimanapun, seperti dalam kes pertama, perbezaan suhu diperlukan.
Pertukaran sinaran ialah contoh pemindahan tenaga haba daripada Matahari ke permukaan Bumi, yang bertanggungjawab terutamanya untuk sinaran inframerah. Untuk menentukan berapa banyak haba yang sampai ke permukaan bumi, banyak stesen telah dibina, yangpantau perubahan dalam penunjuk ini.
Perolakan
Pergerakan perolakan aliran udara berkaitan secara langsung dengan fenomena pemindahan haba. Tidak kira berapa banyak haba yang kita berikan kepada cecair atau gas, molekul bahan mula bergerak lebih cepat. Kerana ini, tekanan keseluruhan sistem berkurangan, dan jumlah, sebaliknya, meningkat. Inilah sebab pergerakan arus udara panas atau gas lain ke atas.
Contoh paling mudah menggunakan fenomena perolakan dalam kehidupan seharian boleh dipanggil memanaskan bilik dengan bateri. Ia terletak di bahagian bawah bilik atas sebab tertentu, tetapi supaya udara yang dipanaskan mempunyai ruang untuk naik, yang membawa kepada peredaran aliran di sekeliling bilik.
Bagaimanakah haba boleh diukur?
Haba pemanasan atau penyejukan dikira secara matematik menggunakan peranti khas - kalorimeter. Pemasangan diwakili oleh kapal penebat haba yang besar yang diisi dengan air. Termometer diturunkan ke dalam cecair untuk mengukur suhu awal medium. Kemudian jasad yang dipanaskan diturunkan ke dalam air untuk mengira perubahan suhu cecair selepas keseimbangan diwujudkan.
Dengan menambah atau mengurangkan t, persekitaran menentukan berapa banyak haba untuk memanaskan badan perlu dibelanjakan. Kalorimeter ialah peranti paling mudah yang boleh mencatatkan perubahan suhu.
Selain itu, menggunakan kalorimeter, anda boleh mengira berapa banyak haba yang akan dibebaskan semasa pembakaranbahan-bahan. Untuk melakukan ini, "bom" diletakkan di dalam bekas yang diisi dengan air. "Bom" ini ialah kapal tertutup di mana bahan ujian terletak. Elektrod khas untuk pembakaran disambungkan kepadanya, dan ruang itu diisi dengan oksigen. Selepas pembakaran lengkap bahan, perubahan suhu air direkodkan.
Dalam menjalankan eksperimen sedemikian, didapati bahawa sumber tenaga haba adalah tindak balas kimia dan nuklear. Tindak balas nuklear berlaku di lapisan dalam Bumi, membentuk rizab haba utama untuk seluruh planet. Ia juga digunakan oleh manusia untuk menjana tenaga melalui pelakuran nuklear.
Contoh tindak balas kimia ialah pembakaran bahan dan penguraian polimer kepada monomer dalam sistem pencernaan manusia. Kualiti dan kuantiti ikatan kimia dalam molekul menentukan berapa banyak haba yang akhirnya dibebaskan.
Bagaimanakah haba diukur?
Unit haba dalam sistem SI antarabangsa ialah joule (J). Juga dalam kehidupan seharian digunakan unit luar sistem - kalori. 1 kalori bersamaan dengan 4.1868 J mengikut piawaian antarabangsa dan 4.184 J berdasarkan termokimia. Sebelum ini, terdapat btu btu, yang jarang digunakan oleh saintis. 1 BTU=1.055 J.
