همه مواد دارای انرژی درونی هستند. این مقدار با تعدادی خواص فیزیکی و شیمیایی مشخص می شود که در میان آنها باید به گرما توجه ویژه ای شود. این کمیت یک مقدار ریاضی انتزاعی است که نیروهای برهمکنش بین مولکول های یک ماده را توصیف می کند. درک مکانیسم تبادل گرما می تواند به پاسخ به این سوال کمک کند که چه مقدار گرما در هنگام سرد کردن و گرم کردن مواد و همچنین احتراق آنها آزاد می شود.
تاریخچه کشف پدیده گرما
در ابتدا پدیده انتقال حرارت بسیار ساده و واضح توضیح داده شد: اگر دمای ماده ای افزایش یابد گرما دریافت می کند و در صورت خنک شدن آن را در محیط آزاد می کند. با این حال، گرما بخشی جدایی ناپذیر از مایع یا بدن مورد بررسی نیست، همانطور که سه قرن پیش تصور می شد. مردم ساده لوحانه معتقد بودند که ماده از دو بخش تشکیل شده است: مولکول های خود و گرما. اکنون، تعداد کمی از مردم به یاد دارند که اصطلاح "دما" در لاتین به معنای "مخلوط" است، و برای مثال، آنها از برنز به عنوان "دمای قلع و مس" صحبت می کنند.
در قرن هفدهم، دو فرضیه ظاهر شد کهمی تواند به وضوح پدیده گرما و انتقال حرارت را توضیح دهد. اولین مورد در سال 1613 توسط گالیله پیشنهاد شد. جمله او این بود: "گرما یک ماده غیرعادی است که می تواند به داخل و خارج هر بدن نفوذ کند." گالیله این ماده را کالری نامید. او استدلال کرد که کالری نمی تواند ناپدید یا فرو بریزد، بلکه فقط می تواند از یک بدن به بدن دیگر منتقل شود. بر این اساس، هر چه ماده کالری بیشتری داشته باشد، دمای آن بالاتر است.
فرضیه دوم در سال 1620 ظاهر شد و توسط فیلسوف بیکن ارائه شد. او متوجه شد که در زیر ضربات قوی چکش، آهن گرم می شود. این اصل همچنین هنگام برافروختن آتش توسط اصطکاک عمل می کرد، که بیکن را به فکر کردن در مورد ماهیت مولکولی گرما واداشت. او استدلال می‌کرد که وقتی جسمی تحت تأثیر مکانیکی قرار می‌گیرد، مولکول‌های آن شروع به ضرب و شتم روی یکدیگر می‌کنند، سرعت حرکت را افزایش می‌دهند و در نتیجه دما را بالا می‌برند.
نتیجه فرضیه دوم این بود که گرما نتیجه عمل مکانیکی مولکول های یک ماده با یکدیگر است. برای مدت طولانی، لومونوسوف سعی در اثبات و اثبات تجربی این نظریه داشت.
گرما اندازه گیری انرژی درونی ماده است
دانشمندان مدرن به این نتیجه رسیده اند: انرژی حرارتی نتیجه برهمکنش مولکول های ماده است، یعنی انرژی درونی بدن. سرعت حرکت ذرات به دما بستگی دارد و مقدار گرما با جرم ماده نسبت مستقیم دارد. بنابراین، انرژی حرارتی یک سطل آب بیشتر از یک فنجان پر است. با این حال، یک نعلبکی مایع داغممکن است گرمای کمتری نسبت به یک حوضچه سرد داشته باشد.
نظریه کالری، که در قرن هفدهم توسط گالیله ارائه شد، توسط دانشمندان J. Joule و B. Rumford رد شد. آنها ثابت کردند که انرژی حرارتی هیچ جرمی ندارد و تنها با حرکت مکانیکی مولکول ها مشخص می شود.
در طی احتراق یک ماده چقدر گرما آزاد می شود؟ ارزش حرارتی خاص
امروزه ذغال سنگ نارس، نفت، زغال سنگ، گاز طبیعی یا چوب منابع انرژی جهانی و پرمصرف هستند. وقتی این مواد می سوزند مقدار مشخصی گرما آزاد می شود که برای گرم کردن، مکانیسم های راه اندازی و … استفاده می شود. این مقدار را در عمل چگونه می توان محاسبه کرد؟
برای این منظور، مفهوم گرمای ویژه احتراق معرفی شده است. این مقدار بستگی به مقدار گرمایی دارد که در طی احتراق 1 کیلوگرم یک ماده خاص آزاد می شود. با حرف q مشخص می شود و بر حسب J/kg اندازه گیری می شود. در زیر جدولی از مقادیر q برای برخی از رایج ترین سوخت ها آمده است.
هنگام ساخت و محاسبه موتورها، یک مهندس باید بداند که با سوزاندن مقدار معینی از ماده چه مقدار گرما آزاد می شود. برای انجام این کار، می توانید از اندازه گیری های غیر مستقیم با استفاده از فرمول Q=qm استفاده کنید، که در آن Q گرمای احتراق ماده، q گرمای ویژه احتراق (مقدار جدول) و m جرم داده شده است.
تشکیل گرما در حین احتراق بر اساس پدیده آزاد شدن انرژی در طی تشکیل پیوندهای شیمیایی است. ساده ترین مثال احتراق کربن است که در آن وجود دارددر هر نوع سوخت مدرن کربن در حضور هوای اتمسفر می سوزد و با اکسیژن ترکیب می شود و دی اکسید کربن تشکیل می دهد. تشکیل یک پیوند شیمیایی با آزاد شدن انرژی حرارتی در محیط انجام می شود و انسان برای استفاده از این انرژی برای اهداف خود سازگار شده است.
متاسفانه، صرف بی فکر منابع ارزشمندی مانند نفت یا ذغال سنگ نارس ممکن است به زودی منجر به تخلیه منابع تولید این سوخت ها شود. امروزه وسایل برقی و حتی مدل‌های جدیدی از خودروها ظاهر می‌شوند که عملکرد آنها بر اساس منابع انرژی جایگزین مانند نور خورشید، آب یا انرژی پوسته زمین است.
انتقال حرارت
توانایی تبادل انرژی حرارتی در بدن یا از جسمی به جسم دیگر را انتقال حرارت می گویند. این پدیده خود به خود اتفاق نمی افتد و تنها با اختلاف دما رخ می دهد. در ساده‌ترین حالت، انرژی حرارتی از جسم داغ‌تر به جسم کمتر گرم‌تر منتقل می‌شود تا زمانی که تعادل برقرار شود.
برای رخ دادن پدیده انتقال حرارت لازم نیست بدن در تماس باشد. در هر صورت، برقراری تعادل می تواند در فاصله کمی بین اشیاء مورد بررسی، اما با سرعت کمتری نسبت به زمانی که آنها در تماس هستند، رخ دهد.
انتقال حرارت را می توان به سه نوع تقسیم کرد:
1. هدایت حرارتی.
2. همرفت.
3. تبادل تابشی.
رسانایی حرارتی
این پدیده بر اساس انتقال انرژی حرارتی بین اتم ها یا مولکول های ماده است. علتانتقال - حرکت آشفته مولکول ها و برخورد مداوم آنها. به همین دلیل، گرما از یک مولکول به مولکول دیگر در طول زنجیره عبور می کند.
پدیده رسانایی حرارتی را می توان زمانی مشاهده کرد که هر ماده آهنی کلسینه شود، هنگامی که قرمزی روی سطح به آرامی پخش می شود و به تدریج محو می شود (مقدار خاصی از گرما در محیط منتشر می شود).
F. فوریه فرمولی برای جریان گرما به دست آورد که تمام مقادیری را که بر درجه هدایت حرارتی یک ماده تأثیر می‌گذارند جمع‌آوری می‌کند (شکل زیر را ببینید).
در این فرمول، Q/t شار گرما، λ ضریب هدایت حرارتی، S سطح مقطع، T/X نسبت اختلاف دما بین انتهای بدنه واقع در یک فاصله معین.
رسانایی حرارتی یک مقدار جدولی است. هنگام عایق کاری یک ساختمان مسکونی یا عایق حرارتی تجهیزات اهمیت عملی دارد.
انتقال حرارت تابشی
روش دیگری برای انتقال حرارت که مبتنی بر پدیده تابش الکترومغناطیسی است. تفاوت آن با انتقال گرما و انتقال حرارت در این واقعیت است که انتقال انرژی می تواند در فضای خلاء نیز رخ دهد. با این حال، مانند حالت اول، اختلاف دما لازم است.
تبادل تابشی نمونه ای از انتقال انرژی حرارتی از خورشید به سطح زمین است که عمدتاً مسئول تشعشعات فروسرخ است. برای تعیین میزان گرما به سطح زمین، ایستگاه های متعددی ساخته شده است کهتغییر در این شاخص را نظارت کنید.
همرفت
حرکت همرفتی جریان هوا ارتباط مستقیمی با پدیده انتقال حرارت دارد. صرف نظر از اینکه چقدر گرما به یک مایع یا گاز داده ایم، مولکول های ماده شروع به حرکت سریع تر می کنند. به همین دلیل، فشار کل سیستم کاهش می یابد و برعکس، حجم افزایش می یابد. این دلیل حرکت جریان هوای گرم یا گازهای دیگر به سمت بالا است.
ساده ترین مثال استفاده از پدیده همرفت در زندگی روزمره را می توان گرم کردن اتاق با باتری نامید. آنها به دلایلی در پایین اتاق قرار دارند، اما به طوری که هوای گرم شده فضایی برای بالا آمدن داشته باشد، که منجر به گردش جریان ها در اطراف اتاق می شود.
چگونه می توان گرما را اندازه گیری کرد؟
گرمای گرمایش یا سرمایش به صورت ریاضی با استفاده از یک دستگاه مخصوص - یک کالریمتر محاسبه می شود. نصب توسط یک ظرف بزرگ عایق حرارت پر از آب نشان داده شده است. برای اندازه گیری دمای اولیه محیط، یک دماسنج در مایع پایین می آید. سپس جسم گرم شده را در آب فرو می‌برند تا تغییر دمای مایع پس از برقراری تعادل محاسبه شود.
با افزایش یا کاهش t، محیط تعیین می کند که چه مقدار گرما برای گرم کردن بدن باید صرف شود. کالری سنج ساده ترین وسیله ای است که می تواند تغییرات دما را ثبت کند.
همچنین با استفاده از کالریمتر می توانید محاسبه کنید که در حین احتراق چه مقدار گرما آزاد می شود.مواد برای انجام این کار، یک "بمب" در یک ظرف پر از آب قرار می گیرد. این "بمب" یک ظرف بسته است که ماده آزمایشی در آن قرار دارد. الکترودهای مخصوص آتش سوزی به آن وصل شده و محفظه با اکسیژن پر می شود. پس از احتراق کامل ماده، تغییر دمای آب ثبت می شود.
در جریان چنین آزمایشاتی مشخص شد که منابع انرژی حرارتی واکنش های شیمیایی و هسته ای هستند. واکنش های هسته ای در لایه های عمیق زمین اتفاق می افتد و ذخیره اصلی گرما را برای کل سیاره تشکیل می دهد. آنها همچنین توسط انسان برای تولید انرژی از طریق همجوشی هسته ای استفاده می شوند.
نمونه هایی از واکنش های شیمیایی عبارتند از احتراق مواد و تجزیه پلیمرها به مونومر در دستگاه گوارش انسان. کیفیت و کمیت پیوندهای شیمیایی در یک مولکول تعیین می‌کند که در نهایت چقدر گرما آزاد می‌شود.
گرما چگونه اندازه گیری می شود؟
واحد گرما در سیستم بین المللی SI ژول (J) است. همچنین در زندگی روزمره از واحدهای خارج از سیستم - کالری استفاده می شود. 1 کالری برابر با 4.1868 J بر اساس استاندارد بین المللی و 4.184 J بر اساس ترموشیمی است. قبلاً یک btu btu وجود داشت که به ندرت توسط دانشمندان استفاده می شود. 1 BTU=1.055 J.
