Барлық заттардың ішкі энергиясы болады. Бұл мән бірқатар физикалық және химиялық қасиеттермен сипатталады, олардың ішінде жылуға ерекше назар аудару керек. Бұл шама заттың молекулаларының өзара әсерлесу күштерін сипаттайтын абстрактілі математикалық шама. Жылу алмасу механизмін түсіну заттарды салқындату және қыздыру, сондай-ақ олардың жануы кезінде қанша жылу бөлінді деген сұраққа жауап беруге көмектеседі.
Жылу құбылысының ашылу тарихы
Алғашында жылу алмасу құбылысы өте қарапайым және анық сипатталған: егер зат температурасы көтерілсе, ол жылу алады, ал суыған жағдайда оны қоршаған ортаға шығарады. Дегенмен, жылу үш ғасыр бұрын ойлағандай, қарастырылып жатқан сұйықтықтың немесе дененің ажырамас бөлігі емес. Адамдар материя екі бөліктен тұрады деп аңғал сенді: өз молекулалары мен жылу. Енді латын тілінен аударғанда «температура» термині «қоспа» дегенді білдіретінін еске түсіретіндер аз, ал, мысалы, олар қоланы «қалай мен мыстың температурасы» деп айтқан.
17 ғасырда бұл туралы екі гипотеза пайда болдыжылу және жылу алмасу құбылысын нақты түсіндіре алды. Біріншісін 1613 жылы Галилео ұсынған. Оның тұжырымы: «Жылу кез келген денеге еніп, сыртқа ене алатын ерекше зат». Галилео бұл затты калория деп атады. Ол калорияның жоғалып кетуі немесе құлдырауы мүмкін емес, тек бір денеден екінші денеге өтуге қабілетті екенін дәлелдеді. Тиісінше, заттың калориясы неғұрлым көп болса, оның температурасы соғұрлым жоғары болады.
Екінші гипотеза 1620 жылы пайда болды және оны философ Бэкон ұсынған. Балғаның қатты соққыларынан темір қызып кеткенін байқады. Бұл принцип отты үйкеліс арқылы жағу кезінде де жұмыс істеді, бұл Бэконды жылудың молекулалық табиғаты туралы ойлауға әкелді. Ол денеге механикалық әсер еткенде, оның молекулалары бір-біріне соғыла бастайды, қозғалыс жылдамдығын арттырады және сол арқылы температураны көтереді.
Екінші гипотезаның нәтижесі жылу зат молекулаларының бір-бірімен механикалық әсерінің нәтижесі деген қорытынды болды. Ұзақ уақыт бойы Ломоносов бұл теорияны негіздеп, тәжірибе жүзінде дәлелдеуге тырысты.
Жылу заттың ішкі энергиясының өлшемі
Қазіргі ғалымдар мынадай қорытындыға келді: жылу энергиясы – зат молекулаларының өзара әрекеттесуінің нәтижесі, яғни дененің ішкі энергиясы. Бөлшектердің қозғалу жылдамдығы температураға байланысты, ал жылу мөлшері заттың массасына тура пропорционал. Сонымен, бір шелек су толтырылған шыныаяққа қарағанда көбірек жылу энергиясына ие. Дегенмен, ыстық сұйықтықтың табақшасысуық бассейнге қарағанда жылу аз болуы мүмкін.
17 ғасырда Галилей ұсынған калориялық теорияны ғалымдар Дж. Джоуль мен Б. Рамфорд жоққа шығарды. Олар жылу энергиясының массасы жоқ екенін және тек молекулалардың механикалық қозғалысымен сипатталатынын дәлелдеді.
Заттың жануы кезінде қанша жылу бөлінеді? Ерекше жылу мәні
Бүгінгі таңда шымтезек, мұнай, көмір, табиғи газ немесе ағаш әмбебап және кеңінен қолданылатын энергия көздері болып табылады. Бұл заттарды жағу кезінде белгілі бір мөлшерде жылу бөлінеді, ол қыздыру, іске қосу механизмдері және т.б. үшін пайдаланылады. Бұл мәнді іс жүзінде қалай есептеуге болады?
Ол үшін меншікті жану жылуы түсінігі енгізілген. Бұл мән белгілі бір заттың 1 кг жануы кезінде бөлінетін жылу мөлшеріне байланысты. Ол q әрпімен белгіленеді және Дж/кг-мен өлшенеді. Төменде ең көп таралған отын түрлерінің q мәндерінің кестесі берілген.
Қозғалтқыштарды құрастыру және есептеу кезінде инженер белгілі бір зат мөлшері жанған кезде қанша жылу бөлінетінін білуі керек. Ол үшін Q=qm формуласы арқылы жанама өлшемдерді қолдануға болады, мұндағы Q – заттың жану жылуы, q – меншікті жану жылуы (кестелік мән), m – берілген масса.
Жану кезінде жылудың пайда болуы химиялық байланыстардың түзілуі кезіндегі энергияның бөліну құбылысына негізделген. Ең қарапайым мысал - құрамындағы көміртектің жануықазіргі заманғы отынның кез келген түрінде. Көміртек атмосфералық ауаның қатысында жанып, оттегімен қосылып, көмірқышқыл газын түзеді. Химиялық байланыстың түзілуі жылу энергиясының қоршаған ортаға бөлінуімен жүреді және адам бұл энергияны өз мақсатына пайдалануға бейімделді.
Өкінішке орай, мұнай немесе шымтезек сияқты құнды ресурстарды ойланбастан жұмсау көп ұзамай осы отынды өндіру көздерінің сарқылуына әкелуі мүмкін. Қазірдің өзінде күн сәулесі, су немесе жер қыртысының энергиясы сияқты баламалы энергия көздеріне негізделген электр құрылғылары, тіпті автомобильдердің жаңа үлгілері пайда болуда.
Жылу беру
Дене ішінде немесе бір денеден екінші денеге жылу энергиясын алмасу мүмкіндігі жылу алмасу деп аталады. Бұл құбылыс өздігінен болмайды және тек температура айырмашылығымен пайда болады. Қарапайым жағдайда жылу энергиясы тепе-теңдік орнағанша ыстық денеден азырақ қыздырылған денеге ауысады.
Жылу беру құбылысы пайда болуы үшін денелердің байланыста болуы міндетті емес. Кез келген жағдайда тепе-теңдікті орнату қарастырылып отырған объектілер арасындағы аз қашықтықта да болуы мүмкін, бірақ олар жанасуға қарағанда баяу жылдамдықта болады.
Жылу беруді үш түрге бөлуге болады:
1. Жылу өткізгіштік.
2. Конвекция.
3. Сәулелі алмасу.
Жылуөткізгіштік
Бұл құбылыс заттың атомдары немесе молекулалары арасында жылу энергиясын тасымалдауға негізделген. Себепберіліс – молекулалардың ретсіз қозғалысы және олардың тұрақты соқтығысуы. Осыған байланысты жылу бір молекуладан екіншісіне тізбек бойымен өтеді.
Жылуөткізгіштік құбылысын кез келген темір материалды күйдіргенде, бетіндегі қызару біркелкі таралып, бірте-бірте жойылғанда (қоршаған ортаға белгілі бір мөлшерде жылу бөлінеді) байқалады.
F. Фурье заттың жылу өткізгіштік дәрежесіне әсер ететін барлық шамаларды жинайтын жылу ағынының формуласын шығарды (төмендегі суретті қараңыз).
Бұл формулада Q/t – жылу ағыны, λ – жылу өткізгіштік коэффициенті, S – көлденең қиманың ауданы, T/X – мына жерде орналасқан дененің ұштары арасындағы температура айырмашылығының қатынасы. белгілі бір қашықтық.
Жылуөткізгіштік – кестелік мән. Бұл тұрғын үйді оқшаулау немесе жабдықты жылу оқшаулау кезінде практикалық маңызды болып табылады.
Сәулелі жылу тасымалдау
Электромагниттік сәулелену құбылысына негізделген жылу берудің тағы бір тәсілі. Оның конвекциядан және жылу өткізгіштіктен айырмашылығы энергияның берілуі вакуумдық кеңістікте де болуы мүмкін. Дегенмен, бірінші жағдайдағыдай, температура айырмашылығы қажет.
Сәулелік алмасу - бұл негізінен инфрақызыл сәулеленуге жауап беретін Күннен жылу энергиясын Жер бетіне тасымалдаудың мысалы. Жер бетіне қанша жылу түсетінін анықтау үшін көптеген станциялар салынды, оларбұл көрсеткіштің өзгеруін бақылаңыз.
Конвекция
Ауа ағындарының конвективті қозғалысы жылу алмасу құбылысымен тікелей байланысты. Сұйыққа немесе газға қанша жылу бергенімізге қарамастан, заттың молекулалары жылдамырақ қозғала бастайды. Осыған байланысты бүкіл жүйенің қысымы төмендейді, ал көлемі, керісінше, артады. Бұл жылы ауа ағындарының немесе басқа газдардың жоғары қарай қозғалуының себебі.
Күнделікті өмірде конвекция құбылысын қолданудың қарапайым мысалын бөлмені батареялармен жылыту деп атауға болады. Олар қандай да бір себептермен бөлменің төменгі жағында орналасқан, бірақ қыздырылған ауа көтерілу үшін орын қалдырады, бұл бөлме айналасында ағындардың айналымына әкеледі.
Жылуды қалай өлшеуге болады?
Қыздыру немесе салқындату жылуы математикалық жолмен арнайы құрылғы - калориметр арқылы есептеледі. Орнату сумен толтырылған үлкен жылу оқшаулағыш ыдыспен ұсынылған. Ортаның бастапқы температурасын өлшеу үшін сұйықтыққа термометр түсіріледі. Содан кейін тепе-теңдік орнағаннан кейін сұйықтық температурасының өзгеруін есептеу үшін қыздырылған дене суға түсіріледі.
t арттыру немесе азайту арқылы қоршаған орта денені жылыту үшін қанша жылу жұмсалу керектігін анықтайды. Калориметр - температура өзгерістерін тіркейтін ең қарапайым құрылғы.
Сонымен қатар, калориметрдің көмегімен жану кезінде қанша жылу бөлінетінін есептеуге болады.заттар. Ол үшін су толтырылған ыдысқа «бомба» салынады. Бұл «бомба» сыналатын зат орналасқан жабық ыдыс. Оған өрт сөндіруге арналған арнайы электродтар қосылып, камера оттегімен толтырылған. Зат толық жанғаннан кейін су температурасының өзгеруі тіркеледі.
Осындай тәжірибелер барысында жылу энергиясының көздері химиялық және ядролық реакциялар екені анықталды. Ядролық реакциялар Жердің терең қабаттарында жүріп, бүкіл планета үшін жылудың негізгі қорын құрайды. Оларды адамдар ядролық синтез арқылы энергия алу үшін де пайдаланады.
Химиялық реакциялардың мысалы ретінде адамның ас қорыту жүйесінде заттардың жануы және полимерлердің мономерлерге ыдырауы жатады. Молекуладағы химиялық байланыстың сапасы мен саны ақырында қанша жылу бөлінетінін анықтайды.
Жылу қалай өлшенеді?
Халықаралық SI жүйесіндегі жылу өлшем бірлігі – джоуль (Дж). Сондай-ақ күнделікті өмірде жүйеден тыс бірліктер - калориялар қолданылады. 1 калория халықаралық стандарт бойынша 4,1868 Дж және термохимия негізінде 4,184 Дж. Бұрын ғалымдар сирек қолданатын btu btu болды. 1 BTU=1,055 Дж.
