สารทุกชนิดมีพลังงานภายใน ค่านี้มีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีจำนวนหนึ่งซึ่งควรให้ความสนใจเป็นพิเศษกับความร้อน ปริมาณนี้เป็นค่าทางคณิตศาสตร์เชิงนามธรรมที่อธิบายแรงของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลของสาร การทำความเข้าใจกลไกการแลกเปลี่ยนความร้อนสามารถช่วยตอบคำถามเกี่ยวกับปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการทำความเย็นและทำให้ความร้อนของสาร ตลอดจนการเผาไหม้ของสารเหล่านั้น
ประวัติการค้นพบปรากฏการณ์ความร้อน
ในขั้นต้น มีการอธิบายปรากฏการณ์การถ่ายเทความร้อนอย่างเรียบง่ายและชัดเจน: หากอุณหภูมิของสารสูงขึ้น สารจะได้รับความร้อน และในกรณีของการทำความเย็น มันจะปล่อยสารออกสู่สิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม ความร้อนไม่ใช่ส่วนสำคัญของของเหลวหรือร่างกายที่กำลังพิจารณา ดังที่คิดไว้เมื่อสามศตวรรษก่อน ผู้คนเชื่ออย่างไร้เดียงสาว่าสสารประกอบด้วยสองส่วน: โมเลกุลของตัวเองและความร้อน มีคนไม่กี่คนที่จำได้ว่าคำว่า "อุณหภูมิ" ในภาษาละตินหมายถึง "ส่วนผสม" และตัวอย่างเช่น พวกเขาพูดถึงทองแดงว่าเป็น "อุณหภูมิของดีบุกและทองแดง"
ในศตวรรษที่ 17 มีสองสมมติฐานปรากฏว่าสามารถอธิบายปรากฏการณ์การถ่ายเทความร้อนและความร้อนได้อย่างชัดเจน ครั้งแรกถูกเสนอในปี 1613 โดยกาลิเลโอ ถ้อยคำของเขาคือ: "ความร้อนเป็นสิ่งที่ผิดปกติที่สามารถเจาะเข้าและออกจากร่างกายได้" กาลิเลโอเรียกสารนี้ว่าแคลอรี่ เขาแย้งว่าแคลอรี่ไม่สามารถหายไปหรือยุบได้ แต่สามารถส่งผ่านจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายได้เท่านั้น ดังนั้นยิ่งมีแคลอรี่ในสารมากเท่าไหร่ อุณหภูมิก็จะยิ่งสูงขึ้น
สมมติฐานที่สองปรากฏในปี 1620 และเสนอโดยปราชญ์เบคอน เขาสังเกตเห็นว่าภายใต้แรงกระแทกอันแรงของค้อน เหล็กก็ร้อนขึ้น หลักการนี้ยังใช้เมื่อจุดไฟด้วยการเสียดสี ซึ่งทำให้เบคอนนึกถึงธรรมชาติของโมเลกุลของความร้อน เขาแย้งว่าเมื่อร่างกายได้รับผลกระทบทางกลไก โมเลกุลของมันจะเริ่มปะทะกัน เพิ่มความเร็วของการเคลื่อนไหว และทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น
ผลจากสมมติฐานที่สอง สรุปได้ว่า ความร้อนเป็นผลจากการกระทำทางกลของโมเลกุลของสารต่อกัน เป็นเวลานาน Lomonosov พยายามพิสูจน์และทดลองทฤษฎีนี้
ความร้อนเป็นตัววัดพลังงานภายในของสสาร
นักวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ได้ข้อสรุปดังต่อไปนี้: พลังงานความร้อนเป็นผลมาจากการทำงานร่วมกันของโมเลกุลของสาร เช่น พลังงานภายในร่างกาย ความเร็วของการเคลื่อนที่ของอนุภาคขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และปริมาณความร้อนจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลของสาร ดังนั้นถังน้ำจึงมีพลังงานความร้อนมากกว่าถ้วยที่เติม อย่างไรก็ตามจานรองของเหลวร้อนอาจมีความอบอุ่นน้อยกว่าอ่างเย็น
ทฤษฎีแคลอรี่ซึ่งเสนอโดยกาลิเลโอในศตวรรษที่ 17 ถูกปฏิเสธโดยนักวิทยาศาสตร์ J. Joule และ B. Rumford พวกเขาพิสูจน์ว่าพลังงานความร้อนไม่มีมวลและมีลักษณะเฉพาะโดยการเคลื่อนที่เชิงกลของโมเลกุลเท่านั้น
การเผาไหม้ของสารจะมีความร้อนเท่าไร? ค่าความร้อนจำเพาะ
วันนี้พีท น้ำมัน ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติหรือไม้เป็นแหล่งพลังงานที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย เมื่อสารเหล่านี้ถูกเผาไหม้ จะมีการปล่อยความร้อนออกมาจำนวนหนึ่ง ซึ่งใช้สำหรับให้ความร้อน กลไกการสตาร์ท ฯลฯ ค่านี้จะคำนวณได้อย่างไรในทางปฏิบัติ?
สำหรับสิ่งนี้ แนวคิดเรื่องความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้ถูกนำมาใช้ ค่านี้ขึ้นอยู่กับปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้ 1 กิโลกรัมของสารบางชนิด มันเขียนแทนด้วยตัวอักษร q และวัดเป็น J / kg ด้านล่างเป็นตารางค่า q สำหรับเชื้อเพลิงทั่วไปบางส่วน
เมื่อสร้างและคำนวณเครื่องยนต์ วิศวกรจำเป็นต้องรู้ว่าจะปล่อยความร้อนเท่าไรเมื่อเผาสารจำนวนหนึ่ง ในการทำเช่นนี้ คุณสามารถใช้การวัดทางอ้อมโดยใช้สูตร Q=qm โดยที่ Q คือความร้อนจากการเผาไหม้ของสาร q คือความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้ (ค่าตาราง) และ m คือมวลที่กำหนด
การก่อตัวของความร้อนระหว่างการเผาไหม้ขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของการปล่อยพลังงานระหว่างการก่อตัวของพันธะเคมี ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดคือการเผาไหม้ของคาร์บอนซึ่งมีอยู่ในเชื้อเพลิงสมัยใหม่ทุกประเภท คาร์บอนจะเผาไหม้ในที่ที่มีอากาศในบรรยากาศและรวมตัวกับออกซิเจนเพื่อสร้างคาร์บอนไดออกไซด์ การก่อตัวของพันธะเคมีเกิดขึ้นจากการปล่อยพลังงานความร้อนสู่สิ่งแวดล้อม และมนุษย์ได้ปรับตัวเพื่อใช้พลังงานนี้เพื่อจุดประสงค์ของเขาเอง
แต่น่าเสียดายที่การใช้ทรัพยากรอันมีค่าอย่างน้ำมันหรือพรุอย่างไร้ความคิดในไม่ช้าอาจนำไปสู่การหมดสิ้นของแหล่งผลิตเชื้อเพลิงเหล่านี้ ทุกวันนี้ เครื่องใช้ไฟฟ้าและแม้แต่รถยนต์รุ่นใหม่ๆ ก็ปรากฏตัวขึ้นแล้ว ซึ่งการทำงานจะขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงานทางเลือก เช่น แสงแดด น้ำ หรือพลังงานจากเปลือกโลก
ถ่ายเทความร้อน
ความสามารถในการแลกเปลี่ยนพลังงานความร้อนภายในร่างกายหรือจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่งเรียกว่าการถ่ายเทความร้อน ปรากฏการณ์นี้ไม่ได้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและเกิดขึ้นเฉพาะกับความแตกต่างของอุณหภูมิเท่านั้น ในกรณีที่ง่ายที่สุด พลังงานความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากตัวที่ร้อนกว่าไปยังตัวที่ร้อนน้อยกว่าจนกว่าจะสร้างสมดุล
ร่างกายไม่ต้องสัมผัสถึงปรากฏการณ์การถ่ายเทความร้อน ไม่ว่าในกรณีใด การสร้างสมดุลอาจเกิดขึ้นได้ในระยะเล็กน้อยระหว่างวัตถุที่อยู่ระหว่างการพิจารณา แต่ด้วยความเร็วที่ช้ากว่าเมื่อสัมผัสกัน
การถ่ายเทความร้อนแบ่งออกเป็นสามประเภท:
1. การนำความร้อน
2. การพาความร้อน
3. การแลกเปลี่ยนที่สดใส
การนำความร้อน
ปรากฏการณ์นี้เกิดจากการถ่ายเทพลังงานความร้อนระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลของสสาร สาเหตุการส่งผ่าน - การเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่วุ่นวายและการชนกันของพวกมันอย่างต่อเนื่อง ด้วยเหตุนี้ความร้อนจึงผ่านจากโมเลกุลหนึ่งไปยังอีกโมเลกุลหนึ่งตามสายโซ่
ปรากฏการณ์การนำความร้อนสามารถสังเกตได้เมื่อวัสดุที่เป็นเหล็กถูกเผา เมื่อรอยแดงบนพื้นผิวแพร่กระจายอย่างราบรื่นและค่อยๆ จางลง (ความร้อนจำนวนหนึ่งถูกปล่อยสู่สิ่งแวดล้อม)
F. ฟูริเยร์ได้รับสูตรสำหรับการไหลของความร้อน ซึ่งรวบรวมปริมาณทั้งหมดที่ส่งผลต่อระดับการนำความร้อนของสาร (ดูรูปด้านล่าง)
ในสูตรนี้ Q/t คือฟลักซ์ความร้อน λ คือสัมประสิทธิ์การนำความร้อน S คือพื้นที่หน้าตัด T/X คืออัตราส่วนของความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างส่วนปลายของร่างกายอยู่ที่ ระยะทางที่แน่นอน
ค่าการนำความร้อนเป็นค่าแบบตาราง มีความสำคัญในทางปฏิบัติเมื่อฉนวนอาคารที่อยู่อาศัยหรือฉนวนกันความร้อนของอุปกรณ์
การถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสี
การถ่ายเทความร้อนอีกวิธีหนึ่งซึ่งอิงจากปรากฏการณ์การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ความแตกต่างจากการพาความร้อนและการนำความร้อนอยู่ในความจริงที่ว่าการถ่ายเทพลังงานสามารถเกิดขึ้นได้ในพื้นที่สุญญากาศ อย่างไรก็ตาม ในกรณีแรก จำเป็นต้องมีความแตกต่างของอุณหภูมิ
การแลกเปลี่ยนการแผ่รังสีเป็นตัวอย่างของการถ่ายเทพลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์ไปยังพื้นผิวโลก ซึ่งมีหน้าที่หลักในการแผ่รังสีอินฟราเรด เพื่อกำหนดปริมาณความร้อนที่มาถึงพื้นผิวโลก มีการสร้างสถานีจำนวนมากซึ่งตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงในตัวบ่งชี้นี้
การพาความร้อน
การหมุนเวียนของอากาศเกี่ยวข้องโดยตรงกับปรากฏการณ์การถ่ายเทความร้อน ไม่ว่าเราจะให้ความร้อนกับของเหลวหรือก๊าซมากแค่ไหน โมเลกุลของสารจะเริ่มเคลื่อนที่เร็วขึ้น ด้วยเหตุนี้ความดันของระบบทั้งหมดจึงลดลงและปริมาณเพิ่มขึ้น นี่คือสาเหตุของการเคลื่อนที่ของกระแสลมอุ่นหรือก๊าซอื่นๆ ขึ้นไป
ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของการใช้ปรากฏการณ์การพาความร้อนในชีวิตประจำวันเรียกว่าการให้ความร้อนในห้องด้วยแบตเตอรี่ พวกมันตั้งอยู่ที่ด้านล่างของห้องด้วยเหตุผลบางประการ แต่เพื่อให้อากาศร้อนมีพื้นที่เพิ่มขึ้น ซึ่งนำไปสู่การไหลเวียนของกระแสน้ำรอบๆ ห้อง
วัดความร้อนได้อย่างไร
ความร้อนของความร้อนหรือความเย็นคำนวณทางคณิตศาสตร์โดยใช้อุปกรณ์พิเศษ - เครื่องวัดความร้อน การติดตั้งจะแสดงด้วยภาชนะฉนวนความร้อนขนาดใหญ่ที่เต็มไปด้วยน้ำ เทอร์โมมิเตอร์ถูกหย่อนลงในของเหลวเพื่อวัดอุณหภูมิเริ่มต้นของตัวกลาง จากนั้นร่างที่ร้อนจะถูกหย่อนลงไปในน้ำเพื่อคำนวณการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของของเหลวหลังจากสร้างสมดุลแล้ว
การเพิ่มหรือลด t สภาพแวดล้อมจะเป็นตัวกำหนดว่าควรให้ความร้อนกับร่างกายมากแค่ไหน เครื่องวัดความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่ง่ายที่สุดที่สามารถบันทึกการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้
นอกจากนี้ยังใช้เครื่องวัดความร้อนเพื่อคำนวณปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้ได้สาร ในการทำเช่นนี้ "ระเบิด" จะถูกวางลงในภาชนะที่บรรจุน้ำ "ระเบิด" นี้เป็นภาชนะปิดซึ่งเป็นที่ตั้งของสารทดสอบ อิเล็กโทรดพิเศษสำหรับการลอบวางเพลิงเชื่อมต่อกับมันและห้องนั้นเต็มไปด้วยออกซิเจน หลังจากการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ของสาร จะบันทึกการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของน้ำ
ในการทดลองดังกล่าว พบว่าแหล่งที่มาของพลังงานความร้อนคือปฏิกิริยาเคมีและนิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นในชั้นลึกของโลก ก่อให้เกิดความร้อนสำรองหลักสำหรับโลกทั้งใบ พวกเขายังถูกใช้โดยมนุษย์เพื่อสร้างพลังงานผ่านนิวเคลียร์ฟิวชัน
ตัวอย่างของปฏิกิริยาเคมี ได้แก่ การเผาไหม้ของสารและการสลายโพลีเมอร์ให้เป็นโมโนเมอร์ในระบบย่อยอาหารของมนุษย์ คุณภาพและปริมาณของพันธะเคมีในโมเลกุลกำหนดปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาในที่สุด
วัดความร้อนอย่างไร
หน่วยความร้อนในระบบ SI สากลคือจูล (J) นอกจากนี้ในชีวิตประจำวันยังใช้หน่วยนอกระบบ - แคลอรี่ 1 แคลอรีเท่ากับ 4.1868 J ตามมาตรฐานสากลและ 4.184 J ตามเทอร์โมเคมี ก่อนหน้านี้มี btu btu ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ไม่ค่อยได้ใช้ 1 BTU=1.055 J.