Բոլոր նյութերն ունեն ներքին էներգիա։ Այս արժեքը բնութագրվում է մի շարք ֆիզիկական և քիմիական հատկություններով, որոնց թվում պետք է հատուկ ուշադրություն դարձնել ջերմությանը: Այս մեծությունը վերացական մաթեմատիկական արժեք է, որը նկարագրում է նյութի մոլեկուլների փոխազդեցության ուժերը։ Ջերմափոխանակման մեխանիզմը հասկանալը կարող է օգնել պատասխանել այն հարցին, թե որքան ջերմություն է արտանետվել նյութերի սառեցման և տաքացման, ինչպես նաև դրանց այրման ժամանակ։
Ջերմության երևույթի հայտնաբերման պատմություն
Սկզբում ջերմության փոխանցման երեւույթը նկարագրվել է շատ պարզ ու հստակ՝ եթե նյութի ջերմաստիճանը բարձրանում է, այն ստանում է ջերմություն, իսկ սառեցման դեպքում՝ այն բաց թողնում շրջակա միջավայր։ Այնուամենայնիվ, ջերմությունը քննարկվող հեղուկի կամ մարմնի անբաժանելի մասն չէ, ինչպես կարծում էին երեք դար առաջ։ Մարդիկ միամտորեն հավատում էին, որ նյութը բաղկացած է երկու մասից՝ սեփական մոլեկուլներից և ջերմությունից։ Այժմ քչերն են հիշում, որ «ջերմաստիճան» տերմինը լատիներեն նշանակում է «խառնուրդ», և, օրինակ, բրոնզի մասին խոսում էին որպես «անագի և պղնձի ջերմաստիճան»:
17-րդ դարում հայտնվեցին երկու վարկածներ, որկարող էր հստակ բացատրել ջերմության և ջերմության փոխանցման ֆենոմենը։ Առաջինն առաջարկվել է 1613 թվականին Գալիլեոյի կողմից։ Նրա ձևակերպումն այսպիսին էր. «Ջերմությունը անսովոր նյութ է, որը կարող է թափանցել ցանկացած մարմնի մեջ և դուրս»: Գալիլեոն այս նյութն անվանել է կալորիական: Նա պնդում էր, որ կալորիականությունը չի կարող անհետանալ կամ փլուզվել, այլ միայն ընդունակ է անցնել մի մարմնից մյուսը: Ըստ այդմ, որքան ավելի կալորիական է նյութը, այնքան բարձր է նրա ջերմաստիճանը։
Երկրորդ վարկածը հայտնվեց 1620 թվականին և առաջարկվեց փիլիսոփա Բեկոնի կողմից։ Նա նկատել է, որ մուրճի ուժեղ հարվածների տակ երկաթը տաքացել է։ Այս սկզբունքը գործում էր նաև շփման միջոցով կրակ վառելիս, ինչը ստիպեց Բեկոնին մտածել ջերմության մոլեկուլային բնույթի մասին։ Նա պնդում էր, որ երբ մարմինը ենթարկվում է մեխանիկական ազդեցության, նրա մոլեկուլները սկսում են բախվել միմյանց դեմ, մեծացնում են շարժման արագությունը և դրանով իսկ բարձրացնում ջերմաստիճանը։
Երկրորդ վարկածի արդյունքն այն էր, որ ջերմությունը նյութի մոլեկուլների միմյանց հետ մեխանիկական գործողության արդյունքն է։ Լոմոնոսովը երկար ժամանակ փորձում էր հիմնավորել և փորձնականորեն ապացուցել այս տեսությունը։
Ջերմությունը նյութի ներքին էներգիայի չափումն է
Ժամանակակից գիտնականները եկել են հետևյալ եզրակացության՝ ջերմային էներգիան նյութի մոլեկուլների, այսինքն՝ մարմնի ներքին էներգիայի փոխազդեցության արդյունք է։ Մասնիկների շարժման արագությունը կախված է ջերմաստիճանից, իսկ ջերմության քանակն ուղիղ համեմատական է նյութի զանգվածին։ Այսպիսով, մի դույլ ջուրն ավելի շատ ջերմային էներգիա ունի, քան լցված բաժակը: Այնուամենայնիվ, տաք հեղուկի բաժակապնակկարող է ավելի քիչ ջերմություն ունենալ, քան սառը ավազանը:
Կալորիականության տեսությունը, որն առաջարկվել է 17-րդ դարում Գալիլեոյի կողմից, հերքվել է գիտնականներ Ջ. Ջուլի և Բ. Ռամֆորդի կողմից։ Նրանք ապացուցեցին, որ ջերմային էներգիան չունի զանգված և բնութագրվում է բացառապես մոլեկուլների մեխանիկական շարժումով։
Որքա՞ն ջերմություն կարձակվի նյութի այրման ժամանակ: Հատուկ ջերմային արժեքը
Այսօր տորֆը, նավթը, ածուխը, բնական գազը կամ փայտը էներգիայի համընդհանուր և լայնորեն օգտագործվող աղբյուրներ են: Երբ այդ նյութերն այրվում են, որոշակի քանակությամբ ջերմություն է արտանետվում, որն օգտագործվում է ջեռուցման, գործարկման մեխանիզմների և այլնի համար: Ինչպե՞ս կարելի է գործնականում հաշվարկել այդ արժեքը:
Դրա համար ներդրվում է այրման հատուկ ջերմության հայեցակարգը: Այս արժեքը կախված է ջերմության քանակից, որն ազատվում է որոշակի նյութի 1 կգ այրման ժամանակ։ Այն նշվում է q տառով և չափվում է J / կգ-ով: Ստորև ներկայացված է q արժեքների աղյուսակը որոշ ամենատարածված վառելիքների համար:
Շարժիչներ կառուցելիս և հաշվարկելիս ինժեները պետք է իմանա, թե ինչքան ջերմություն կթողարկվի, երբ որոշակի քանակությամբ նյութ այրվի: Դա անելու համար դուք կարող եք օգտագործել անուղղակի չափումներ՝ օգտագործելով Q=qm բանաձևը, որտեղ Q-ն նյութի այրման ջերմությունն է, q-ն այրման հատուկ ջերմությունն է (աղյուսակի արժեքը), իսկ m-ը՝ տրված զանգվածը։
Այրման ժամանակ ջերմության առաջացումը հիմնված է քիմիական կապերի առաջացման ժամանակ էներգիայի արտազատման երեւույթի վրա։ Ամենապարզ օրինակը ածխածնի այրումն է, որը պարունակում էցանկացած տեսակի ժամանակակից վառելիքի մեջ։ Ածխածինը այրվում է մթնոլորտային օդի առկայության դեպքում և միանում թթվածնի հետ՝ առաջացնելով ածխաթթու գազ։ Քիմիական կապի ձևավորումն ընթանում է շրջակա միջավայր ջերմային էներգիայի արտանետմամբ, և մարդը հարմարվել է օգտագործել այդ էներգիան իր նպատակների համար:
Ցավոք, նավթի կամ տորֆի նման արժեքավոր ռեսուրսների չմտածված ծախսումը կարող է շուտով հանգեցնել այդ վառելիքի արտադրության աղբյուրների սպառմանը: Արդեն այսօր հայտնվում են էլեկտրական սարքեր և նույնիսկ մեքենաների նոր մոդելներ, որոնց շահագործումը հիմնված է էներգիայի այլընտրանքային աղբյուրների վրա, ինչպիսիք են արևի լույսը, ջուրը կամ երկրակեղևի էներգիան։
Ջերմային փոխանցում
Մարմնի ներսում կամ մի մարմնից մյուսը ջերմային էներգիա փոխանակելու ունակությունը կոչվում է ջերմության փոխանցում: Այս երեւույթը ինքնաբերաբար չի առաջանում եւ առաջանում է միայն ջերմաստիճանի տարբերությամբ։ Ամենապարզ դեպքում ջերմային էներգիան ավելի տաք մարմնից փոխանցվում է ավելի քիչ ջեռուցվող մարմնին, մինչև հավասարակշռություն հաստատվի:
Պարտադիր չէ, որ մարմինները շփվեն ջերմության փոխանցման երևույթի առաջացման համար: Ամեն դեպքում, հավասարակշռության հաստատումը կարող է տեղի ունենալ նաև դիտարկվող առարկաների միջև փոքր հեռավորության վրա, բայց ավելի դանդաղ արագությամբ, քան երբ դրանք շփվում են:
Ջերմային փոխանցումը կարելի է բաժանել երեք տեսակի՝
1. Ջերմային հաղորդունակություն.
2. Կոնվեկցիա.
3. Պայծառ փոխանակում։
Ջերմային հաղորդունակություն
Այս երևույթը հիմնված է ատոմների կամ նյութի մոլեկուլների միջև ջերմային էներգիայի փոխանցման վրա։ Պատճառըփոխանցում - մոլեկուլների քաոսային շարժում և դրանց մշտական բախում: Դրա շնորհիվ ջերմությունը շղթայի երկայնքով անցնում է մի մոլեկուլից մյուսը։
Ջերմային հաղորդունակության երևույթը կարելի է նկատել, երբ ցանկացած երկաթյա նյութ կալցինացված է, երբ մակերեսի վրա կարմրությունը սահուն տարածվում է և աստիճանաբար մարում (որոշակի քանակությամբ ջերմություն է արտանետվում շրջակա միջավայր):
F. Ֆուրիեն ստացել է ջերմային հոսքի բանաձևը, որը հավաքել է բոլոր այն քանակությունները, որոնք ազդում են նյութի ջերմային հաղորդունակության աստիճանի վրա (տես ստորև նկարը):
Այս բանաձևում Q/t-ը ջերմային հոսքն է, λ-ն ջերմային հաղորդունակության գործակիցն է, S-ը խաչմերուկի մակերեսն է, T/X-ը մարմնի ծայրերի միջև եղած ջերմաստիճանի տարբերության հարաբերակցությունն է։ որոշակի հեռավորություն։
Ջերմային հաղորդունակությունը աղյուսակային արժեք է: Դա գործնական նշանակություն ունի բնակելի շենքը կամ սարքավորումների ջերմամեկուսացման ժամանակ։
Ճառագայթային ջերմային փոխանցում
Ջերմության փոխանցման ևս մեկ եղանակ, որը հիմնված է էլեկտրամագնիսական ճառագայթման ֆենոմենի վրա։ Դրա տարբերությունը կոնվեկցիայից և ջերմային հաղորդակցությունից կայանում է նրանում, որ էներգիայի փոխանցումը կարող է տեղի ունենալ նաև վակուումային տարածության մեջ: Այնուամենայնիվ, ինչպես առաջին դեպքում, անհրաժեշտ է ջերմաստիճանի տարբերություն:
Ճառագայթային փոխանակումը Արեգակից Երկրի մակերես ջերմային էներգիայի փոխանցման օրինակ է, որը հիմնականում պատասխանատու է ինֆրակարմիր ճառագայթման համար: Որոշելու համար, թե որքան ջերմություն է հասնում երկրի մակերեսին, կառուցվել են բազմաթիվ կայաններ, որոնքվերահսկել այս ցուցանիշի փոփոխությունը։
Կոնվեկցիա
Օդային հոսքերի կոնվեկտիվ շարժումն անմիջականորեն կապված է ջերմափոխանակման երեւույթի հետ։ Անկախ նրանից, թե որքան ջերմություն ենք հաղորդել հեղուկին կամ գազին, նյութի մոլեկուլները սկսում են ավելի արագ շարժվել։ Դրա պատճառով ամբողջ համակարգի ճնշումը նվազում է, իսկ ծավալը, ընդհակառակը, մեծանում է: Դրանով է պայմանավորված տաք օդային հոսանքների կամ այլ գազերի շարժը դեպի վեր։
Կոնվեկցիայի երևույթը առօրյա կյանքում կիրառելու ամենապարզ օրինակը կարելի է անվանել մարտկոցներով սենյակ տաքացնելը։ Դրանք գտնվում են սենյակի ներքևի մասում ինչ-որ պատճառով, բայց այնպես, որ տաքացվող օդը բարձրանալու տեղ ունենա, ինչը հանգեցնում է հոսքերի շրջանառության սենյակի շուրջը։
Ինչպե՞ս կարելի է չափել ջերմությունը։
Ջեռուցման կամ հովացման ջերմությունը մաթեմատիկորեն հաշվարկվում է հատուկ սարքի՝ կալորիմետրի միջոցով։ Տեղադրումը ներկայացված է ջրով լցված մեծ ջերմամեկուսացված անոթով: Ջերմաչափը իջեցվում է հեղուկի մեջ՝ չափելու միջավայրի սկզբնական ջերմաստիճանը: Այնուհետև տաքացած մարմինն իջեցնում են ջրի մեջ՝ հավասարակշռության հաստատումից հետո հեղուկի ջերմաստիճանի փոփոխությունը հաշվարկելու համար։
t-ն ավելացնելով կամ նվազեցնելով՝ շրջակա միջավայրը որոշում է, թե որքան ջերմություն պետք է ծախսվի մարմինը տաքացնելու համար: Կալորիմետրը ամենապարզ սարքն է, որը կարող է գրանցել ջերմաստիճանի փոփոխություններ։
Նաև կալորիմետրի միջոցով կարող եք հաշվարկել, թե որքան ջերմություն կթողարկվի այրման ժամանակնյութեր. Դրա համար «ռումբ» են դնում ջրով լցված տարայի մեջ։ Այս «ռումբը» փակ անոթ է, որի մեջ գտնվում է փորձարկման նյութը։ Դրան միացված են հրկիզման հատուկ էլեկտրոդներ, և խցիկը լցված է թթվածնով։ Նյութի ամբողջական այրումից հետո գրանցվում է ջրի ջերմաստիճանի փոփոխություն։
Նման փորձերի ընթացքում պարզվեց, որ ջերմային էներգիայի աղբյուրները քիմիական և միջուկային ռեակցիաներն են։ Միջուկային ռեակցիաները տեղի են ունենում Երկրի խորքային շերտերում՝ կազմելով ջերմության հիմնական պաշարը ողջ մոլորակի համար։ Դրանք նաև օգտագործվում են մարդկանց կողմից միջուկային միաձուլման միջոցով էներգիա արտադրելու համար։
Քիմիական ռեակցիաների օրինակներ են մարդու մարսողական համակարգում նյութերի այրումը և պոլիմերների տրոհումը մոնոմերների: Մոլեկուլում քիմիական կապերի որակն ու քանակը որոշում է, թե ի վերջո որքան ջերմություն է արձակվում:
Ինչպե՞ս է չափվում ջերմությունը:
Միջազգային SI համակարգում ջերմության միավորը ջոուլն է (J): Նաև առօրյա կյանքում օգտագործվում են արտահամակարգային միավորներ՝ կալորիաներ: 1 կալորիա, ըստ միջազգային ստանդարտի, հավասար է 4,1868 Ջ, իսկ ջերմաքիմիայի հիման վրա՝ 4,184 Ջ։ Նախկինում կար btu btu, որը հազվադեպ է օգտագործվում գիտնականների կողմից։ 1 BTU=1,055 J.
