У фізиці, зокрема термодинаміці, тепло визначається як:

таке

Внесок енергії, перетвореної в результаті хімічної або ядерної реакції і переданої між двома системами або між двома частинами однієї системи.

Ця кількість енергії не пов’язана з роботою або перетворенням між двома різними типами енергії.

Отже, тепло є формою переданої енергії, а не формою енергії, що міститься, такою як внутрішня енергія. Його ще називають тепловою енергією.

Тепло і робота - це форми енергії, які не можуть бути пов'язані зі станом системи, тобто з її рівноважною конфігурацією. Зокрема, обидві форми енергії розпізнаються в момент, коли вони переходять, течуть.

Робота визначає момент, коли сила вносить зміни. Іншими словами, робочі процеси відбуваються в той момент, коли вони відбуваються; а також теплова енергія ідентифікується лише в момент її передачі.

Блоки для вираження тепла

Тепло вимірюється в Міжнародній системі в джоулях.

Однак на практиці він все ще часто використовується як одиниця виміру калорій.

Калорія - це кількість тепла, необхідна для підвищення температури граму дистильованої води на один градус Цельсія. Це визначення діє в умовах тиску 1 атм.

Іноді також використовуються суто технічні одиниці виміру: наприклад, кВт-год або BTU.

Що таке питома теплоємність?

Питома теплоємність (або питома теплоємність маси) речовини визначається як: кількість теплоти, необхідна для збільшення або зменшення температури одиниці маси на один кельвін.

Давайте пам’ятатимемо, що різниця між градусом Цельсія та кельвіном однакова.

Подібною величиною є питома мольна теплоємність, вона визначається як: кількість теплоти, необхідна для підвищення або зниження температури моль речовини на один градус.

У міжнародній системі одиницею вимірювання питомого тепла є J/(K · kg), навіть якщо ккал/(kg × ° C) широко використовується, тоді як молярного тепла J/(K.

Який вплив тепла?

Ефекти передачі теплової енергії описуються першим законом термодинаміки в найзагальнішому вигляді:

де,
ΔE -> вказує на зміну будь-якого виду енергії (наприклад, внутрішньої енергії, кінетичної енергії або потенційної енергії).
Q -> являє собою тепло.
W -> вказує на роботу (за зміною гучності або ізохорично).

Наслідки передачі теплової енергії можуть бути в основному двох типів:

  1. коливання енергії
  2. обмін роботою.

Однією з особливих форм енергії, яка може змінюватися після проходження тепла, є внутрішня енергія. Зміни внутрішньої енергії можуть мати різні наслідки, включаючи зміну температури або зміну агрегатного стану.

Що таке приховане тепло і відчутне тепло?

Якщо теплообмін призводить до зміни агрегатного стану, він приймає назву прихованого тепла. Якщо перенос призводить до зменшення різниці температур (оскільки дві системи або дві частини однієї системи мають тенденцію до досягнення теплової рівноваги), ми говоримо про відчутне тепло.

Класична формула відчутного тепла:

в той час як приховане тепло:

Нарешті, у випадку, коли передача теплової енергії включає як зменшення різниці температур, так і зміну фази, це тепло може розглядатися як сума двох внесків:

  1. внесок, пов'язаний з розумним теплом
  2. внесок, пов'язаний із прихованим теплом.

Приклад

Наприклад, підвищення температури води від 20 ° C до 50 ° C за стандартних умов (тобто при тиску 1 атм) визначається тим, що забезпечується відчутне тепло. Якщо вода вже досягла температури кипіння, вона накопичує енергію (у вигляді прихованого тепла), зберігаючи температуру незмінною, доки не відбудеться зміна фази з рідини на пару.

З цієї причини струмінь водяної пари при 100 ° С, який має енергію, що зберігається під час проходження стану, може спричинити більш серйозні опіки, ніж вода в рідкому стані при тій же температурі.

Його також називають теплою реакції, коли тепло споживається або генерується хімічною реакцією.

Яка залежність між тепловою енергією, температурою та внутрішньою енергією?

Тепло не є властивістю, пов’язаною з конфігурацією термодинамічної рівноваги. За наявності градієнта температури теплова енергія перетікає з точок з більш високими температурами в точки з нижчими, поки не буде досягнута теплова рівновага.

Кількість теплообміну залежить від конкретного шляху, за яким слідує перетворення з вихідного стану в кінцевий.

Іншими словами, тепло не є функцією стану.

Внутрішня енергія

Внутрішня енергія, натомість, є функцією стану, пов'язаного з конфігурацією рівноваги (або термодинамічним станом) системи, залежно від змінних стану.

Для внутрішньої температури та енергії вони мають логічні вирази (тобто вони науково правильні), такі як: "тіло має певну температуру, воно має певну внутрішню енергію, воно набуває енергію, воно дає енергію".

Транзитна енергія

З іншого боку, теплова енергія не є термодинамічною властивістю. Фрази на кшталт «тіло гаряче, віддає тепло, набуває тепла» не мають наукового значення. Насправді тепло можна визначити як "енергія в дорозі", а не як "енергія, якою володіє тіло".

Тепло обмінюється між двома тілами (або двома частинами одного і того ж тіла), а не володіє одним тілом (як у випадку з внутрішньою енергією). Зокрема, теплова енергія тече через різницю температур у досліджуваній системі. Перенесення відбувається від найвищих до найнижчих температур. Середовище, яке з ним взаємодіє. Отже, тепло проявляється лише тоді, коли воно проходить між системою та оточенням через різницю температур.

Це жодним чином не визнається в системі та навколишньому середовищі як невід’ємна властивість тієї самої.

Як поширюється тепло?

Передача (або обмін або поширення) тепла між системами може здійснюватися трьома способами:

  • Водіння.
  • Конвекція.
  • Опромінення.

Поширення провідності

В одному тілі або між тілами, що контактують, відбувається передача кінетичної енергії від ударів між молекулами, що належать до сусідніх областей матеріалу.

У провідності енергія передається через речовину, але без макроскопічного руху останньої.

Розмноження конвекцією

У рухомій рідині частини рідини можуть нагріватися або охолоджуватися при контакті із зовнішніми поверхнями. Потім у процесі свого руху (у часто турбулентному характері) відбувається перенесення (завжди для запуску), набутої енергії на інші поверхні, що призводить до перенесення адвекції.

Розмноження опроміненням

Між двома системами тепловіддача може відбуватися на відстані (також у вакуумі).

Перенос здійснюється випромінюванням, розповсюдженням та поглинанням електромагнітних хвиль: чим нижче температура тіла нагрівається, тим вище температура охолоджується.

Механізм опромінення не вимагає фізичного контакту між тілами, що беруть участь у процесі.

Приклад: тепло, яке поширюється від Сонця на землю через сонячну радіацію. Частинки, що випромінюють випромінювання, також генерують тепло.

Виявлення температури

Відчуття "тепла" або "холоду", яке ви відчуваєте, торкаючись тіла, крім інших факторів, визначається його температурою та теплопровідністю матеріалу, з якого воно зроблене.

Хоча можна порівняти відносні температури двох тіл на дотик (з певною обережністю), неможливо дати абсолютну оцінку.

Калориметри використовуються для розрахунку передачі теплової енергії.

Температура - це показник середньої кінетичної енергії частинок в досліджуваному тілі. Тепло - це енергія, яку тіло при більш високій температурі передає тілу при більш низькій температурі (поки обидва тіла не мають однакову температуру). Відчуття холоду і тепла зумовлене як різницею температур між рукою та предметом, так і швидкістю, з якою об’єкт може передавати (поглинати або виділяти) тепло руці (або іншому об’єкту при різних температурах).

Однак, забезпечуючи тіло теплом, температура не тільки підвищується, але виникає більш гостре відчуття тепла, але існують безпосередньо вимірювані коливання деяких фізичних властивостей.

Приклади

Наприклад. Ми занурюємо одну руку в холодну воду на кілька секунд, а другу в гарячу. Потім занурюємо обох у теплу воду. Перший матиме відчуття, що вода гаряча, другий холодний, оскільки сприйнята температура відносно температури руки, яка проводить вимірювання.

Відносна оцінка також часто неможлива. Наприклад, торкаючись шматка дерева та шматка металу. Ми припускаємо, що обидва матеріали перебувають в одному середовищі досить довго, щоб досягти теплової рівноваги з навколишнім середовищем. Дотик до них дає відчуття, що метал набагато холодніший через різну теплопровідність двох матеріалів.

Одночасно ставимо градусник. Спочатку контактує з деревом, а потім з металом. Ми спостерігаємо, що температура в обох матеріалах однакова. Така ж, як кімнатна температура.

Історична довідка

Протягом першої половини 18 століття вчені використовували елементарну речовину під назвою флогістон для пояснення нагрівання деяких матеріалів та горіння.

У наступні роки теплові явища повернулися до теорії, що тепло було невидимою рідиною. Потрапляючи в речовину тіла, воно може підвищити його температуру.

Незважаючи на дослідження Бойля 17 століття про взаємозв'язок руху частинок і теплової енергії, лише приблизно в середині 19 століття були закладені основи термодинаміки. Ці основи були закладені завдяки дослідженням Майєра (1842) та Джоуля (1843) щодо кількості тепла та роботи, необхідної для його досягнення.

Дата публікації: 24 серпня 2018 р
Останній огляд: 21 квітня 2020 р