جميع المواد لها طاقة داخلية. تتميز هذه القيمة بعدد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية ، من بينها إيلاء اهتمام خاص للحرارة. هذه الكمية هي قيمة رياضية مجردة تصف قوى التفاعل بين جزيئات المادة. يمكن أن يساعد فهم آلية التبادل الحراري في الإجابة عن السؤال حول مقدار الحرارة المنبعثة أثناء تبريد وتسخين المواد ، وكذلك احتراقها.
تاريخ اكتشاف ظاهرة الحرارة
في البداية ، تم وصف ظاهرة انتقال الحرارة بكل بساطة ووضوح: إذا ارتفعت درجة حرارة مادة ما ، فإنها تتلقى الحرارة ، وفي حالة التبريد ، تطلقها في البيئة. ومع ذلك ، فإن الحرارة ليست جزءًا لا يتجزأ من السائل أو الجسم قيد الدراسة ، كما كان يعتقد قبل ثلاثة قرون. اعتقد الناس بسذاجة أن المادة تتكون من جزأين: جزيئاتها وحرارتها. الآن ، قلة من الناس يتذكرون أن مصطلح "درجة الحرارة" في اللاتينية يعني "خليط" ، وعلى سبيل المثال ، تحدثوا عن البرونز على أنه "درجة حرارة القصدير والنحاس."
في القرن السابع عشر ، ظهرت فرضيتانيمكن أن يفسر بوضوح ظاهرة انتقال الحرارة والحرارة. تم اقتراح الأول في عام 1613 من قبل جاليليو. كانت صياغته: "الحرارة مادة غير عادية يمكن أن تخترق وتخرج من أي جسم". أطلق جاليليو على هذه المادة كالوريك. جادل بأن السعرات الحرارية لا يمكن أن تختفي أو تنهار ، لكنها قادرة فقط على الانتقال من جسد إلى آخر. وعليه فكلما زادت السعرات الحرارية في المادة ارتفعت درجة حرارتها.
ظهرت الفرضية الثانية عام 1620 ، واقترحها الفيلسوف بيكون. لاحظ أنه تحت ضربات المطرقة القوية ، تم تسخين الحديد. يعمل هذا المبدأ أيضًا عند إشعال النار بالاحتكاك ، مما دفع بيكون إلى التفكير في الطبيعة الجزيئية للحرارة. وقال إنه عندما يتأثر الجسم ميكانيكيًا ، تبدأ جزيئاته في الضرب مع بعضها البعض ، مما يزيد من سرعة الحركة وبالتالي يرفع درجة الحرارة.
نتيجة الفرضية الثانية كانت الاستنتاج بأن الحرارة هي نتيجة الفعل الميكانيكي لجزيئات المادة مع بعضها البعض. لفترة طويلة من الزمن ، حاول لومونوسوف إثبات هذه النظرية وإثباتها تجريبياً.
الحرارة مقياس للطاقة الداخلية للمادة
توصل العلماء المعاصرون إلى الاستنتاج التالي: الطاقة الحرارية هي نتيجة تفاعل جزيئات المادة ، أي الطاقة الداخلية للجسم. تعتمد سرعة حركة الجسيمات على درجة الحرارة ، وكمية الحرارة تتناسب طرديًا مع كتلة المادة. لذلك ، دلو من الماء يحتوي على طاقة حرارية أكثر من الكوب المملوء. ومع ذلك ، صحن سائل ساخنقد يكون أقل دفئا من الحوض البارد.
تم دحض نظرية الكالوريك ، التي اقترحها جاليليو في القرن السابع عشر ، من قبل العالمين ج.جول وب. لقد أثبتوا أن الطاقة الحرارية ليس لها أي كتلة وتتميز فقط بالحركة الميكانيكية للجزيئات.
ما مقدار الحرارة التي سيتم إطلاقها أثناء احتراق مادة ما؟ القيمة الحرارية المحددة
اليوم ، الخث ، النفط ، الفحم ، الغاز الطبيعي أو الخشب هي مصادر طاقة عالمية ومستخدمة على نطاق واسع. عندما يتم حرق هذه المواد ، يتم إطلاق قدر معين من الحرارة ، والتي تستخدم للتدفئة ، وآليات البدء ، وما إلى ذلك. كيف يمكن حساب هذه القيمة عمليًا؟
لهذا ، تم تقديم مفهوم الحرارة النوعية للاحتراق. تعتمد هذه القيمة على كمية الحرارة التي يتم إطلاقها أثناء احتراق 1 كجم من مادة معينة. يشار إليه بالحرف q ويقاس بـ J / كجم. يوجد أدناه جدول قيم q لبعض أنواع الوقود الأكثر شيوعًا.
عند بناء المحركات وحسابها ، يحتاج المهندس إلى معرفة مقدار الحرارة التي سيتم إطلاقها عند حرق كمية معينة من المادة. للقيام بذلك ، يمكنك استخدام القياسات غير المباشرة باستخدام الصيغة Q=qm ، حيث Q هي حرارة احتراق المادة ، q هي الحرارة المحددة للاحتراق (قيمة الجدول) ، و m هي الكتلة المعطاة.
يعتمد تكوين الحرارة أثناء الاحتراق على ظاهرة إطلاق الطاقة أثناء تكوين الروابط الكيميائية. أبسط مثال على ذلك هو احتراق الكربون الموجودفي أي نوع من أنواع الوقود الحديث. يحترق الكربون في وجود الهواء الجوي ويتحد مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكربون. يستمر تكوين رابطة كيميائية مع إطلاق الطاقة الحرارية في البيئة ، وقد تكيف الإنسان لاستخدام هذه الطاقة لأغراضه الخاصة.
لسوء الحظ ، قد يؤدي الإنفاق الطائش على موارد قيمة مثل النفط أو الجفت قريبًا إلى استنفاد مصادر إنتاج هذه الأنواع من الوقود. تظهر بالفعل اليوم أجهزة كهربائية وحتى طرازات جديدة من السيارات ، يعتمد تشغيلها على مصادر طاقة بديلة مثل ضوء الشمس أو الماء أو طاقة قشرة الأرض.
نقل الحرارة
القدرة على تبادل الطاقة الحرارية داخل الجسم أو من جسم إلى آخر تسمى نقل الحرارة. لا تحدث هذه الظاهرة بشكل عفوي وتحدث فقط مع اختلاف درجة الحرارة. في أبسط الحالات ، يتم نقل الطاقة الحرارية من جسم أكثر سخونة إلى جسم أقل تسخينًا حتى يتم تحقيق التوازن.
لا يجب أن تكون الأجسام على اتصال حتى تحدث ظاهرة انتقال الحرارة. على أي حال ، يمكن أن يحدث التوازن أيضًا على مسافة صغيرة بين الأشياء قيد الدراسة ، ولكن بسرعة أبطأ مما كانت عليه عند ملامستها.
يمكن تقسيم نقل الحرارة إلى ثلاثة أنواع:
1. الموصلية الحرارية
2. الحمل.
3. تبادل مشع.
التوصيل الحراري
تعتمد هذه الظاهرة على انتقال الطاقة الحرارية بين ذرات أو جزيئات المادة. سببانتقال - الحركة الفوضوية للجزيئات واصطدامها المستمر. نتيجة لذلك ، تنتقل الحرارة من جزيء إلى آخر على طول السلسلة.
يمكن ملاحظة ظاهرة التوصيل الحراري عند تكليس أي مادة حديدية ، عندما ينتشر الاحمرار على السطح بسلاسة ويتلاشى تدريجياً (يتم إطلاق قدر معين من الحرارة في البيئة).
ف. اشتق فورييه معادلة التدفق الحراري ، والتي جمعت كل الكميات التي تؤثر على درجة التوصيل الحراري للمادة (انظر الشكل أدناه).
في هذه الصيغة ، Q / t هو تدفق الحرارة ، λ هو معامل التوصيل الحراري ، S هي منطقة المقطع العرضي ، T / X هي نسبة اختلاف درجة الحرارة بين طرفي الجسم الموجود عند مسافة معينة
الموصلية الحرارية هي قيمة جدولية. إنها ذات أهمية عملية عند عزل مبنى سكني أو عزل حراري للمعدات
نقل الحرارة بالإشعاع
طريقة أخرى لنقل الحرارة والتي تعتمد على ظاهرة الإشعاع الكهرومغناطيسي. يكمن اختلافها عن الحمل الحراري والتوصيل الحراري في حقيقة أن نقل الطاقة يمكن أن يحدث أيضًا في الفراغ. ومع ذلك ، كما في الحالة الأولى ، مطلوب اختلاف في درجة الحرارة.
التبادل الإشعاعي هو مثال على نقل الطاقة الحرارية من الشمس إلى سطح الأرض ، وهو المسؤول بشكل أساسي عن الأشعة تحت الحمراء. لتحديد مقدار الحرارة التي تصل إلى سطح الأرض ، تم بناء العديد من المحطات ، والتيرصد التغيير في هذا المؤشر
الحمل الحراري
ترتبط الحركة الحملية لتدفقات الهواء ارتباطًا مباشرًا بظاهرة انتقال الحرارة. بغض النظر عن مقدار الحرارة التي ننقلها إلى سائل أو غاز ، تبدأ جزيئات المادة في التحرك بشكل أسرع. وبسبب هذا ، ينخفض ضغط النظام بأكمله ويزداد الحجم ، على العكس من ذلك. وهذا سبب تحرك تيارات الهواء الدافئ أو الغازات الأخرى إلى أعلى.
أبسط مثال على استخدام ظاهرة الحمل الحراري في الحياة اليومية يمكن أن يسمى تدفئة غرفة بالبطاريات. تقع في الجزء السفلي من الغرفة لسبب ما ، ولكن الهواء الساخن لديه مجال للارتفاع ، مما يؤدي إلى دوران التدفقات في جميع أنحاء الغرفة.
كيف يمكن قياس الحرارة؟
يتم حساب حرارة التسخين أو التبريد رياضيًا باستخدام جهاز خاص - المسعر. يمثل التركيب وعاء كبير عازل للحرارة مملوء بالماء. يتم إنزال مقياس حرارة في السائل لقياس درجة الحرارة الأولية للوسط. ثم يتم إنزال جسم ساخن في الماء لحساب التغير في درجة حرارة السائل بعد تحقيق التوازن.
عن طريق زيادة أو تقليل t ، تحدد البيئة مقدار الحرارة لتسخين الجسم الذي يجب إنفاقه. المسعر هو أبسط جهاز يمكنه تسجيل التغيرات في درجات الحرارة.
أيضًا ، باستخدام مقياس السعرات الحرارية ، يمكنك حساب مقدار الحرارة التي سيتم إطلاقها أثناء الاحتراقمواد. للقيام بذلك ، يتم وضع "قنبلة" في وعاء مملوء بالماء. هذه "القنبلة" عبارة عن وعاء مغلق توجد فيه مادة الاختبار. وترتبط به أقطاب كهربائية خاصة للحريق المتعمد ، والحجرة مملوءة بالأكسجين. بعد الاحتراق الكامل للمادة يتم تسجيل تغير في درجة حرارة الماء.
في سياق هذه التجارب ثبت أن مصادر الطاقة الحرارية هي تفاعلات كيميائية ونووية. تحدث التفاعلات النووية في الطبقات العميقة من الأرض ، وتشكل الاحتياطي الرئيسي للحرارة للكوكب بأكمله. كما يستخدمها البشر لتوليد الطاقة من خلال الاندماج النووي.
أمثلة على التفاعلات الكيميائية هي احتراق المواد وانهيار البوليمرات إلى مونومرات في الجهاز الهضمي البشري. تحدد نوعية وكمية الروابط الكيميائية في الجزيء مقدار الحرارة التي يتم إطلاقها في النهاية.
كيف يتم قياس الحرارة؟
وحدة الحرارة في نظام SI الدولي هي الجول (J). أيضا في الحياة اليومية تستخدم وحدات خارج النظام - السعرات الحرارية. 1 سعر حراري يساوي 4.1868 جول وفقًا للمعيار الدولي و 4.184 جول وفقًا للكيمياء الحرارية. في السابق ، كان هناك وحدة حرارية بريطانية ، والتي نادرًا ما يستخدمها العلماء. 1 وحدة حرارية بريطانية=1.055 ج.
