Căldură
Istoria cercetării căldurii, idei despre căldură
Fizicienii care au studiat și măsurat istoric fenomenele termice nu au făcut inițial o distincție bună între căldură și temperatură. Cu toate acestea, ei și-au pus mereu întrebarea - ce măsoară de fapt un termometru? Francezul Guillaume Amontons (1663 - 1705), care a măsurat temperatura și a construit un tip de termometru, a susținut încă din secolul al XVII-lea că termometrul nu indica cantitatea de căldură, ci gradul de încălzire al corpului. Termometrul indică un fel de stare „internă” instantanee a corpului. Astăzi, considerăm că această teorie este corectă, deși lumea profesională nu a acceptat-o în acel moment.
Răspunsul la întrebarea despre ce este căldura a evoluat în timp. La început, căldura și frigul erau considerate a fi două substanțe diferite care se schimbau. Astăzi știm că aceasta nu a fost teoria corectă și că frigul este doar o lipsă de căldură. Mai târziu, a apărut teoria că căldura este un fluid fin, neponderabil, invizibil, flexibil numit caloric (conform căruia una dintre unitățile de căldură se numește astăzi - calorii), care pătrunde în toate tipurile posibile de materie și rămâne în golurile dintre particule. Această teorie a putut oferi o explicație satisfăcătoare pentru unele fenomene termice (de exemplu, de ce un corp se poate încălzi de la altul).
Cu toate acestea, Benjamin Thomson (numit mai târziu contele Rumford) a făcut un experiment care a dovedit inexistența caloricului. A făcut-o în atelierele de artilerie din München, unde a forat tunuri în principal cu oțel mort. Au devenit în principal roșii și, după un timp, apa care le-a răcit a început să fiarbă. Dacă acidul caloric s-a scurs din butoiul tunului ca urmare a forării, aprovizionarea acestuia ar trebui în cele din urmă să fie epuizată. Dar nu s-a întâmplat săptămâni întregi. Prin urmare, Rumord a concluzionat că căldura este mișcare și nu materie. El l-a caracterizat ca un anumit mod de a mișca particulele, care depinde de temperatură, și de aceea îl numim mișcare termică.
Căldura este un mod special de a transfera energia internă între corpuri, esența căruia nu este munca (adică atunci când furnizăm energie la gazul dintr-un balon prin comprimare, funcționăm și dacă temperatura gazului crește ca urmare, nu am transferat nicio căldură) sau lucrări chimice. Trebuie remarcat faptul că căldura este doar transferul de energie asigurat de mișcarea particulelor, nu energia în sine. Deci nu putem spune că un corp „are căldură”, ci doar că o anumită căldură a fost transferată sau primită.
Disiparea căldurii (schimb)
Căldura poate fi schimbată (răspândită) între corpuri. A doua lege a termodinamicii spune, că căldura trece de la corpul mai cald la cel mai rece (adică corpul mai cald transferă căldura la cel mai rece), niciodată invers. Căldura poate fi răspândită în 3 moduri diferite: management, curgere A radiații (radiații).
Conducerea căldurii funcționează astfel încât atomii din partea corpului cu temperatura mai mare să oscileze mai repede și astfel să se ciocnească cu atomii părții corpului cu temperatura mai scăzută. Drept urmare, ei transferă și vibrează o parte din energie mai încet decât înainte, dar atomii care au primit energia oscilează mai repede decât înainte. Oscilând, energia se răspândește în tot corpul până când temperaturile se egalizează. Conducerea căldurii apare și între corpurile pe care le ating. Un corp mai cald transferă căldura la unul mai rece până când temperaturile se egalizează. Unele substanțe (în special metalele) conduc căldura foarte bine, motiv pentru care le numim conductoare de căldură. Unele substanțe (lemn, sticlă, materiale plastice, aer) conduc căldura prost, motiv pentru care le numim izolatori termici. Se numește un recipient căptușit cu izolator (care asigură cea mai mică scurgere posibilă de căldură din acesta) calorimetru. Folosim un calorimetru în fizică pentru experimentele cu căldura. Un exemplu de calorimetru este un termos.
curgere căldura se răspândește în fluide, adică în lichide A gaze. Un exemplu este fluxul de apă de la un cazan de încălzire centrală la radiatoare. În casele mai mici, poate fi utilizat fluxul spontan (fluidul cald crește în sus din cauza densității mai mici și a picăturilor reci în jos), dar trebuie folosită o pompă atunci când transportați apă caldă către un număr mai mare de radiatoare. Dacă amestecăm aceeași cantitate de două lichide identice cu temperaturi diferite, temperatura rezultată va fi aproximativ egală cu media aritmetică a temperaturilor lichidelor originale. Doar pentru că o parte din căldură scapă în împrejurimi și astfel temperatura rezultată va fi puțin mai mică. Dacă vrem să determinăm temperatura rezultată după amestecarea diferitelor cantități de lichide, putem folosi așa-numitul ecuația de amestecare, pe care o discut și în articolul Ecuații liniare și probleme de cuvinte rezolvate folosindu-le.
De asemenea, căldura se poate răspândi radiații. Nu este necesar niciun mediu pentru propagarea căldurii prin radiații, în acest fel poate fi propagat și în vid. Radiația răspândește căldura către noi de la soare, deoarece există un vid între acesta și Pământ. Soarele ne radiază trei tipuri de radiații vizibil (pe care o vedem ca lumină clasică, reprezintă 48% din lumina soarelui), infraroşu (pe care îl simțim ca căldură, reprezintă 45% din radiația soarelui) și ultraviolet (care provoacă rumenirea pielii - bronz, în doză excesivă poate deteriora pielea, ochii și provoca cancer, reprezintă 7% din lumina soarelui). Lumina vizibilă este predată în clasa a VIII-a, radiațiile ultraviolete și infraroșii doar în liceu.
Căldura ca cantitate fizică și calculul căldurii
Căldura este o cantitate fizică cu un semn Î și unire Joule [jaul], marca joulilor este J.
Să încercăm să deducem cum să calculăm căldura: știm din experiență că cu cât avem mai multă substanță de încălzit, cu atât consumăm mai multă energie. Nu putem exprima cantitatea de substanță în volum, deoarece se schimbă odată cu temperatura, așa că o exprimăm în greutate (m). Mai mult, știm că cu cât cheltuim mai multă energie, cu atât avem mai multă nevoie pentru a încălzi substanța și vom exprima asta diferența de temperatură resp. schimbarea temperaturii (.T).
Cu toate acestea, fiecare substanță are nevoie de o cantitate diferită de căldură pentru a încălzi o anumită cantitate din ea. Această proprietate a substanțelor este o cantitate fizică numită capacitatea de căldură masivă, marca ei este c și unitate J / kg • ° C resp. J • kg -1 • ° C -1 (jouli pe kilogram ori grade Celsius). Valorile capacității termice de masă a substanțelor date pot fi găsite în tabele.
Prin urmare, formula de calcul a căldurii este Q = m • c • Δt.
Valoarea energetică a alimentelor
Tot ceea ce este viu necesită energie pentru a menține activități precum creșterea, mișcarea sau menținerea temperaturii corpului. Unele plante și animale sunt o sursă de hrană pentru oameni, deci sunt o sursă de energie pentru ei. Există mai multe metode prin care se poate determina valoarea energetică a unui aliment. Putem folosi metode de laborator pentru a determina cantitatea de energie din alimente prin arderea lor și căldura produsă indică valoarea energetică a acesteia. Cantitatea de energie conținută în alimente este dată în jouli sau kilojoule (J, kJ) sau în unități mai vechi de calorii resp. kilocalorii (cal, kcal). Se administrează de obicei la 100 de grame (adică ce valoare energetică este 100g dintr-un anumit aliment).
Ce înseamnă unitatea de calorii mai veche? Este definită ca cantitatea de energie necesară pe 1 g de apă de la 14,5 ° C la 15,5 ° C (nu este suficient să scrieți doar aproximativ 1 ° C, deoarece, odată cu temperatura, capacitatea de căldură masivă se schimbă ușor). O calorie este de aproximativ 4.185J.