Tất cả các chất đều có nội năng. Giá trị này được đặc trưng bởi một số tính chất vật lý và hóa học, trong đó cần đặc biệt chú ý đến nhiệt. Đại lượng này là một giá trị toán học trừu tượng mô tả lực tương tác giữa các phân tử của một chất. Hiểu cơ chế trao đổi nhiệt có thể giúp trả lời câu hỏi về lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình làm lạnh và đốt nóng các chất, cũng như quá trình đốt cháy của chúng.
Lịch sử phát hiện ra hiện tượng nhiệt
Ban đầu, hiện tượng truyền nhiệt được mô tả rất đơn giản và rõ ràng: nếu nhiệt độ của một chất tăng lên, chất đó sẽ nhận nhiệt, còn trong trường hợp nguội đi, chất đó sẽ thải ra môi trường. Tuy nhiên, nhiệt không phải là một phần không thể thiếu của chất lỏng hoặc vật thể đang được xem xét, như người ta đã nghĩ cách đây ba thế kỷ. Mọi người ngây thơ tin rằng vật chất bao gồm hai phần: các phân tử của chính nó và nhiệt. Bây giờ, ít người nhớ rằng thuật ngữ "nhiệt độ" trong tiếng Latinh có nghĩa là "hỗn hợp", và ví dụ, họ nói về đồng là "nhiệt độ của thiếc và đồng."
Vào thế kỷ 17, hai giả thuyết đã xuất hiện rằngcó thể giải thích rõ ràng hiện tượng tỏa nhiệt và truyền nhiệt. Lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1613 bởi Galileo. Cách nói của ông là: "Nhiệt là một chất bất thường có thể xâm nhập vào và ra khỏi bất kỳ cơ thể nào." Galileo gọi chất này là caloric. Ông cho rằng caloric không thể biến mất hoặc sụp đổ, mà chỉ có khả năng truyền từ cơ thể này sang cơ thể khác. Theo đó, càng nhiều calo trong chất, nhiệt độ của nó càng cao.
Giả thuyết thứ hai xuất hiện vào năm 1620, và được đề xuất bởi nhà triết học Bacon. Ông nhận thấy rằng dưới những cú đập mạnh của búa, sắt nóng lên. Nguyên tắc này cũng hoạt động khi ngọn lửa bùng lên do ma sát, khiến Bacon nghĩ về bản chất phân tử của nhiệt. Ông lập luận rằng khi một cơ thể bị tác động cơ học, các phân tử của nó bắt đầu đập vào nhau, tăng tốc độ chuyển động và do đó làm tăng nhiệt độ.
Kết quả của giả thuyết thứ hai là kết luận rằng nhiệt là kết quả của tác dụng cơ học của các phân tử của một chất với nhau. Trong một thời gian dài, Lomonosov đã cố gắng chứng minh và thực nghiệm lý thuyết này.
Nhiệt là thước đo nội năng của vật chất
Các nhà khoa học hiện đại đã đưa ra kết luận sau: nhiệt năng là kết quả của sự tương tác của các phân tử chất, tức là nội năng của cơ thể. Tốc độ chuyển động của các hạt phụ thuộc vào nhiệt độ, và nhiệt lượng tỷ lệ thuận với khối lượng của chất. Vì vậy, một xô nước có nhiều nhiệt năng hơn một cốc đầy. Tuy nhiên, một đĩa chất lỏng nóngcó thể ít ấm hơn so với một chậu nước lạnh.
Lý thuyết caloric, được đề xuất vào thế kỷ 17 bởi Galileo, đã bị bác bỏ bởi các nhà khoa học J. Joule và B. Rumford. Họ đã chứng minh rằng nhiệt năng không có bất kỳ khối lượng nào và chỉ được đặc trưng bởi chuyển động cơ học của các phân tử.
Nhiệt lượng toả ra trong quá trình đốt cháy một chất là bao nhiêu? Nhiệt trị cụ thể
Ngày nay, than bùn, dầu mỏ, than đá, khí đốt tự nhiên hoặc gỗ là những nguồn năng lượng phổ biến và được sử dụng rộng rãi. Khi các chất này bị đốt cháy, một lượng nhiệt nhất định được giải phóng, được sử dụng để đốt nóng, cơ chế khởi động, … Làm thế nào có thể tính giá trị này trong thực tế?
Đối với điều này, khái niệm về nhiệt lượng riêng của quá trình đốt cháy được giới thiệu. Giá trị này phụ thuộc vào nhiệt lượng toả ra trong quá trình đốt cháy 1 kg chất nào đó. Nó được ký hiệu bằng chữ q và được đo bằng J / kg. Dưới đây là bảng giá trị q của một số loại nhiên liệu phổ biến nhất.
Khi xây dựng và tính toán động cơ, một kỹ sư cần biết nhiệt lượng sẽ tỏa ra khi một lượng chất nhất định bị đốt cháy. Để làm điều này, bạn có thể sử dụng các phép đo gián tiếp theo công thức Q=qm, trong đó Q là nhiệt đốt cháy của chất, q là nhiệt lượng riêng của quá trình cháy (bảng giá trị) và m là khối lượng đã cho.
Sự hình thành nhiệt trong quá trình cháy dựa trên hiện tượng giải phóng năng lượng trong quá trình hình thành các liên kết hóa học. Ví dụ đơn giản nhất là quá trình đốt cháy carbon, chứatrong bất kỳ loại nhiên liệu hiện đại nào. Carbon cháy trong điều kiện có không khí trong khí quyển và kết hợp với oxy để tạo thành carbon dioxide. Sự hình thành một liên kết hóa học diễn ra cùng với việc giải phóng năng lượng nhiệt vào môi trường, và con người đã thích nghi để sử dụng năng lượng này cho các mục đích của riêng mình.
Thật không may, việc chi tiêu thiếu suy nghĩ các tài nguyên quý giá như dầu mỏ hoặc than bùn có thể sớm dẫn đến cạn kiệt các nguồn sản xuất các loại nhiên liệu này. Ngày nay, các thiết bị điện và thậm chí cả các mẫu ô tô mới đang xuất hiện, hoạt động dựa trên các nguồn năng lượng thay thế như ánh sáng mặt trời, nước hoặc năng lượng của vỏ trái đất.
Truyền nhiệt
Khả năng trao đổi nhiệt năng trong cơ thể hoặc từ cơ thể này sang cơ thể khác được gọi là sự truyền nhiệt. Hiện tượng này không xảy ra một cách tự phát và chỉ xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ. Trong trường hợp đơn giản nhất, nhiệt năng được truyền từ vật nóng hơn sang vật ít nóng hơn cho đến khi trạng thái cân bằng được thiết lập.
Các cơ thể không phải tiếp xúc để xảy ra hiện tượng truyền nhiệt. Trong mọi trường hợp, việc thiết lập trạng thái cân bằng cũng có thể xảy ra ở một khoảng cách nhỏ giữa các vật thể đang được xem xét, nhưng với tốc độ chậm hơn so với khi chúng tiếp xúc.
Truyền nhiệt có thể được chia thành ba loại:
1. Độ dẫn nhiệt.
2. Đối lưu.
3. Trao đổi rạng rỡ.
Dẫn nhiệt
Hiện tượng này dựa trên sự truyền nhiệt năng giữa các nguyên tử hoặc phân tử vật chất. Nguyên nhântruyền - chuyển động hỗn loạn của các phân tử và va chạm liên tục của chúng. Do đó, nhiệt truyền từ phân tử này sang phân tử khác dọc theo chuỗi.
Hiện tượng dẫn nhiệt có thể quan sát được khi nung bất kỳ vật liệu sắt nào, khi nung vết đỏ trên bề mặt sẽ mịn và mờ dần (một lượng nhiệt nhất định được tỏa ra môi trường).
F. Fourier rút ra một công thức cho dòng nhiệt, thu thập tất cả các đại lượng ảnh hưởng đến mức độ dẫn nhiệt của một chất (xem hình bên dưới).
Trong công thức này, Q / t là thông lượng nhiệt, λ là hệ số dẫn nhiệt, S là diện tích mặt cắt ngang, T / X là tỷ số chênh lệch nhiệt độ giữa các đầu của phần thân nằm ở một khoảng cách nhất định.
Độ dẫn nhiệt là một giá trị dạng bảng. Nó có tầm quan trọng thực tế khi cách nhiệt một tòa nhà dân cư hoặc cách nhiệt cho thiết bị.
Truyền nhiệt bức xạ
Một cách truyền nhiệt khác, dựa trên hiện tượng bức xạ điện từ. Sự khác biệt của nó so với đối lưu và dẫn nhiệt nằm ở chỗ, sự truyền năng lượng cũng có thể xảy ra trong không gian chân không. Tuy nhiên, như trường hợp đầu tiên, cần phải có sự chênh lệch nhiệt độ.
Trao đổi bức xạ là một ví dụ về sự truyền nhiệt năng từ Mặt trời đến bề mặt Trái đất, năng lượng này chủ yếu gây ra bức xạ hồng ngoại. Để xác định lượng nhiệt truyền đến bề mặt trái đất, nhiều trạm đã được xây dựng,theo dõi sự thay đổi trong chỉ số này.
Đối lưu
Chuyển động đối lưu của các dòng khí liên quan trực tiếp đến hiện tượng truyền nhiệt. Bất kể chúng ta truyền bao nhiêu nhiệt cho chất lỏng hay chất khí, các phân tử của chất bắt đầu chuyển động nhanh hơn. Bởi vì điều này, áp suất của toàn bộ hệ thống giảm, và ngược lại, khối lượng tăng lên. Đây là lý do cho sự chuyển động của các dòng không khí ấm hoặc các khí khác lên trên.
Ví dụ đơn giản nhất về việc sử dụng hiện tượng đối lưu trong cuộc sống hàng ngày có thể được gọi là sưởi ấm phòng bằng pin. Chúng được đặt ở dưới cùng của căn phòng vì một lý do, nhưng để không khí được làm nóng có chỗ để tăng lên, dẫn đến sự lưu thông của các dòng chảy xung quanh phòng.
Có thể đo nhiệt bằng cách nào?
Nhiệt làm nóng hoặc làm mát được tính toán toán học bằng cách sử dụng một thiết bị đặc biệt - nhiệt lượng kế. Việc lắp đặt được thể hiện bằng một bình cách nhiệt lớn chứa đầy nước. Người ta hạ nhiệt kế xuống chất lỏng để đo nhiệt độ ban đầu của môi chất. Sau đó, một cơ thể đã được nung nóng được hạ xuống nước để tính toán sự thay đổi nhiệt độ của chất lỏng sau khi cân bằng được thiết lập.
Bằng cách tăng hoặc giảm t, môi trường quyết định lượng nhiệt để làm nóng cơ thể. Nhiệt lượng kế là thiết bị đơn giản nhất có thể ghi lại sự thay đổi nhiệt độ.
Ngoài ra, sử dụng nhiệt lượng kế, bạn có thể tính toán lượng nhiệt sẽ tỏa ra trong quá trình đốt cháyvật liệu xây dựng. Để làm điều này, một "quả bom" được đặt trong một bình chứa đầy nước. "Quả bom" này là một bình kín, trong đó có chất thử. Các điện cực đặc biệt để đốt được kết nối với nó, và khoang chứa đầy oxy. Sau khi đốt cháy hoàn toàn chất, sự thay đổi nhiệt độ của nước được ghi lại.
Trong quá trình thí nghiệm như vậy, người ta xác định rằng các nguồn năng lượng nhiệt là các phản ứng hóa học và hạt nhân. Phản ứng hạt nhân diễn ra ở các lớp sâu của Trái đất, tạo thành nguồn nhiệt dự trữ chính cho toàn bộ hành tinh. Chúng cũng được con người sử dụng để tạo ra năng lượng thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân.
Ví dụ về phản ứng hóa học là sự đốt cháy các chất và sự phân hủy polyme thành monome trong hệ tiêu hóa của con người. Chất lượng và số lượng của các liên kết hóa học trong một phân tử quyết định lượng nhiệt cuối cùng được tỏa ra.
Nhiệt được đo như thế nào?
Đơn vị của nhiệt trong hệ SI quốc tế là jun (J). Ngoài ra trong cuộc sống hàng ngày được sử dụng đơn vị ngoài hệ thống - calo. 1 calo bằng 4,1868 J theo tiêu chuẩn quốc tế và 4,184 J theo nhiệt hóa học. Trước đây, có btu btu, ít được các nhà khoa học sử dụng. 1 BTU=1,055 J.
