Alle Substanzen haben innere Energie. Dieser Wert ist durch eine Reihe von physikalischen und chemischen Eigenschaften gekennzeichnet, unter denen der Wärme besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte. Diese Größe ist ein abstrakter mathematischer Wert, der die Wechselwirkungskräfte zwischen den Molekülen eines Stoffes beschreibt. Das Verständnis des Mechanismus des Wärmeaustauschs kann helfen, die Frage zu beantworten, wie viel Wärme beim Abkühlen und Erhitzen von Stoffen sowie bei deren Verbrennung freigesetzt wurde.
Entdeckungsgeschichte des Phänomens Hitze
Anfangs wurde das Phänomen der Wärmeübertragung sehr einfach und anschaulich beschrieben: Steigt die Temperatur eines Stoffes, nimmt er Wärme auf, bei Abkühlung gibt er sie an die Umgebung ab. Wärme ist jedoch kein integraler Bestandteil der betrachteten Flüssigkeit oder des betrachteten Körpers, wie man vor drei Jahrhunderten dachte. Die Menschen glaubten naiv, dass Materie aus zwei Teilen besteht: ihren eigenen Molekülen und Wärme. Nun, nur wenige Menschen erinnern sich daran, dass der Begriff „Temperatur“im Lateinischen „Mischung“bedeutet, und sie sprachen beispielsweise von Bronze als „der Temperatur von Zinn und Kupfer“.
Im 17. Jahrhundert tauchten zwei Hypothesen aufkonnte das Phänomen der Wärme und Wärmeübertragung klar erklären. Die erste wurde 1613 von Galileo vorgeschlagen. Seine Formulierung lautete: "Wärme ist eine ungewöhnliche Substanz, die in jeden Körper eindringen und aus ihm austreten kann." Galileo nannte diese Substanz kalorisch. Er argumentierte, dass Kalorien nicht verschwinden oder zusammenbrechen können, sondern nur von einem Körper zum anderen übergehen können. Dementsprechend gilt, je kalorienreicher die Substanz ist, desto höher ist ihre Temperatur.
Die zweite Hypothese erschien 1620 und wurde vom Philosophen Bacon vorgeschlagen. Er bemerkte, dass sich das Eisen unter den starken Hammerschlägen erhitzte. Dieses Prinzip funktionierte auch beim Entfachen eines Feuers durch Reibung, was Bacon dazu veranlasste, über die molekulare Natur von Wärme nachzudenken. Er argumentierte, dass, wenn ein Körper mechanisch beeinflusst wird, seine Moleküle anfangen, gegeneinander zu schlagen, die Bewegungsgeschwindigkeit erhöhen und dadurch die Temperatur erhöhen.
Das Ergebnis der zweiten Hypothese war der Schluss, dass Wärme das Ergebnis der mechanischen Wechselwirkung der Moleküle eines Stoffes untereinander ist. Lomonosov hat lange Zeit versucht, diese Theorie zu untermauern und experimentell zu beweisen.
Wärme ist ein Maß für die innere Energie von Materie
Moderne Wissenschaftler sind zu folgendem Schluss gekommen: Wärmeenergie ist das Ergebnis der Wechselwirkung von Substanzmolekülen, dh der inneren Energie des Körpers. Die Bewegungsgeschwindigkeit von Partikeln hängt von der Temperatur ab, und die Wärmemenge ist direkt proportional zur Masse der Substanz. Ein Eimer Wasser hat also mehr Wärmeenergie als ein gefüllter Becher. Allerdings eine Untertasse mit heißer Flüssigkeitkann weniger Wärme haben als ein k altes Becken.
Die im 17. Jahrhundert von Galileo aufgestellte Kalorientheorie wurde von den Wissenschaftlern J. Joule und B. Rumford widerlegt. Sie bewiesen, dass thermische Energie keine Masse hat und ausschließlich durch die mechanische Bewegung von Molekülen charakterisiert wird.
Wie viel Wärme wird bei der Verbrennung eines Stoffes freigesetzt? Spezifischer Heizwert
Torf, Öl, Kohle, Erdgas oder Holz sind heute universelle und weit verbreitete Energieträger. Bei der Verbrennung dieser Stoffe wird eine gewisse Wärmemenge freigesetzt, die für Heizung, Startmechanismen etc. verwendet wird. Wie lässt sich dieser Wert in der Praxis berechnen?
Dazu wird der Begriff der spezifischen Verbrennungswärme eingeführt. Dieser Wert hängt von der Wärmemenge ab, die bei der Verbrennung von 1 kg eines bestimmten Stoffes freigesetzt wird. Sie wird mit dem Buchstaben q bezeichnet und in J/kg gemessen. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit q-Werten für einige der gebräuchlichsten Kraftstoffe.
Beim Bauen und Berechnen von Motoren muss ein Ingenieur wissen, wie viel Wärme freigesetzt wird, wenn eine bestimmte Menge an Stoff verbrannt wird. Dazu können Sie indirekte Messungen mit der Formel Q=qm verwenden, wobei Q die Verbrennungswärme des Stoffes, q die spezifische Verbrennungswärme (Tabellenwert) und m die angegebene Masse ist.
Die Wärmebildung bei der Verbrennung beruht auf dem Phänomen der Energiefreisetzung bei der Bildung chemischer Bindungen. Das einfachste Beispiel ist die Verbrennung von enth altenem Kohlenstoffin jeder Art von modernem Kraftstoff. Kohlenstoff verbrennt in Gegenwart von atmosphärischer Luft und verbindet sich mit Sauerstoff zu Kohlendioxid. Die Bildung einer chemischen Bindung erfolgt mit der Freisetzung von thermischer Energie in die Umgebung, und der Mensch hat sich daran angepasst, diese Energie für seine eigenen Zwecke zu nutzen.
Leider kann der gedankenlose Verbrauch so wertvoller Ressourcen wie Öl oder Torf bald zur Erschöpfung der Quellen für die Produktion dieser Kraftstoffe führen. Schon heute tauchen Elektrogeräte und sogar neue Automodelle auf, deren Betrieb auf alternativen Energiequellen wie Sonnenlicht, Wasser oder der Energie der Erdkruste basiert.
Wärmeübertragung
Die Fähigkeit, thermische Energie innerhalb eines Körpers oder von einem Körper zum anderen auszutauschen, wird als Wärmeübertragung bezeichnet. Dieses Phänomen tritt nicht spontan auf und tritt nur bei einem Temperaturunterschied auf. Im einfachsten Fall wird Wärmeenergie von einem heißeren Körper auf einen weniger erhitzten Körper übertragen, bis sich ein Gleichgewicht einstellt.
Körper müssen nicht in Kontakt sein, damit das Phänomen der Wärmeübertragung auftritt. In jedem Fall kann die Gleichgewichtseinstellung auch bei geringem Abstand zwischen den betrachteten Objekten erfolgen, jedoch langsamer als bei der Berührung.
Wärmeübertragung kann in drei Arten unterteilt werden:
1. Wärmeleitfähigkeit.
2. Konvektion.
3. Strahlender Austausch.
Wärmeleitfähigkeit
Dieses Phänomen beruht auf der Übertragung von Wärmeenergie zwischen Materieatomen oder -molekülen. WeilÜbertragung - die chaotische Bewegung von Molekülen und ihre ständige Kollision. Dadurch wird Wärme entlang der Kette von einem Molekül zum anderen übertragen.
Das Phänomen der Wärmeleitfähigkeit kann beobachtet werden, wenn ein beliebiges Eisenmaterial kalziniert wird, wenn sich die Rötung auf der Oberfläche gleichmäßig ausbreitet und allmählich verblasst (eine gewisse Menge an Wärme wird an die Umgebung abgegeben).
F. Fourier leitete eine Formel für den Wärmestrom ab, die alle Größen zusammenfasst, die die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes beeinflussen (siehe Abbildung unten).
In dieser Formel ist Q/t der Wärmestrom, λ der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient, S die Querschnittsfläche, T/X das Verhältnis der Temperaturdifferenz zwischen den Enden des Körpers, die sich bei befinden eine bestimmte Entfernung.
Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Tabellenwert. Es ist von praktischer Bedeutung bei der Dämmung eines Wohngebäudes oder der Wärmedämmung von Geräten.
Strahlungswärmeübertragung
Eine andere Art der Wärmeübertragung, die auf dem Phänomen der elektromagnetischen Strahlung basiert. Der Unterschied zur Konvektion und Wärmeleitung besteht darin, dass Energieübertragung auch im Vakuumraum stattfinden kann. Allerdings ist wie im ersten Fall eine Temperaturdifferenz erforderlich.
Strahlungsaustausch ist ein Beispiel für die Übertragung von Wärmeenergie von der Sonne auf die Erdoberfläche, die hauptsächlich für die Infrarotstrahlung verantwortlich ist. Um festzustellen, wie viel Wärme die Erdoberfläche erreicht, wurden zahlreiche Stationen gebaut, diebeobachten Sie die Veränderung dieses Indikators.
Konvektion
Konvektive Bewegung von Luftströmen steht in direktem Zusammenhang mit dem Phänomen der Wärmeübertragung. Unabhängig davon, wie viel Wärme wir einer Flüssigkeit oder einem Gas zufügen, beginnen sich die Moleküle der Substanz schneller zu bewegen. Aus diesem Grund nimmt der Druck des gesamten Systems ab und das Volumen nimmt im Gegenteil zu. Dies ist der Grund für die Bewegung warmer Luftströme oder anderer Gase nach oben.
Das einfachste Beispiel für die Nutzung des Phänomens der Konvektion im Alltag ist das Heizen eines Raums mit Batterien. Sie befinden sich aus einem bestimmten Grund unten im Raum, aber damit die erwärmte Luft Raum zum Aufsteigen hat, was zu einer Zirkulation der Strömungen im Raum führt.
Wie kann Wärme gemessen werden?
Die Erwärmungs- oder Abkühlungswärme wird mathematisch mit einem speziellen Gerät - einem Kalorimeter - berechnet. Die Installation wird durch ein großes, wärmeisoliertes Gefäß dargestellt, das mit Wasser gefüllt ist. Ein Thermometer wird in die Flüssigkeit getaucht, um die Anfangstemperatur des Mediums zu messen. Dann wird ein erhitzter Körper in das Wasser abgesenkt, um die Temperaturänderung der Flüssigkeit nach Herstellung des Gleichgewichts zu berechnen.
Durch Erhöhen oder Verringern von t bestimmt die Umgebung, wie viel Wärme zur Erwärmung des Körpers aufgewendet werden soll. Das Kalorimeter ist das einfachste Gerät, das Temperaturänderungen registrieren kann.
Außerdem kannst du mit einem Kalorimeter berechnen, wie viel Wärme bei der Verbrennung freigesetzt wirdSubstanzen. Dazu wird eine „Bombe“in ein mit Wasser gefülltes Gefäß gelegt. Diese „Bombe“ist ein geschlossenes Gefäß, in dem sich die Testsubstanz befindet. Daran werden spezielle Brandstiftungselektroden angeschlossen und die Kammer mit Sauerstoff gefüllt. Nach der vollständigen Verbrennung des Stoffes wird eine Temperaturänderung des Wassers registriert.
Im Laufe solcher Experimente wurde festgestellt, dass die Quellen der thermischen Energie chemische und nukleare Reaktionen sind. Kernreaktionen finden in den tiefen Schichten der Erde statt und bilden die Hauptwärmereserve für den gesamten Planeten. Sie werden auch von Menschen verwendet, um durch Kernfusion Energie zu erzeugen.
Beispiele für chemische Reaktionen sind die Verbrennung von Stoffen und der Abbau von Polymeren in Monomere im menschlichen Verdauungssystem. Die Qualität und Quantität der chemischen Bindungen in einem Molekül bestimmt, wie viel Wärme letztendlich freigesetzt wird.
Wie wird Wärme gemessen?
Die Einheit der Wärme im internationalen SI-System ist das Joule (J). Auch im Alltag werden systemfremde Einheiten verwendet – Kalorien. 1 Kalorie entspricht 4,1868 J nach dem internationalen Standard und 4,184 J basierend auf der Thermochemie. Früher gab es ein btu btu, das von Wissenschaftlern selten verwendet wird. 1 BTU=1,055 J.
