In der Physik wird der Begriff "Wärme" mit der Übertragung von Wärmeenergie zwischen verschiedenen Körpern in Verbindung gebracht. Durch diese Prozesse kommt es zu einer Erwärmung und Abkühlung von Körpern sowie einer Änderung ihrer Aggregatzustände. Betrachten wir die Frage, was Wärme ist, genauer.
Konzeptkonzept
Was ist Wärme? Diese Frage kann sich jeder Mensch aus der Alltagssicht beantworten, also unter dem betrachteten Begriff die Empfindungen, die er hat, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt. In der Physik wird dieses Phänomen als der Prozess der Energieübertragung verstanden, der mit einer Änderung der Intensität der chaotischen Bewegung von Molekülen und Atomen verbunden ist, die den Körper bilden.
Im Allgemeinen können wir sagen, dass je höher die Körpertemperatur ist, desto mehr innere Energie wird in ihm gespeichert und desto mehr Wärme kann er an andere Objekte abgeben.
Hitze und Temperatur
Wenn man die Antwort auf die Frage kennt, was Wärme ist, mögen viele denken, dass dieses Konzept dem Konzept der "Temperatur" ähnlich ist, aber das ist es nicht. Wärme ist kinetische Energie, Temperatur ist ein Maß dafürEnergie. Der Prozess der Wärmeübertragung hängt also von der Masse der Substanz, von der Anzahl der Partikel, aus denen sie besteht, sowie von der Art dieser Partikel und der durchschnittlichen Geschwindigkeit ihrer Bewegung ab. Die Temperatur wiederum hängt nur vom letzten der aufgeführten Parameter ab.
Der Unterschied zwischen Wärme und Temperatur ist leicht zu verstehen, wenn Sie ein einfaches Experiment durchführen: Sie müssen Wasser in zwei Gefäße gießen, sodass ein Gefäß voll und das andere nur halb gefüllt ist. Wenn man beide Gefäße auf das Feuer stellt, kann man beobachten, dass dasjenige, in dem weniger Wasser ist, zuerst zu kochen beginnt. Damit das zweite Gefäß kocht, braucht es etwas mehr Hitze vom Feuer. Wenn beide Gefäße kochen, können Sie ihre Temperatur messen, sie ist gleich (100 oC), aber es war mehr Wärme erforderlich, damit ein volles Gefäß Wasser darin zum Kochen bringt.
Heizeinheiten
Nach der Definition von Wärme in der Physik kann man vermuten, dass sie in denselben Einheiten gemessen wird wie Energie oder Arbeit, also in Joule (J). Neben der Haupteinheit Wärme hört man im Alltag oft von Kalorien (kcal). Darunter versteht man die Wärmemenge, die auf ein Gramm Wasser übertragen werden muss, damit seine Temperatur um 1 Kelvin (K) ansteigt. Eine Kalorie entspricht 4,184 J. Sie können auch von großen und kleinen Kalorien hören, die 1 kcal bzw. 1 cal sind.
Das Konzept der Wärmekapazität
Da wir wissen, was Wärme ist, betrachten wir eine physikalische Größe, die Wärme direkt charakterisiert - die Wärmekapazität. Unter diesem KonzeptPhysik bedeutet die Wärmemenge, die einem Körper zugeführt oder entnommen werden muss, damit sich seine Temperatur um 1 Kelvin (K) ändert.
Die Wärmekapazität eines bestimmten Körpers hängt von 2 Hauptfaktoren ab:
- über die chemische Zusammensetzung und den Aggregatzustand, in dem der Körper vorliegt;
- seiner Masse.
Um diese Eigenschaft von der Masse eines Körpers unabhängig zu machen, wurde in die Wärmephysik eine weitere Größe eingeführt - die spezifische Wärmekapazität, die die von einem gegebenen Körper pro 1 kg übertragene oder aufgenommene Wärmemenge bestimmt seine Masse, wenn sich die Temperatur um 1 K ändert.
Um beispielsweise den Unterschied in der spezifischen Wärmekapazität verschiedener Substanzen deutlich zu machen, nimm 1 g Wasser, 1 g Eisen und 1 g Sonnenblumenöl und erhitze sie. Die Temperatur ändert sich am schnellsten für die Eisenprobe, dann für den Öltropfen und zuletzt für das Wasser.
Beachten Sie, dass die spezifische Wärmekapazität nicht nur von der chemischen Zusammensetzung des Stoffes abhängt, sondern auch von seinem Aggregatzustand, sowie von den äußeren physikalischen Bedingungen, unter denen er betrachtet wird (konstanter Druck oder konstantes Volumen).
Die Hauptgleichung des Wärmeübertragungsprozesses
Nachdem wir uns mit der Frage beschäftigt haben, was Wärme ist, sollte man den wichtigsten mathematischen Ausdruck angeben, der den Prozess ihrer Übertragung für absolut beliebige Körper in jedem Aggregatzustand charakterisiert. Dieser Ausdruck hat die Form: Q=cmΔT, wobei Q die übertragene (empfangene) Wärmemenge ist, c die spezifische Wärme des betreffenden Objekts ist, m -seine Masse, ΔT ist die Änderung der absoluten Temperatur, die als Differenz der Körpertemperaturen am Ende und am Anfang des Wärmeübertragungsprozesses definiert ist.
Es ist wichtig zu verstehen, dass die obige Formel immer dann gilt, wenn während des betrachteten Prozesses das Objekt seinen Aggregatzustand behält, dh es bleibt flüssig, fest oder gasförmig. Andernfalls kann die Gleichung nicht verwendet werden.
Änderung des Aggregatzustandes der Materie
Wie Sie wissen, gibt es 3 Hauptaggregatzustände, in denen sich Materie befinden kann:
- Gas;
- flüssig;
- Festkörper.
Damit ein Übergang von einem Zustand in einen anderen stattfinden kann, ist es notwendig, dass der Körper ihn informiert oder ihm Wärme entzieht. Für solche Vorgänge in der Physik wurden die Begriffe der spezifischen Schmelzwärme (Kristallisation) und Siedewärme (Kondensation) eingeführt. Alle diese Größen bestimmen die zur Änderung des Aggregatzustandes erforderliche Wärmemenge, die 1 kg Körpergewicht abgibt oder aufnimmt. Für diese Prozesse gilt die Gleichung: Q=Lm, wobei L die spezifische Wärme des entsprechenden Übergangs zwischen den Aggregatszuständen ist.
Im Folgenden sind die Hauptmerkmale der Prozesse zur Änderung des Aggregatzustands aufgeführt:
- Diese Prozesse finden bei konstanter Temperatur statt, wie Sieden oder Schmelzen.
- Sie sind reversibel. Beispielsweise ist die Wärmemenge, die ein bestimmter Körper zum Schmelzen absorbiert hat, genau gleich der Wärmemenge, die an die Umgebung abgegeben wird, wenn dieser Körper erneut vorbeigehtin einen festen Zustand.
Thermisches Gleichgewicht
Dies ist ein weiterer wichtiger Aspekt im Zusammenhang mit dem Konzept der "Wärme", der berücksichtigt werden muss. Bringt man zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt, gleicht sich nach einiger Zeit die Temperatur im gesamten System an und wird gleich. Um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen, muss ein Körper mit höherer Temperatur Wärme an das System abgeben und ein Körper mit niedrigerer Temperatur diese Wärme aufnehmen. Die Gesetze der Wärmephysik, die diesen Prozess beschreiben, können als Kombination der Hauptgleichung für die Wärmeübertragung und der Gleichung, die die Änderung des Aggregatzustands der Materie bestimmt (falls vorhanden), ausgedrückt werden.
Ein eindrucksvolles Beispiel für den Prozess der spontanen Einstellung des thermischen Gleichgewichts ist eine glühende Eisenstange, die ins Wasser geworfen wird. In diesem Fall gibt das heiße Bügeleisen Wärme an das Wasser ab, bis seine Temperatur gleich der Temperatur der Flüssigkeit ist.
Grundlegende Methoden der Wärmeübertragung
Alle dem Menschen bekannten Prozesse, die mit dem Austausch von Wärmeenergie einhergehen, laufen auf drei verschiedene Arten ab:
- Wärmeleitfähigkeit. Damit ein solcher Wärmeaustausch stattfinden kann, ist der Kontakt zwischen zwei Körpern mit unterschiedlichen Temperaturen notwendig. In der Kontaktzone auf lokaler molekularer Ebene wird kinetische Energie von einem heißen auf einen k alten Körper übertragen. Die Geschwindigkeit dieser Wärmeübertragung hängt von der Fähigkeit der beteiligten Körper ab, Wärme zu leiten. Ein markantes Beispiel für Wärmeleitfähigkeit istMensch berührt einen Metallstab.
- Konvektion. Dieser Prozess erfordert die Bewegung von Materie und wird daher nur in Flüssigkeiten und Gasen beobachtet. Das Wesen der Konvektion ist wie folgt: Wenn Gas- oder Flüssigkeitsschichten erhitzt werden, nimmt ihre Dichte ab, sodass sie dazu neigen, aufzusteigen. Während ihres Anstiegs des Flüssigkeits- oder Gasvolumens übertragen sie Wärme. Ein Beispiel für Konvektion ist das Kochen von Wasser in einem Wasserkocher.
- Strahlung. Dieser Prozess der Wärmeübertragung erfolgt aufgrund der Emission elektromagnetischer Strahlung verschiedener Frequenzen durch einen erhitzten Körper. Sonnenlicht ist ein Paradebeispiel für Strahlung.
