Të gjitha substancat kanë energji të brendshme. Kjo vlerë karakterizohet nga një sërë vetive fizike dhe kimike, ndër të cilat vëmendje e veçantë duhet t'i kushtohet nxehtësisë. Kjo sasi është një vlerë matematikore abstrakte që përshkruan forcat e bashkëveprimit midis molekulave të një lënde. Kuptimi i mekanizmit të shkëmbimit të nxehtësisë mund të ndihmojë në përgjigjen e pyetjes se sa nxehtësi është lëshuar gjatë ftohjes dhe ngrohjes së substancave, si dhe djegia e tyre.
Historia e zbulimit të fenomenit të nxehtësisë
Fillimisht, fenomeni i transferimit të nxehtësisë u përshkrua shumë thjeshtë dhe qartë: nëse temperatura e një lënde rritet, ajo merr nxehtësi dhe në rastin e ftohjes, e lëshon atë në mjedis. Megjithatë, nxehtësia nuk është pjesë përbërëse e lëngut ose trupit në shqyrtim, siç mendohej tre shekuj më parë. Njerëzit besonin me naivitet se materia përbëhet nga dy pjesë: molekulat e saj dhe nxehtësia. Tani, pak njerëz e kujtojnë se termi "temperaturë" në latinisht do të thotë "përzierje" dhe, për shembull, ata folën për bronzin si "temperatura e kallajit dhe bakrit".
Në shekullin e 17-të, u shfaqën dy hipoteza qëmund të shpjegonte qartë fenomenin e transferimit të nxehtësisë dhe nxehtësisë. E para u propozua në 1613 nga Galileo. Formulimi i tij ishte: "Nxehtësia është një substancë e pazakontë që mund të depërtojë brenda dhe jashtë çdo trupi". Galileo e quajti këtë substancë kalorike. Ai argumentoi se kaloritë nuk mund të zhduken ose të shemben, por janë në gjendje të kalojnë vetëm nga një trup në tjetrin. Prandaj, sa më shumë kalori të jetë substanca, aq më e lartë është temperatura e saj.
Hipoteza e dytë u shfaq në vitin 1620 dhe u propozua nga filozofi Bacon. Vuri re se nën goditjet e forta të çekiçit, hekuri u nxeh. Ky parim funksiononte edhe kur ndezej një zjarr me fërkim, gjë që e shtyu Bacon të mendonte për natyrën molekulare të nxehtësisë. Ai argumentoi se kur një trup preket mekanikisht, molekulat e tij fillojnë të rrahin kundër njëra-tjetrës, rrisin shpejtësinë e lëvizjes dhe në këtë mënyrë rrisin temperaturën.
Rezultati i hipotezës së dytë ishte përfundimi se nxehtësia është rezultat i veprimit mekanik të molekulave të një lënde me njëra-tjetrën. Për një periudhë të gjatë kohore, Lomonosov u përpoq të vërtetonte dhe provonte eksperimentalisht këtë teori.
Nxehtësia është një masë e energjisë së brendshme të materies
Shkencëtarët modernë kanë arritur në përfundimin e mëposhtëm: energjia termike është rezultat i bashkëveprimit të molekulave të substancave, d.m.th., energjisë së brendshme të trupit. Shpejtësia e lëvizjes së grimcave varet nga temperatura, dhe sasia e nxehtësisë është drejtpërdrejt proporcionale me masën e substancës. Pra, një kovë me ujë ka më shumë energji termike sesa një filxhan i mbushur. Megjithatë, një disk me lëng të nxehtëmund të ketë më pak ngrohtësi se një legen i ftohtë.
Teoria e kalorive, e cila u propozua në shekullin e 17-të nga Galileo, u hodh poshtë nga shkencëtarët J. Joule dhe B. Rumford. Ata vërtetuan se energjia termike nuk ka masë dhe karakterizohet vetëm nga lëvizja mekanike e molekulave.
Sa nxehtësi do të lirohet gjatë djegies së një lënde? Vlera specifike kalorifike
Sot, torfe, nafta, qymyri, gazi natyror ose druri janë burime energjie universale dhe të përdorura gjerësisht. Kur këto substanca digjen, lirohet një sasi e caktuar nxehtësie, e cila përdoret për ngrohje, mekanizma të ndezjes etj. Si mund të llogaritet kjo vlerë në praktikë?
Për këtë, prezantohet koncepti i nxehtësisë specifike të djegies. Kjo vlerë varet nga sasia e nxehtësisë që lirohet gjatë djegies së 1 kg të një lënde të caktuar. Shënohet me shkronjën q dhe matet në J / kg. Më poshtë është një tabelë e vlerave q për disa nga karburantet më të zakonshme.
Kur ndërton dhe llogarit motorët, një inxhinier duhet të dijë se sa nxehtësi do të lirohet kur një sasi e caktuar lënde digjet. Për ta bërë këtë, mund të përdorni matje indirekte duke përdorur formulën Q=qm, ku Q është nxehtësia e djegies së substancës, q është nxehtësia specifike e djegies (vlera e tabelës) dhe m është masa e dhënë.
Formimi i nxehtësisë gjatë djegies bazohet në fenomenin e çlirimit të energjisë gjatë formimit të lidhjeve kimike. Shembulli më i thjeshtë është djegia e karbonit, e cila është e përmbajturnë çdo lloj karburanti modern. Karboni digjet në prani të ajrit atmosferik dhe bashkohet me oksigjenin për të formuar dioksid karboni. Formimi i një lidhjeje kimike vazhdon me çlirimin e energjisë termike në mjedis dhe njeriu është përshtatur ta përdorë këtë energji për qëllimet e tij.
Fatkeqësisht, shpenzimi i pamenduar i burimeve të tilla të vlefshme si nafta ose torfe mund të çojë së shpejti në varfërimin e burimeve për prodhimin e këtyre lëndëve djegëse. Tashmë sot po shfaqen pajisje elektrike, madje edhe modele të reja makinash, funksionimi i të cilave bazohet në burime alternative të energjisë si rrezet e diellit, uji apo energjia e kores së tokës.
Transferimi i nxehtësisë
Aftësia për të shkëmbyer energji termike brenda një trupi ose nga një trup në tjetrin quhet transferim i nxehtësisë. Ky fenomen nuk ndodh spontanisht dhe ndodh vetëm me një ndryshim të temperaturës. Në rastin më të thjeshtë, energjia termike transferohet nga një trup më i nxehtë në një trup më pak të nxehtë derisa të vendoset ekuilibri.
Trupat nuk duhet të jenë në kontakt që të ndodhë fenomeni i transferimit të nxehtësisë. Në çdo rast, vendosja e ekuilibrit mund të ndodhë edhe në një distancë të vogël midis objekteve në shqyrtim, por me një shpejtësi më të ngad altë se kur ato vijnë në kontakt.
Transferimi i nxehtësisë mund të ndahet në tre lloje:
1. Përçueshmëri termike.
2. Konvekcioni.
3. Shkëmbim rrezatues.
Përçueshmëri termike
Ky fenomen bazohet në transferimin e energjisë termike ndërmjet atomeve ose molekulave të materies. Shkaktransmetimi - lëvizja kaotike e molekulave dhe përplasja e vazhdueshme e tyre. Për shkak të kësaj, nxehtësia kalon nga një molekulë në tjetrën përgjatë zinxhirit.
Fenomeni i përçueshmërisë termike mund të vërehet kur çdo material hekuri kalcinohet, kur skuqja në sipërfaqe përhapet pa probleme dhe zbehet gradualisht (një sasi e caktuar nxehtësie lëshohet në mjedis).
F. Fourier nxori një formulë për rrjedhën e nxehtësisë, e cila mblodhi të gjitha sasitë që ndikojnë në shkallën e përçueshmërisë termike të një substance (shih figurën më poshtë).
Në këtë formulë, Q/t është fluksi i nxehtësisë, λ është koeficienti i përçueshmërisë termike, S është zona e prerjes tërthore, T/X është raporti i diferencës së temperaturës ndërmjet skajeve të trupit të vendosur në një distancë të caktuar.
Përçueshmëria termike është një vlerë tabelare. Është me rëndësi praktike gjatë izolimit të një ndërtese banimi ose termoizolimit të pajisjeve.
Transferim i nxehtësisë rrezatuese
Një mënyrë tjetër e transferimit të nxehtësisë, e cila bazohet në fenomenin e rrezatimit elektromagnetik. Dallimi i tij nga konveksioni dhe përcjellja e nxehtësisë qëndron në faktin se transferimi i energjisë mund të ndodhë edhe në hapësirën vakum. Megjithatë, si në rastin e parë, kërkohet një ndryshim në temperaturë.
Shkëmbimi rrezatues është një shembull i transferimit të energjisë termike nga Dielli në sipërfaqen e Tokës, e cila është kryesisht përgjegjëse për rrezatimin infra të kuq. Për të përcaktuar se sa nxehtësi arrin në sipërfaqen e tokës, janë ndërtuar stacione të shumta, të cilatmonitoroni ndryshimin në këtë tregues.
Konveksion
Lëvizja konvektive e rrjedhave të ajrit lidhet drejtpërdrejt me fenomenin e transferimit të nxehtësisë. Pavarësisht se sa nxehtësi i kemi dhënë një lëngu ose gazi, molekulat e substancës fillojnë të lëvizin më shpejt. Për shkak të kësaj, presioni i të gjithë sistemit zvogëlohet, dhe vëllimi, përkundrazi, rritet. Kjo është arsyeja e lëvizjes së rrymave të ajrit të ngrohtë ose gazeve të tjera lart.
Shembulli më i thjeshtë i përdorimit të fenomenit të konvekcionit në jetën e përditshme mund të quhet ngrohja e një dhome me bateri. Ato janë të vendosura në fund të dhomës për një arsye, por në mënyrë që ajri i nxehtë të ketë hapësirë për t'u ngritur, gjë që çon në qarkullimin e rrjedhave nëpër dhomë.
Si mund të matet nxehtësia?
Nxehtësia e ngrohjes ose ftohjes llogaritet matematikisht duke përdorur një pajisje të veçantë - një kalorimetër. Instalimi përfaqësohet nga një enë e madhe e izoluar nga nxehtësia e mbushur me ujë. Një termometër ulet në lëng për të matur temperaturën fillestare të mediumit. Pastaj një trup i nxehtë ulet në ujë për të llogaritur ndryshimin e temperaturës së lëngut pasi të vendoset ekuilibri.
Duke rritur ose ulur t, mjedisi përcakton se sa nxehtësi duhet të shpenzohet për të ngrohur trupin. Kalorimetri është pajisja më e thjeshtë që mund të regjistrojë ndryshimet e temperaturës.
Gjithashtu, duke përdorur një kalorimetër, mund të llogarisni se sa nxehtësi do të lirohet gjatë djegiessubstancave. Për ta bërë këtë, një "bombë" vendoset në një enë të mbushur me ujë. Kjo “bombë” është një enë e mbyllur në të cilën ndodhet lënda e provës. Elektroda speciale për zjarrvënie janë të lidhura me të, dhe dhoma është e mbushur me oksigjen. Pas djegies së plotë të substancës, regjistrohet një ndryshim në temperaturën e ujit.
Gjatë eksperimenteve të tilla, u konstatua se burimet e energjisë termike janë reaksionet kimike dhe bërthamore. Reaksionet bërthamore ndodhin në shtresat e thella të Tokës, duke formuar rezervën kryesore të nxehtësisë për të gjithë planetin. Ato përdoren gjithashtu nga njerëzit për të gjeneruar energji përmes shkrirjes bërthamore.
Shembuj të reaksioneve kimike janë djegia e substancave dhe zbërthimi i polimereve në monomere në sistemin tretës të njeriut. Cilësia dhe sasia e lidhjeve kimike në një molekulë përcakton se sa nxehtësi lirohet në fund.
Si matet nxehtësia?
Njësia e nxehtësisë në sistemin ndërkombëtar SI është xhaul (J). Gjithashtu në jetën e përditshme përdoren njësi jashtë sistemit - kalori. 1 kalori është e barabartë me 4,1868 J sipas standardit ndërkombëtar dhe 4,184 J në bazë të termokimisë. Më parë, ekzistonte një btu btu, e cila përdoret rrallë nga shkencëtarët. 1 BTU=1,055 J.
