Dutu zote zina nishati ya ndani. Thamani hii ina sifa ya idadi ya mali ya kimwili na kemikali, kati ya ambayo tahadhari maalum inapaswa kulipwa kwa joto. Kiasi hiki ni thamani dhahania ya kihesabu inayoelezea nguvu za mwingiliano kati ya molekuli za dutu. Kuelewa utaratibu wa kubadilishana joto kunaweza kusaidia kujibu swali la ni kiasi gani cha joto kilitolewa wakati wa kupoeza na kupasha joto kwa vitu, pamoja na mwako wao.
Historia ya ugunduzi wa hali ya joto
Hapo awali, hali ya uhamishaji joto ilielezewa kwa urahisi na kwa uwazi: halijoto ya kitu ikipanda, hupokea joto, na katika hali ya kupoeza, huitoa kwenye mazingira. Hata hivyo, joto si sehemu muhimu ya kioevu au mwili unaozingatiwa, kama ilivyofikiriwa karne tatu zilizopita. Watu waliamini bila kujua kwamba jambo lina sehemu mbili: molekuli zake na joto. Sasa, watu wachache wanakumbuka kwamba neno "joto" katika Kilatini linamaanisha "mchanganyiko", na, kwa mfano, walizungumza juu ya shaba kama "joto la bati na shaba."
Katika karne ya 17, dhana mbili zilionekana hivyoinaweza kuelezea wazi uzushi wa joto na uhamishaji wa joto. Ya kwanza ilipendekezwa mnamo 1613 na Galileo. Maneno yake yalikuwa: "Joto ni dutu isiyo ya kawaida ambayo inaweza kupenya ndani na nje ya mwili wowote." Galileo aliita dutu hii kuwa kalori. Alisema kuwa kalori haiwezi kutoweka au kuanguka, lakini ina uwezo wa kupita kutoka kwa mwili mmoja hadi mwingine. Ipasavyo, kadiri kaloriki inavyoongezeka katika dutu hii, ndivyo halijoto yake inavyopanda.
Nadharia ya pili ilionekana mnamo 1620, na ilipendekezwa na mwanafalsafa Bacon. Aligundua kuwa chini ya mapigo makali ya nyundo, chuma kiliwaka moto. Kanuni hii pia ilifanya kazi wakati wa kuwasha moto kwa msuguano, ambayo ilisababisha Bacon kufikiria juu ya asili ya molekuli ya joto. Alidai kuwa mwili unapoathiriwa kimitambo, molekuli zake huanza kupigana, kuongeza kasi ya mwendo na hivyo kuongeza joto.
Matokeo ya hypothesis ya pili yalikuwa hitimisho kwamba joto ni tokeo la kitendo cha kimitambo cha molekuli za dutu zenyewe. Kwa muda mrefu, Lomonosov alijaribu kuthibitisha na kwa majaribio kuthibitisha nadharia hii.
Joto ni kipimo cha nishati ya ndani ya maada
Wanasayansi wa kisasa wamefikia hitimisho lifuatalo: nishati ya joto ni matokeo ya mwingiliano wa molekuli za dutu, yaani, nishati ya ndani ya mwili. Kasi ya harakati ya chembe inategemea joto, na kiasi cha joto ni sawia moja kwa moja na wingi wa dutu hii. Kwa hivyo, ndoo ya maji ina nishati zaidi ya joto kuliko kikombe kilichojaa. Walakini, sufuria ya kioevu motoinaweza kuwa na joto kidogo kuliko beseni baridi.
Nadharia ya kalori, ambayo ilipendekezwa katika karne ya 17 na Galileo, ilikanushwa na wanasayansi J. Joule na B. Rumford. Walithibitisha kuwa nishati ya joto haina wingi wowote na ina sifa ya mwendo wa kimakanika wa molekuli.
Je, ni joto kiasi gani litakalotolewa wakati wa mwako wa dutu? Thamani mahususi ya kalori
Leo, mboji, mafuta, makaa ya mawe, gesi asilia au kuni ni vyanzo vya nishati vinavyotumika kote ulimwenguni. Dutu hizi zinapochomwa, kiasi fulani cha joto hutolewa, ambacho hutumika kupasha joto, mitambo ya kuanzia, n.k. Je, thamani hii inawezaje kuhesabiwa kwa vitendo?
Kwa hili, dhana ya joto mahususi la mwako huletwa. Thamani hii inategemea kiasi cha joto ambacho hutolewa wakati wa mwako wa kilo 1 ya dutu fulani. Inaonyeshwa na herufi q na inapimwa kwa J / kg. Ifuatayo ni jedwali la thamani q kwa baadhi ya mafuta yanayotumika sana.
Wakati wa kujenga na kukokotoa injini, mhandisi anahitaji kujua ni kiasi gani cha joto kitakachotolewa wakati kiasi fulani cha dutu kitachomwa. Ili kufanya hivyo, unaweza kutumia vipimo visivyo vya moja kwa moja kwa kutumia fomula Q=qm, ambapo Q ni joto la mwako wa dutu, q ni joto maalum la mwako (thamani ya jedwali), na m ni molekuli iliyotolewa.
Uundaji wa joto wakati wa mwako unatokana na hali ya kutolewa kwa nishati wakati wa kuunda vifungo vya kemikali. Mfano rahisi zaidi ni mwako wa kaboni, ambayo ikokatika aina yoyote ya mafuta ya kisasa. Carbon huwaka mbele ya hewa ya angahewa na huchanganyika na oksijeni kuunda kaboni dioksidi. Uundaji wa dhamana ya kemikali huendelea na kutolewa kwa nishati ya joto kwenye mazingira, na mwanadamu amejizoea kutumia nishati hii kwa madhumuni yake mwenyewe.
Kwa bahati mbaya, matumizi yasiyo ya kufikiria ya rasilimali muhimu kama vile mafuta au peat hivi karibuni yanaweza kusababisha kumalizika kwa vyanzo vya utengenezaji wa nishati hizi. Tayari leo, vifaa vya umeme na hata aina mpya za magari zinaonekana, utendakazi wake unategemea vyanzo mbadala vya nishati kama vile jua, maji au nishati ya ukoko wa dunia.
Uhamisho wa joto
Uwezo wa kubadilishana nishati ya joto ndani ya mwili au kutoka kwa mwili mmoja hadi mwingine huitwa uhamishaji joto. Jambo hili halijitokezi kwa hiari na hutokea tu kwa tofauti ya joto. Katika hali rahisi, nishati ya joto huhamishwa kutoka kwa mwili moto zaidi hadi kwenye mwili wenye joto kidogo hadi usawa utakapowekwa.
Miili si lazima iwasiliane ili hali ya uhamishaji joto kutokea. Kwa hali yoyote, uanzishwaji wa usawa unaweza pia kutokea kwa umbali mdogo kati ya vitu vinavyozingatiwa, lakini kwa kasi ya polepole kuliko wakati wanawasiliana.
Uhamisho wa joto unaweza kugawanywa katika aina tatu:
1. Ubadilishaji joto.
2. Upitishaji.
3. Kubadilishana kwa miale.
Mwengo wa joto
Hali hii inatokana na uhamishaji wa nishati ya joto kati ya atomi au molekuli za mada. Sababumaambukizi - harakati ya machafuko ya molekuli na mgongano wao wa mara kwa mara. Kutokana na hili, joto hupita kutoka molekuli moja hadi nyingine kwenye mnyororo.
Hali ya upitishaji joto inaweza kuzingatiwa wakati nyenzo yoyote ya chuma imekaushwa, wakati uwekundu kwenye uso unaenea vizuri na kufifia polepole (kiasi fulani cha joto hutolewa kwenye mazingira).
F. Fourier alitoa fomula ya mtiririko wa joto, ambayo ilikusanya kiasi vyote vinavyoathiri kiwango cha mshikamano wa joto wa dutu (ona mchoro hapa chini).
Katika fomula hii, Q/t ni mtiririko wa joto, λ ni mgawo wa upitishaji wa joto, S ni eneo la sehemu-mbali, T/X ni uwiano wa tofauti ya joto kati ya ncha za mwili zilizo katika umbali fulani.
Mwengo wa joto ni thamani ya jedwali. Ni muhimu sana wakati wa kuhami jengo la makazi au insulation ya mafuta ya vifaa.
Uhamisho wa joto mkali
Njia nyingine ya uhamishaji joto, ambayo inategemea hali ya mionzi ya sumakuumeme. Tofauti yake kutoka kwa convection na uendeshaji wa joto iko katika ukweli kwamba uhamisho wa nishati unaweza pia kutokea katika nafasi ya utupu. Hata hivyo, kama ilivyo katika kesi ya kwanza, tofauti ya halijoto inahitajika.
Ubadilishaji mng'ao ni mfano wa uhamishaji wa nishati ya joto kutoka Jua hadi kwenye uso wa Dunia, ambao unahusika zaidi na mionzi ya infrared. Ili kuamua ni kiasi gani cha joto hufikia uso wa dunia, vituo vingi vimejengwa, ambavyofuatilia mabadiliko katika kiashirio hiki.
Convection
Msogeo wa mtiririko wa hewa unahusiana moja kwa moja na hali ya uhamishaji wa joto. Bila kujali ni kiasi gani cha joto tulichotoa kwa kioevu au gesi, molekuli za dutu huanza kusonga kwa kasi zaidi. Kwa sababu ya hili, shinikizo la mfumo mzima hupungua, na kiasi, kinyume chake, huongezeka. Hii ndiyo sababu ya mikondo ya hewa ya joto au gesi nyingine kwenda juu.
Mfano rahisi zaidi wa kutumia hali ya upitishaji umeme katika maisha ya kila siku unaweza kuitwa kupasha joto chumba kwa betri. Ziko chini ya chumba kwa sababu fulani, lakini ili hewa yenye joto iwe na nafasi ya kupanda, ambayo inaongoza kwa mzunguko wa mtiririko kuzunguka chumba.
Je, joto linaweza kupimwa vipi?
Joto la kupasha joto au kupoeza huhesabiwa kimahesabu kwa kutumia kifaa maalum - kipima kalori. Ufungaji unawakilishwa na chombo kikubwa cha joto kilichojaa maji. Kipimajoto hupunguzwa ndani ya kioevu ili kupima joto la awali la kati. Kisha mwili wenye joto hupunguzwa ndani ya maji ili kuhesabu mabadiliko ya joto la kioevu baada ya usawa kuanzishwa.
Kwa kuongeza au kupunguza t, mazingira huamua ni kiasi gani cha joto cha kupasha mwili kinapaswa kutumiwa. Kipimo cha kalori ndicho kifaa rahisi zaidi kinachoweza kusajili mabadiliko ya halijoto.
Pia, kwa kutumia kalori, unaweza kuhesabu ni kiasi gani cha joto kitakachotolewa wakati wa mwako.vitu. Kwa kufanya hivyo, "bomu" huwekwa kwenye chombo kilichojaa maji. "Bomu" hii ni chombo kilichofungwa ambacho dutu ya mtihani iko. Electrodes maalum kwa ajili ya uchomaji huunganishwa nayo, na chumba kinajaa oksijeni. Baada ya mwako kamili wa dutu hii, mabadiliko katika halijoto ya maji hurekodiwa.
Katika kipindi cha majaribio kama haya, ilibainika kuwa vyanzo vya nishati ya joto ni kemikali na athari za nyuklia. Athari za nyuklia hufanyika katika tabaka za kina za Dunia, na kutengeneza hifadhi kuu ya joto kwa sayari nzima. Pia hutumiwa na binadamu kuzalisha nishati kupitia muunganisho wa nyuklia.
Mifano ya athari za kemikali ni mwako wa dutu na mgawanyiko wa polima kuwa monoma katika mfumo wa usagaji chakula wa binadamu. Ubora na wingi wa vifungo vya kemikali katika molekuli huamua ni kiasi gani cha joto hutolewa hatimaye.
Je, joto hupimwa?
Kipimo cha joto katika mfumo wa kimataifa wa SI ni joule (J). Pia katika maisha ya kila siku hutumiwa vitengo vya mbali - kalori. Kalori 1 ni sawa na 4.1868 J kulingana na kiwango cha kimataifa na 4.184 J kulingana na thermokemia. Hapo awali, kulikuwa na btu, ambayo haitumiwi sana na wanasayansi. BTU 1=1.055 J.
