Katika fizikia, dhana ya "joto" inahusishwa na uhamisho wa nishati ya joto kati ya miili tofauti. Kutokana na taratibu hizi, inapokanzwa na baridi ya miili, pamoja na mabadiliko katika majimbo yao ya mkusanyiko, hutokea. Hebu tuzingatie kwa undani zaidi swali la joto ni nini.
Dhana ya dhana
Joto ni nini? Kila mtu anaweza kujibu swali hili kutoka kwa mtazamo wa kila siku, ikimaanisha chini ya dhana inayozingatiwa hisia ambazo anazo wakati joto la mazingira linapoongezeka. Katika fizikia, jambo hili linaeleweka kama mchakato wa uhamishaji nishati unaohusishwa na mabadiliko ya ukubwa wa mwendo wa machafuko wa molekuli na atomi zinazounda mwili.
Kwa ujumla, tunaweza kusema kwamba kadiri halijoto ya mwili inavyoongezeka, ndivyo nishati ya ndani inavyohifadhiwa ndani yake, na ndivyo joto inavyoweza kutoa kwa vitu vingine.
Joto na halijoto
Kujua jibu la swali la joto ni nini, wengi wanaweza kufikiria kuwa dhana hii ni sawa na dhana ya "joto", lakini sivyo. Joto ni nishati ya kinetic, joto ni kipimo cha hiinishati. Kwa hiyo, mchakato wa uhamisho wa joto hutegemea wingi wa dutu, kwa idadi ya chembe zinazounda, pamoja na aina ya chembe hizi na kasi ya wastani ya harakati zao. Kwa upande mwingine, halijoto inategemea tu mwisho wa vigezo vilivyoorodheshwa.
Tofauti kati ya joto na halijoto ni rahisi kuelewa ikiwa utafanya jaribio rahisi: unahitaji kumwaga maji kwenye vyombo viwili ili chombo kimoja kijae na kingine kijae nusu tu. Kuweka vyombo vyote viwili kwenye moto, mtu anaweza kuona kwamba moja ambayo kuna maji kidogo huanza kuchemsha kwanza. Ili chombo cha pili kichemke, kitahitaji joto zaidi kutoka kwa moto. Wakati vyombo vyote viwili vinachemka, unaweza kupima joto lao, litakuwa sawa (100 oC), lakini joto zaidi lilihitajika kwa chombo kilichojaa kuchemsha maji ndani yake.
Vizio vya joto
Kulingana na ufafanuzi wa joto katika fizikia, mtu anaweza kukisia kuwa hupimwa kwa vitengo sawa na nishati au kazi, yaani, katika joules (J). Mbali na kitengo kikuu cha joto, katika maisha ya kila siku unaweza mara nyingi kusikia kuhusu kalori (kcal). Dhana hii inaeleweka kuwa kiasi cha joto kinachohitaji kuhamishiwa kwenye gramu moja ya maji ili joto lake lipande kwa kelvin 1 (K). Kalori moja ni sawa na 4.184 J. Pia unaweza kusikia kuhusu kalori kubwa na ndogo, ambazo ni kcal 1 na 1 mtawalia.
Dhana ya uwezo wa joto
Kwa kujua joto ni nini, hebu tuzingatie idadi halisi inayoibainisha moja kwa moja - uwezo wa joto. Chini ya dhana hii,fizikia maana yake ni kiasi cha joto kinachopaswa kutolewa au kuchukuliwa kutoka kwa mwili ili halijoto yake ibadilike kwa kelvin 1 (K).
Uwezo wa joto wa mwili fulani unategemea mambo makuu 2:
- juu ya utungaji wa kemikali na hali ya muunganisho ambapo mwili unawasilishwa;
- ya misa yake.
Ili kufanya sifa hii isitegemee uzito wa kitu, katika fizikia ya joto kiasi kingine kilianzishwa - uwezo mahususi wa joto, ambao huamua kiasi cha joto kinachohamishwa au kuchukuliwa na mwili fulani kwa kilo 1 ya uzito wake wakati halijoto inabadilika kwa 1 K.
Ili kuonyesha kwa uwazi tofauti katika uwezo mahususi wa joto kwa vitu mbalimbali, kwa mfano, chukua 1 g ya maji, 1 g ya chuma na 1 g ya mafuta ya alizeti na uwape moto. Halijoto itabadilika haraka sana kwa sampuli ya chuma, kisha kwa kushuka kwa mafuta, na kudumu kwa maji.
Kumbuka kwamba uwezo mahususi wa joto hautegemei tu muundo wa kemikali wa dutu hii, lakini pia juu ya hali ya mkusanyiko wake, na vile vile hali ya nje ya mwili ambayo inazingatiwa (shinikizo la mara kwa mara au kiasi kisichobadilika).
Mlinganyo mkuu wa mchakato wa kuhamisha joto
Baada ya kushughulika na swali la joto ni nini, mtu anapaswa kutoa usemi kuu wa kihesabu ambao unaashiria mchakato wa uhamishaji wake kwa miili yoyote katika hali yoyote ya mkusanyiko. Usemi huu una namna: Q=cmΔT, ambapo Q ni kiasi cha joto lililohamishwa (lililopokelewa), c ni joto maalum la kitu kinachohusika, m -wingi wake, ΔT ni badiliko la halijoto kamili, ambayo inafafanuliwa kama tofauti ya halijoto ya mwili mwishoni na mwanzoni mwa mchakato wa kuhamisha joto.
Ni muhimu kuelewa kwamba fomula iliyo hapo juu itakuwa halali wakati wote, wakati wa mchakato unaozingatiwa, kitu kikiwa na hali yake ya kujumlishwa, yaani, kinabaki kuwa kioevu, kigumu au gesi. Vinginevyo, mlinganyo hauwezi kutumika.
Mabadiliko katika hali ya ujumlishaji wa jambo
Kama unavyojua, kuna hali kuu 3 za jumla ambazo jambo linaweza kuwa:
- gesi;
- kioevu;
- mwili imara.
Ili mpito kutoka hali moja hadi nyingine kutokea, ni muhimu kwa mwili kutoa taarifa au kuondoa joto kutoka humo. Kwa michakato kama hii katika fizikia, dhana za joto maalum za kuyeyuka (crystallization) na kuchemsha (condensation) zilianzishwa. Idadi hizi zote huamua kiasi cha joto kinachohitajika ili kubadilisha hali ya mkusanyiko, ambayo hutoa au inachukua kilo 1 ya uzito wa mwili. Kwa michakato hii, mlinganyo ni halali: Q=Lm, ambapo L ni joto mahususi la mpito unaolingana kati ya hali ya maada.
Zifuatazo ni sifa kuu za michakato ya kubadilisha hali ya kujumlisha:
- Michakato hii hufanyika kwa halijoto isiyobadilika, kama vile kuchemsha au kuyeyuka.
- Zinaweza kutenduliwa. Kwa mfano, kiasi cha joto ambacho mwili fulani hufyonzwa ili kuyeyuka kitakuwa sawa kabisa na kiasi cha joto kitakachotolewa kwenye mazingira ikiwa mwili huu utapita tena.kwa hali thabiti.
Msawazo wa joto
Hili ni suala lingine muhimu linalohusiana na dhana ya "joto" ambalo linahitaji kuzingatiwa. Ikiwa miili miwili yenye joto tofauti huletwa, basi baada ya muda joto katika mfumo mzima litatoka na kuwa sawa. Ili kufikia usawa wa joto, mwili wenye joto la juu lazima utoe joto kwenye mfumo, na mwili wenye joto la chini lazima ukubali joto hili. Sheria za fizikia ya joto zinazoelezea mchakato huu zinaweza kuonyeshwa kama mseto wa mlinganyo mkuu wa uhamishaji joto na mlinganyo ambao huamua mabadiliko katika hali ya jumla ya maada (ikiwa ipo).
Mfano wa kuvutia wa mchakato wa uanzishaji wa moja kwa moja wa usawa wa joto ni pau ya chuma-moto-nyekundu ambayo hutupwa ndani ya maji. Katika hali hii, chuma cha moto kitatoa joto kwa maji hadi joto lake liwe sawa na joto la kioevu.
Njia za kimsingi za kuhamisha joto
Michakato yote inayojulikana kwa mwanadamu ambayo huendana na ubadilishanaji wa nishati ya joto hutokea kwa njia tatu tofauti:
- Mwengo wa joto. Ili kubadilishana joto kutokea kwa njia hii, mawasiliano kati ya miili miwili yenye joto tofauti ni muhimu. Katika eneo la mawasiliano katika kiwango cha Masi ya ndani, nishati ya kinetic huhamishwa kutoka kwa mwili wa moto hadi kwenye baridi. Kiwango cha uhamisho huu wa joto hutegemea uwezo wa miili inayohusika kufanya joto. Mfano wa kushangaza wa conductivity ya mafuta nibinadamu akigusa fimbo ya chuma.
- Convection. Utaratibu huu unahitaji harakati ya suala, kwa hiyo inazingatiwa tu katika vinywaji na gesi. Kiini cha convection ni kama ifuatavyo: wakati tabaka za gesi au kioevu zinapokanzwa, wiani wao hupungua, hivyo huwa na kuinuka. Wakati wa kupanda kwao kwa kiasi cha kioevu au gesi, huhamisha joto. Mfano wa upitishaji maji ni mchakato wa kuchemsha maji kwenye aaaa.
- Mionzi. Utaratibu huu wa uhamisho wa joto hutokea kutokana na utoaji wa mionzi ya umeme ya masafa mbalimbali na mwili wa joto. Mwangaza wa jua ni mfano mkuu wa miale.
