לכל החומרים יש אנרגיה פנימית. ערך זה מאופיין במספר תכונות פיזיקליות וכימיות, ביניהן יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לחום. כמות זו היא ערך מתמטי מופשט המתאר את כוחות האינטראקציה בין מולקולות החומר. הבנת מנגנון חילופי החום יכולה לעזור לענות על השאלה כמה חום השתחרר במהלך הקירור והחימום של חומרים, כמו גם בעירתם.
היסטוריה של גילוי תופעת החום
בתחילה תופעת העברת החום תוארה בצורה מאוד פשוטה וברורה: אם הטמפרטורה של חומר עולה, הוא קולט חום, ובמקרה של קירור הוא משחרר אותו לסביבה. עם זאת, חום אינו חלק בלתי נפרד מהנוזל או מהגוף הנדון, כפי שחשבו לפני שלוש מאות שנים. אנשים האמינו בתמימות שהחומר מורכב משני חלקים: מולקולות משלו וחום. כעת, מעט אנשים זוכרים שהמונח "טמפרטורה" בלטינית פירושו "תערובת", ולדוגמה, הם דיברו על ברונזה כ"טמפרטורת הפח והנחושת."
במאה ה-17 הופיעו שתי השערות לכךיכול להסביר בבירור את תופעת החום והעברת החום. הראשון הוצע בשנת 1613 על ידי גלילאו. הניסוח שלו היה: "חום הוא חומר יוצא דופן שיכול לחדור לכל גוף ומחוצה לו". גלילאו כינה את החומר הזה קלורי. הוא טען שקלוריות לא יכולות להיעלם או לקרוס, אלא רק מסוגלות לעבור מגוף אחד למשנהו. בהתאם לכך, ככל שיש יותר קלוריות בחומר, כך הטמפרטורה שלו גבוהה יותר.
ההשערה השנייה הופיעה ב-1620, והוצעה על ידי הפילוסוף בייקון. הוא שם לב שתחת המכות החזקות של הפטיש, הברזל התחמם. עיקרון זה פעל גם בעת הצתת אש באמצעות חיכוך, מה שהוביל את בייקון לחשוב על הטבע המולקולרי של החום. הוא טען שכאשר גוף מושפע מכנית, המולקולות שלו מתחילות להכות זו בזו, להגביר את מהירות התנועה ובכך להעלות את הטמפרטורה.
תוצאת ההשערה השנייה הייתה המסקנה שחום הוא תוצאה של פעולה מכנית של מולקולות של חומר זו עם זו. במשך תקופה ארוכה ניסה לומונוסוב לבסס ולהוכיח בניסוי את התיאוריה הזו.
חום הוא מדד לאנרגיה הפנימית של החומר
מדענים מודרניים הגיעו למסקנה הבאה: אנרגיה תרמית היא תוצאה של האינטראקציה של מולקולות החומר, כלומר, האנרגיה הפנימית של הגוף. מהירות התנועה של חלקיקים תלויה בטמפרטורה, וכמות החום עומדת ביחס ישר למסה של החומר. אז, לדלי מים יש יותר אנרגיה תרמית מאשר כוס מלאה. עם זאת, צלוחית של נוזל חםעשוי להיות פחות חום מאגן קר.
תורת הקלוריות, שהוצעה במאה ה-17 על ידי גלילאו, הופרכה על ידי המדענים ג'יי ג'ול וב' רומפורד. הם הוכיחו שלאנרגיה תרמית אין מסה כלשהי והיא מאופיינת אך ורק על ידי תנועה מכנית של מולקולות.
כמה חום ישתחרר במהלך בעירה של חומר? ערך קלורי ספציפי
כיום, כבול, נפט, פחם, גז טבעי או עץ הם מקורות אנרגיה אוניברסליים בשימוש נרחב. כאשר חומרים אלו נשרפים, משתחררת כמות מסוימת של חום המשמש לחימום, מנגנוני התנעה וכדומה. כיצד ניתן לחשב ערך זה בפועל?
לשם כך מוצג המושג של חום בעירה ספציפי. ערך זה תלוי בכמות החום המשתחררת בעת בעירה של 1 ק"ג מחומר מסוים. הוא מסומן באות q ונמדד ב-J / ק"ג. להלן טבלה של ערכי q עבור כמה מהדלקים הנפוצים ביותר.
בעת בנייה וחישוב מנועים, מהנדס צריך לדעת כמה חום ישתחרר כאשר כמות מסוימת של חומר נשרף. לשם כך, ניתן להשתמש במדידות עקיפות באמצעות הנוסחה Q=qm, כאשר Q הוא חום הבעירה של החומר, q הוא חום הבעירה הסגולי (ערך טבלה), ו-m הוא המסה הנתונה.
היווצרות חום בזמן בעירה מבוססת על תופעת שחרור אנרגיה בזמן יצירת קשרים כימיים. הדוגמה הפשוטה ביותר היא הבעירה של פחמן, שהוא מכילבכל סוג של דלק מודרני. פחמן נשרף בנוכחות אוויר אטמוספרי ומתחבר עם חמצן ליצירת פחמן דו חמצני. יצירת קשר כימי ממשיכה עם שחרור אנרגיה תרמית לסביבה, והאדם הסתגל להשתמש באנרגיה זו למטרותיו שלו.
למרבה הצער, הוצאות חסרות מחשבה של משאבים יקרי ערך כמו נפט או כבול עלולה להוביל בקרוב לדלדול המקורות לייצור דלקים אלה. כבר היום מופיעים מכשירים חשמליים ואפילו דגמים חדשים של מכוניות, שהפעלתם מבוססת על מקורות אנרגיה חלופיים כמו אור שמש, מים או אנרגיית קרום כדור הארץ.
העברת חום
היכולת להחליף אנרגיה תרמית בתוך גוף או מגוף אחד למשנהו נקראת העברת חום. תופעה זו אינה מתרחשת באופן ספונטני ומתרחשת רק בהפרש טמפרטורה. במקרה הפשוט ביותר, אנרגיה תרמית מועברת מגוף חם יותר לגוף פחות מחומם עד שנוצר שיווי משקל.
גופים לא חייבים להיות במגע כדי שתופעת העברת החום תתרחש. בכל מקרה, כינון שיווי המשקל יכולה להתרחש גם במרחק קטן בין העצמים הנבדקים, אך במהירות איטית יותר מאשר כאשר הם באים במגע.
ניתן לחלק את העברת החום לשלושה סוגים:
1. מוליכות תרמית.
2. הסעה.
3. חליפין זוהר.
מוליכות תרמית
תופעה זו מבוססת על העברת אנרגיה תרמית בין אטומים או מולקולות של חומר. גורםהעברה - תנועה כאוטית של מולקולות והתנגשות מתמדת שלהן. בשל כך, חום עובר ממולקולה אחת לאחרת לאורך השרשרת.
ניתן להבחין בתופעת המוליכות התרמית כאשר כל חומר ברזל מסוייד, כאשר האדמומיות על פני השטח מתפשטת בצורה חלקה ומתפוגגת בהדרגה (כמות מסוימת של חום משתחררת לסביבה).
F. פורייה גזרה נוסחה לזרימת חום, שאספה את כל הכמויות המשפיעות על מידת המוליכות התרמית של חומר (ראה איור למטה).
בנוסחה זו, Q/t הוא שטף החום, λ הוא מקדם המוליכות התרמית, S הוא שטח החתך, T/X הוא היחס בין הפרש הטמפרטורה בין קצוות הגוף הממוקמים ב מרחק מסוים.
מוליכות תרמית היא ערך טבלאי. יש חשיבות מעשית בעת בידוד בניין מגורים או בידוד תרמי של ציוד.
העברת חום קרינה
דרך נוספת להעברת חום, המבוססת על תופעת הקרינה האלקטרומגנטית. ההבדל שלו מהסעה והולכת חום טמון בעובדה שהעברת אנרגיה יכולה להתרחש גם בחלל ואקום. עם זאת, כמו במקרה הראשון, נדרש הפרש טמפרטורה.
החלפת קרינה היא דוגמה להעברת אנרגיה תרמית מהשמש אל פני כדור הארץ, האחראית בעיקר לקרינה אינפרא אדומה. כדי לקבוע כמה חום מגיע לפני השטח של כדור הארץ, נבנו תחנות רבות, אשרעקוב אחר השינוי במחוון זה.
הסעה
תנועת הסעה של זרימות אוויר קשורה ישירות לתופעת העברת החום. ללא קשר לכמות החום שהעברנו לנוזל או לגז, המולקולות של החומר מתחילות לנוע מהר יותר. בגלל זה, הלחץ של המערכת כולה יורד, והנפח, להיפך, גדל. זו הסיבה לתנועה של זרמי אוויר חמים או גזים אחרים כלפי מעלה.
הדוגמה הפשוטה ביותר לשימוש בתופעת הסעה בחיי היומיום יכולה להיקרא חימום חדר באמצעות סוללות. הם ממוקמים בתחתית החדר מסיבה כלשהי, אבל כדי שלאוויר המחומם יהיה מקום לעלות, מה שמוביל למחזור של זרמים ברחבי החדר.
איך ניתן למדוד חום?
חום החימום או הקירור מחושב באופן מתמטי באמצעות מכשיר מיוחד - קלורימטר. המתקן מיוצג על ידי כלי גדול מבודד חום מלא במים. מדחום מורידים לתוך הנוזל כדי למדוד את הטמפרטורה הראשונית של המדיום. לאחר מכן מורידים גוף מחומם למים כדי לחשב את השינוי בטמפרטורה של הנוזל לאחר יצירת שיווי המשקל.
על ידי הגדלה או הקטנה של t, הסביבה קובעת כמה חום לחימום הגוף צריך לבזבז. הקלורימטר הוא המכשיר הפשוט ביותר שיכול לרשום שינויי טמפרטורה.
כמו כן, באמצעות מד קלוריות, ניתן לחשב כמה חום ישתחרר במהלך הבעירהחומרים. לשם כך, "פצצה" מונחת בכלי מלא במים. "פצצה" זו היא כלי סגור שבו נמצא החומר הנבדק. אלקטרודות מיוחדות להצתה מחוברות אליו, והחדר מלא בחמצן. לאחר הבעירה המלאה של החומר, נרשם שינוי בטמפרטורת המים.
במהלך ניסויים כאלה, נקבע שמקורות האנרגיה התרמית הם תגובות כימיות וגרעוניות. תגובות גרעיניות מתרחשות בשכבות העמוקות של כדור הארץ, ויוצרות את הרזרבה העיקרית של חום עבור כדור הארץ כולו. הם משמשים גם את בני האדם להפקת אנרגיה באמצעות היתוך גרעיני.
דוגמאות לתגובות כימיות הן בעירה של חומרים ופירוק פולימרים למונומרים במערכת העיכול האנושית. האיכות והכמות של קשרים כימיים במולקולה קובעות כמה חום משתחרר בסופו של דבר.
איך מודדים חום?
יחידת החום במערכת ה-SI הבינלאומית היא ג'אול (J). גם בחיי היומיום משמשים יחידות מחוץ למערכת - קלוריות. 1 קלוריה שווה ל-4.1868 J לפי התקן הבינלאומי ו-4.184 J על בסיס תרמוכימיה. בעבר, היה btu btu, המשמש לעתים רחוקות על ידי מדענים. 1 BTU=1.055 J.
