Теплота - это... Какое количество теплоты выделится при сгорании?

Все вещества обладают внутренней энергией. Эта величина характеризуется рядом физическо-химических свойств, среди которых особое внимание следует уделить теплоте. Эта величина является абстрактным математическим значением, которое описывает силы взаимодействия молекул вещества. Понимание механизма теплового обмена может помочь ответить на вопрос, какое количество теплоты выделилось при остывании и нагревании веществ, а также их сгорании.

История открытия явления теплоты

Изначально явление теплопередачи описывалось очень просто и понятно: если температура вещества повышается, оно получает теплоту, а в случае охлаждения оно выделяет ее в окружающую среду. Однако теплота – это не составная часть рассматриваемой жидкости или тела, как думали три столетия назад. Люди наивно полагали, что вещество состоит из двух частей: собственных молекул и теплоты. Сейчас мало кто помнит, что термин «температура» на латинском означает «смесь», и, к примеру, о бронзе говорили как о «температуре олова и меди».

В 17 веке появилось две гипотезы, которые могли бы понятно объяснить явление теплоты и теплопередачи. Первую предложил в 1613 году Галилей. Его формулировка звучала так: «Теплота – это необычное вещество, которое может проникать в любые тела и выходить из них». Галилей назвал это вещество теплородом. Он утверждал, что теплород не может исчезнуть или разрушиться, а только способен переходить от одного тела к другому. Соответственно, чем больше в веществе теплорода, тем выше его температура.

Вторая гипотеза появилась в 1620 году, и предложил ее философ Бэкон. Он заметил, что под сильными ударами молота железо нагревалось. Этот принцип действовал и при разжигании костра трением, что привело Бэкона к мысли о молекулярной природе теплоты. Он утверждал, что при механическом воздействии на тело его молекулы начинают биться друг об друга, увеличивать скорость передвижения и тем самым поднимать температуру.

Итогом второй гипотезы стало заключение, что теплота – это результат механического воздействия молекул вещества друг с другом. Эту теорию на протяжении долгого промежутка времени пытался обосновать и экспериментально доказать Ломоносов.

Теплота – это мера внутренней энергии вещества

Современные ученые пришли к следующему выводу: тепловая энергия является результатом взаимодействия молекул вещества, т. е. внутренней энергии тела. Скорость движения частиц зависит от температуры, а величина теплоты прямо пропорционально массе вещества. Так, ведро с водой обладает большей тепловой энергией, чем наполненная чашка. Однако блюдце с горячей жидкостью может иметь меньше теплоты, чем таз с холодной.

Теорию теплорода, которую предложил в 17 веке Галилей, опровергли ученые Дж. Джоуль и Б. Румфорд. Они доказали, что тепловая энергия не обладает какой-либо массой и характеризуется исключительно механическим движением молекул.

Какое количество теплоты выделится при сгорании вещества? Удельная теплота сгорания

На сегодняшний день универсальными и широко применяемыми источниками энергии являются торф, нефть, уголь, природный газ или древесина. При сжигании этих веществ выделяется определенное количество теплоты, которое используется для обогрева, запуска механизмов и т. д. Каким образом можно рассчитать эту величину на практике?

Для этого вводится понятие удельной теплоты сгорания. Эта величина зависит от количества теплоты, которое выделяется при сгорании 1 кг определенного вещества. Обозначается она буквой q и измеряется в Дж/кг. Ниже представлена таблица значений q некоторых наиболее распространенных видов топлива.

Инженеру при построении и расчете двигателей необходимо знать, какое количество теплоты выделится при сгорании определенного количества вещества. Для этого можно воспользоваться косвенными измерениями по формуле Q = qm, где Q – это теплота сгорания вещества, q – удельная теплота сгорания (табличное значение), а m – заданная масса.

Образование теплоты при сгорании основывается на явлении выделения энергии при образовании химических связей. Простейшим примером является сгорание углерода, который содержится в любом из видов современного топлива. Углерод сгорает в присутствии атмосферного воздуха и соединяется с кислородом, образуя углекислый газ. Формирование химической связи протекает с выделением тепловой энергии в окружающую среду, и эту энергию человек приспособился использовать в своих целях.

К сожалению, бездумное расходование таких ценных ресурсов, как нефть или торф, вскоре может привести к истощению источников добычи этих видов топлива. Уже сегодня появляются электроприборы и даже новые модели автомобилей, работа которых основана на таких альтернативных источниках энергии, как солнечный свет, вода или энергия земной коры.

Теплопередача

Способность обмена тепловой энергией внутри тела или от одного тела к другому называется теплопередачей. Это явление не происходит спонтанно и возникает только при разности температур. В простейшем случае тепловая энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока не установится равновесие.

Тела необязательно должны соприкасаться, чтобы происходило явление теплопередачи. В любом случае установление равновесия может произойти и на небольшом расстоянии между рассматриваемыми объектами, однако с меньшей скоростью, чем при их соприкосновении.

Теплопередачу можно поделить на три вида:

1. Теплопроводность.

2. Конвекция.

3. Лучистый обмен.

Теплопроводность

Это явление основано на передаче тепловой энергии между атомами или молекулами вещества. Причина передачи – хаотичное движение молекул и их постоянное соударение. Благодаря чему теплота переходит от одной молекулы к другой по цепочке.

Наблюдать явление теплопроводности можно при прокаливании любого железного материала, когда краснота на поверхности плавно распространяется и постепенно затухает (определенное количество теплоты выделяется в окружающую среду).

Ж. Фурье вывел формулу для теплового потока, которая собрала все величины, влияющие на степень теплопроводности вещества (см. рисунок ниже).

В этой формуле Q/t – тепловой поток, λ – коэффициент теплопроводимости, S - площадь поперечного сечения, T/X – отношение разности температур между концами тела, расположенными на определенном расстоянии.

Теплопроводность является табличным значением. Она имеет практическое значение при утеплении жилого дома или теплоизоляции оборудования.

Лучистый теплообмен

Еще один способ теплопередачи, который основан на явлении электромагнитного излучения. Его отличие от конвекции и теплопроводности заключается в том, что передача энергии может происходить и в вакуумном пространстве. Однако, как и в первом случае, необходимо наличие разности температур.

Лучистый обмен – это пример передачи тепловой энергии Солнца на поверхность Земли, за которую отвечает преимущественно инфракрасное излучение. Чтобы определить, какое количество теплоты попадает на земную поверхность, были построены многочисленные станции, которые следят за изменением данного показателя.

Конвекция

Конвекционное движение потоков воздуха напрямую связано с явлением теплопередачи. Независимо от того, какое количество теплоты мы сообщили жидкости или газу, молекулы вещества начинают двигаться быстрее. Из-за этого давление всей системы уменьшается, а объем, наоборот, увеличивается. Это и есть причина движения теплых потоков воздуха или других газов вверх.

Простейшим примером использования явления конвекции в быту можно назвать отопление помещения с помощью батарей. Они располагаются внизу комнаты не просто так, а чтобы нагретому воздуху было куда подыматься, что приводит к циркуляции потоков по помещению.

Как можно измерить количество теплоты?

Теплота нагревания или охлаждения рассчитывается математически с помощью специального прибора – калориметра. Установка представлена большим теплоизолированным сосудом, который заполнен водой. В жидкость опускается термометр для измерения начальной температуры среды. Затем в воду опускают нагретое тело, чтобы вычислить изменение температуры жидкости после установления равновесия.

По повышению или понижению t среды определяют, какое количество теплоты для нагревания тела следует затратить. Калориметр является простейшим устройством, которое может зарегистрировать изменение температуры.

Также с помощью калориметра можно посчитать, какое количество теплоты выделится при сгорании веществ. Для этого в сосуд, заполненный водой, помещают «бомбу». Эта "бомба" представляет собой закрытый сосуд, в котором располагается исследуемое вещество. К нему подведены специальные электроды для поджога, а камера заполнена кислородом. После полного сгорания вещества регистрируется изменение температуры воды.

В ходе подобных экспериментов установили, что источниками тепловой энергии являются химические и ядерные реакции. Ядерные реакции протекают в глубоких слоях Земли, образуя основной запас теплоты всей планеты. Также они используются человеком для получения энергии в ходе термоядерного синтеза.

Примерами химических реакции являются горение веществ и расщепление полимеров до мономеров в пищеварительной системе человека. Качество и количество химических связей в молекуле определяет, какое количество теплоты выделится в конечном итоге.

В чем измеряется теплота?

Единицей измерения теплоты в международной системе СИ является джоуль (Дж). Также в обиходе используются внесистемные единицы – калории. 1 калория равняется 4,1868 Дж по международному стандарту и 4,184 Дж исходя из термохимии. Раньше встречалась британская тепловая единица БТЕ, которая уже редко используется учеными. 1 БТЕ = 1,055 Дж.