Топлина
История на изследванията на топлината, идеи за топлина
Физиците, които исторически са изучавали и измервали топлинните явления, първоначално не са правили добра разлика между топлината и температурата. Те обаче си задаваха въпроса - какво всъщност измерва термометърът? Французинът Гийом Амонтонс (1663 - 1705), който измерва температурата и изгражда един вид термометър, твърди през 17 век, че термометърът не дава количеството топлина, а степента на нагряване на тялото. Термометърът показва някакво мигновено "вътрешно" състояние на тялото. Днес ние считаме тази теория за правилна, въпреки че професионалният свят не я е приел по това време.
Отговорът на въпроса какво е топлина се е развил с течение на времето. Отначало се смяташе, че топлината и студът са две различни вещества, които се разменят. Днес знаем, че това не е била правилната теория и че студът е просто липса на топлина. По-късно възниква теорията, че топлината е наречена фина, нетежима, невидима, гъвкава течност калорични (според която днес се нарича една от единиците топлина - калории), която прониква във всички възможни видове материя и остава в пролуките между частиците. Тази теория успя да даде задоволително обяснение за някои топлинни явления (например защо едно тяло може да се нагрее от друго).
Бенджамин Томсън (наричан по-късно граф Ръмфорд) обаче направи експеримент, който доказа несъществуването на калориите. Направи го в артилерийските работилници в Мюнхен, където проби оръдия главно с мъртви тъпи стомани. Те основно се зачервиха и след известно време водата, използвана за охлаждането им, започна да кипи. Ако калоричната киселина изтече от цевта на оръдието в резултат на сондажа, нейното снабдяване в крайна сметка ще трябва да се изчерпи. Но това не се случи със седмици. Следователно Rumord заключава, че топлината е движение, а не материя. Той го характеризира като определен начин на движение на частиците, който зависи от температурата и затова го наричаме топлинно движение.
Топлината е специален начин за пренос на вътрешна енергия между телата, същността на която не е работа (тоест, когато доставяме енергия на газа в балон чрез компресия, ние работим и ако в резултат температурата на газа се повиши, не сме предали топлина) или химическа работа. Трябва да се отбележи, че топлината е само пренос на енергия, осигурен от движението на частиците, а не самата енергия. Така че не можем да кажем, че някакво тяло „има топлина“, а само че някаква топлина е била предадена или получена.
Разсейване на топлината (обмен)
Топлината може да се обменя (разпространява) между телата. Вторият закон на термодинамиката казва, че топлината преминава от по-топлото тяло към по-студеното (т.е. по-топлото тяло предава топлина към по-студеното), никога обратното. Топлината може да се разпространява по 3 различни начина: управление, поток а радиация (радиация).
Топлопроводимост тя работи така, че атомите в частта на тялото с по-висока температура да трептят по-бързо и по този начин се сблъскват с атомите на частта на тялото с по-ниска температура. В резултат на това те прехвърлят и вибрират част от енергията си по-бавно от преди, но атомите, получили енергията, трептят по-бързо от преди. Чрез трептене енергията се разпространява в тялото, докато температурите се изравнят. Топлопроводимост възниква и между телата, които те докосват. По-топло тяло предава топлина на по-студено, докато температурите се изравнят. Някои вещества (особено металите) провеждат много добре топлината, поради което ги наричаме топлопроводи. Някои вещества (дърво, стъкло, пластмаси, въздух) провеждат лошо топлината, поради което ги наричаме топлоизолатори. Извиква се контейнер, облицован с изолатор (който осигурява възможно най-малкото изтичане на топлина от него) калориметър. Използваме калориметър във физиката за експерименти с топлина. Пример за калориметър е термосът.
Поток топлината се разпространява в течности, т.е. течности а газове. Пример е потокът от вода от котел за централно отопление към радиатори. В по-малките къщи може да се използва спонтанен поток (горещата течност се издига нагоре поради по-ниска плътност, а студът спада надолу), но при транспортиране на гореща вода към по-голям брой радиатори трябва да се използва помпа. Ако смесим едно и също количество две еднакви течности с различни температури, получената температура ще бъде приблизително равна на средната аритметична стойност на температурите на първоначалните течности. Почти защото част от топлината изтича в околността и така получената температура ще бъде малко по-ниска. Ако искаме да определим получената температура след смесване на различни количества течности, можем да използваме т.нар смесително уравнение, което също обсъждам в статията Линейни уравнения и словни задачи, решени с тях.
Топлината също може да се разпространи радиация. Не се изисква среда за разпространение на топлина чрез радиация, по този начин тя може да се разпространява и във вакуум. Радиацията разпространява топлина към нас от слънцето, тъй като има вакуум между него и Земята. Слънцето ни излъчва три вида радиация видими (което ние виждаме като класическа светлина, съставлява 48% от слънчевата светлина), инфрачервена (което ние чувстваме като топлина, съставлява 45% от слънчевата радиация) и ултравиолетова (което причинява потъмняване на кожата - тен, в прекомерна доза може да увреди кожата, очите и да причини рак, представлява 7% от слънчевата светлина). Видимата светлина се преподава в 8 клас, ултравиолетовото и инфрачервеното лъчение само в гимназията.
Топлината като физическо количество и изчисляване на топлината
Топлината е физическа величина с марка Въпрос: и съюз Джоул [jaul], марката джаули е J.
Нека се опитаме да изведем как да изчисляваме топлината: От опит знаем, че колкото повече вещества се нуждаем за нагряване, толкова повече енергия консумираме. Не можем да изразим количеството на веществото по обем, тъй като то се променя с температурата, затова го изразяваме с тегло (м). Освен това знаем, че колкото повече енергия изразходваме, толкова повече се нуждаем от нагряване на веществото и ще го изразим температурна разлика респ. промяна на температурата (.Т).
Всяко вещество обаче се нуждае от различно количество топлина, за да нагрее определено количество от него. Това свойство на веществата се нарича физическа величина масов топлинен капацитет, нейната марка е ° С и единица J / kg • ° C респ. J • kg -1 • ° C -1 (джаула на килограм, умножен по градус по Целзий). Стойностите на масовия топлинен капацитет на дадените вещества могат да бъдат намерени в таблиците.
Следователно формулата за изчисляване на топлината е Q = m • c • Δt.
Енергийна стойност на храната
Всичко живо изисква енергия за поддържане на дейности като растеж, движение или поддържане на телесната температура. Някои растения и животни са източник на храна за хората, така че те са източник на енергия за тях. Има няколко метода, чрез които може да се определи енергийната стойност на храната. Можем да използваме лабораторни методи за определяне на количеството енергия в храната, като я изгаряме и произведената топлина показва нейната енергийна стойност. Количеството енергия, съдържащо се в храната, се дава в джаули или килоджаули (J, kJ) или в по-стари единици калории, респ. килокалории (кал, kcal). Обикновено се дава на 100 грама (т.е. каква енергийна стойност е 100g от дадена храна).
Какво означава по-старата калорийна единица? Определя се като количеството енергия, необходимо за 1 g вода, от 14,5 ° C до 15,5 ° C (не е достатъчно просто да се напише около 1 ° C, тъй като с температурата масовият топлинен капацитет също леко се променя). Една калория е приблизително 4.185J.