Във физиката, особено термодинамиката, топлината се определя като:

предаване

Приносът на енергия, трансформирана в резултат на химическа или ядрена реакция и прехвърлена между две системи или между две части на една и съща система.

Това количество енергия не се дължи на работата или преобразуването между два различни вида енергия.

Следователно топлината е форма на пренесена енергия, а не форма на задържана енергия, като вътрешната енергия. Нарича се още топлинна енергия.

Топлината и работата са форми на енергия, които не могат да бъдат свързани със състоянието на системата, тоест с нейната равновесна конфигурация. По-специално и двете форми на енергия се разпознават в момента, в който преминават, текат.

Творбата идентифицира момента, в който силата прави промяна. С други думи, работните потоци се случват в момента, в който се случат; както и топлинната енергия се идентифицира само в момента на нейното предаване.

Единици за изразяване на топлина

Топлината се измерва в Международната система в джаули.

На практика обаче все още често се използва като мерна единица за калории.

Калория е количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на грам дестилирана вода с един градус по Целзий. Това определение е валидно при условия на налягане от 1 атм.

Понякога се използват и чисто технически единици: като kWh или BTU.

Какво е специфична топлина?

Специфичната топлина (или специфична топлинна маса на веществото) се определя като: количеството топлина, необходимо за увеличаване или намаляване на температурата на единица маса с един келвин.

Нека си припомним, че разликата между градус по Целзий и келвин е еднаква.

Подобно количество е специфичната моларна топлина, тя се определя като: количеството топлина, необходимо за повишаване или намаляване на температурата на мол вещество с една степен.

В международната система мерната единица за специфична топлина е J/(K · kg), дори ако kcal/(kg × ° C) се използва много, докато тази на моларната топлина е J/(K · mol).

Какви са ефектите от топлината?

Ефектите от трансфера на топлинна енергия са описани от първия закон на термодинамиката в най-общия му вид:

където,
ΔE -> показва промяна във всяка форма на енергия (като вътрешна енергия, кинетична енергия или потенциална енергия).
Q -> представлява топлина.
W -> показва работата (чрез промяна на обема или изохорично).

Последиците от преноса на топлинна енергия могат да бъдат главно два вида:

  1. вариране на енергията
  2. обмен на работа.

Една конкретна форма на енергия, която може да се промени след преминаването на топлината, е вътрешната енергия. Промяната във вътрешната енергия може да има различни последици, включително промяна в температурата или промяна в състоянието на агрегация.

Какво са латентна топлина и разумна топлина?

Ако преносът на топлина води до промяна в агрегатното състояние, то приема името латентна топлина. Ако трансферът води до намаляване на температурната разлика (тъй като двете системи или двете части на една и съща система са склонни да достигнат топлинно равновесие), ние говорим за разумна топлина.

Класическата формула за чувствителна топлина е:

докато тази на латентната топлина е:

И накрая, в случай, че трансферът на топлинна енергия включва както намаляване на температурната разлика, така и фазова промяна, тази топлина може да се разглежда като сбор от два приноса:

  1. принос, свързан със разумната топлина
  2. принос, свързан със скрита топлина.

Пример

Например, повишаването на температурата на водата от 20 ° C до 50 ° C при стандартни условия (т.е. при налягане от 1 атм) се определя от факта, че се осигурява разумна топлина. Ако водата вече е достигнала температурата на кипене, тя съхранява енергия (под формата на латентна топлина), запазвайки температурата си непроменена, докато настъпи промяната на фазата от течност към пара.

Поради тази причина струя водна пара при 100 ° C, която има енергия, складирана по време на преминаването на състоянието, може да причини по-тежки изгаряния от водата в течно състояние при същата температура.

Топлината на реакцията се отнася и когато топлината се консумира или генерира от химическа реакция.

Каква е връзката между топлинната енергия, температурата и вътрешната енергия?

Топлината не е свойство, свързано с термодинамична равновесна конфигурация. При наличие на температурен градиент, топлинната енергия тече от точки при по-високи температури към тези при по-ниски температури, докато се постигне топлинно равновесие.

Количеството топлообмен зависи от конкретния път, последван от трансформацията, за да се стигне от първоначалното състояние до крайното състояние.

С други думи, топлината не е функция на състоянието.

Вътрешна енергия

Вместо това вътрешната енергия е функция на състоянието, свързано с равновесна конфигурация (или термодинамично състояние) на системата, в зависимост от променливите на състоянието.

За вътрешната температура и енергия те имат логически изрази (т.е. те са научно правилни) като: „тялото има определена температура, има определена вътрешна енергия, придобива енергия, дава енергия“.

Транзитна енергия

От друга страна, топлинната енергия не е термодинамично свойство. Фрази като „тялото е горещо, отдава топлина, придобива топлина“ нямат научна стойност. Всъщност топлината може да се определи като „енергия в транзит“, а не като „енергия, притежавана от тялото“.

Топлината се обменя между две тела (или две части от едно и също тяло) и не се притежава от едно тяло (какъвто е случаят с вътрешната енергия). По-специално, топлинната енергия протича поради температурната разлика между изследваната система. Прехвърлянето се извършва от най-високите до най-ниските температури. Средата, която взаимодейства с нея. И така, топлината се проявява само когато преминава между системата и околната среда поради разликата в температурата.

Той не се разпознава по никакъв начин в системата и околната среда като присъщо свойство на същата.

Как се разпространява топлината?

Преносът (или обменът или разпространението) на топлина между системите може да се извърши по три начина:

  • Шофиране.
  • Конвекция.
  • Облъчване.

Разпространение на проводимостта

В едно тяло или между тела в контакт има предаване, чрез удари, на кинетична енергия между молекулите, които принадлежат към съседните области на материала.

В проводимост енергията се пренася през материята, но без макроскопично движение на последната.

Размножаване чрез конвекция

В движещ се флуид течните части могат да се нагреят или охладят, когато влязат в контакт с външни повърхности. След това, в хода на своето движение (с често турбулентен характер), прехвърлянето (винаги да се изпълнява), придобитата енергия към други повърхности, което води до пренос на адвекция.

Размножаване чрез облъчване

Между две системи преносът на топлина може да се осъществи на разстояние (също във вакуум).

Преносът се осъществява чрез излъчване, разпространение и поглъщане на електромагнитни вълни: тялото с по-ниска температура се загрява, по-високата температура се охлажда.

Механизмът на облъчване не изисква физически контакт между телата, участващи в процеса.

Пример: топлината, която се разпространява от Слънцето към земята чрез слънчева радиация. Частиците, които излъчват лъчение, също генерират топлина.

Откриване на температура

Усещането за "топлина" или "студ", което изпитвате, когато докоснете едно тяло, се определя от неговата температура и топлопроводимостта на материала, от който е направено, в допълнение към други фактори.

Въпреки че е възможно да се сравнят с докосване (с известна предпазливост) относителните температури на две тела, не е възможно да се даде абсолютна оценка.

Калориметрите се използват за изчисляване на трансфера на топлинна енергия.

Температурата е индекс на средната кинетична енергия на частиците в изследваното тяло. Топлината е енергията, която тялото при по-висока температура предава на тяло при по-ниска температура (докато и двете тела имат еднаква температура). Усещането за студ и топлина се дължи както на разликата в температурата между ръката и предмета, така и на скоростта, с която обектът може да предава (абсорбира или отделя) топлина към ръката (или друг обект при различни температури).

Обаче, осигурявайки топлина на тялото, температурата не само се увеличава, но има и по-остро усещане за топлина, но има директно измерими вариации в някои физични свойства.

Примери

Например. Потапяме едната ръка в студена вода за няколко секунди, а другата в гореща вода. След това потапяме и двете в топла вода. Първият ще има усещането, че водата е гореща, вторият, че е студена, защото възприеманата температура е относителна на тази на ръката, която прави измерването.

Относителната оценка също често е невъзможна. Например, като докоснете парче дърво и парче метал. Предполагаме, че и двата материала са в една и съща среда достатъчно дълго, за да се постигне топлинно равновесие с околната среда. Докосването им дава усещането, че металът е много по-студен, поради различната топлопроводимост на двата материала.

В същото време поставяме термометър. Първо в контакт с дърво, а след това с метал. Наблюдаваме, че температурата и в двата материала е еднаква. Същата като стайната температура.

Историческа справка

През първата половина на 18 век учените са използвали елементарното вещество, наречено флогистон, за да обяснят нагряването на някои материали и горенето.

През следващите години топлинните явления се връщат към теорията, че топлината е невидима течност. Влизайки в материята на тялото, тя може да увеличи температурата си.

Въпреки изследванията на Бойл от 17-ти век за връзката между движението на частиците и топлинната енергия, едва в средата на 19-ти век се поставят основите на термодинамиката. Тези основи са положени благодарение на изследванията на Mayer (1842) и Joule (1843), относно количеството топлина и работата, необходима за постигането му.

Дата на публикуване: 24 август 2018 г.
Последен преглед: 21 април 2020 г.