Тепло как форма передачи энергии

На повседневном языке теплота — это то, что делает вещи горячими. Когда мы ставим чайник с водой на плиту, вода поглощает тепло от плиты и становится горячей. Но что делает воду горячей, если говорить на языке физики, это тепловая энергия, то есть кинетическая и потенциальная энергия случайных микроскопических движений молекул, атомов, ионов, электронов и других частиц. Когда вода находится в контакте с горячей плитой, атомы плиты передают молекулам воды некоторые из своих случайных микроскопических движений. Таким образом, тепловая энергия молекул воды увеличивается — они двигаются вокруг быстрее, чем раньше. На макроскопическом уровне такое увеличение энергии или случайных микроскопических движений проявляется в увеличении температуры воды.

На физическом языке тепло — это тепловая энергия, передаваемая от более горячего тела к более холодному. Отношение тепла к тепловой энергии аналогично отношению работы к механической энергии. Работа, выполненная над частицей, увеличивает механическую энергия частицы. Таким образом, работа — это механическая энергия, передаваемая силой. Аналогично, тепло — это тепловая энергия, передаваемая разностью температур. Эта аналогия между теплом и работой не просто формальна. Фактически, тепло можно рассматривать как микроскопическую работу, выполняемую частицами более горячего тела над частицах более холодного тела, и эта микроскопическая работа осуществляет передачу тепловой энергии. Хотя в строгом смысле слова тепло является передачей тепловой энергии, физики иногда используют слово «тепло» в широком смысле как синоним тепловой энергии. Таким образом, мы говорим о тепловом потоке, аккумулировании тепла, потере тепла и т. д., когда имеется ввиду поток тепловой энергии, аккумулирование тепловой энергии, потеря тепловой энергии и т. д.

Неоднозначность в использовании слова «тепло» возникла исторически. Вплоть до девятнадцатого века ученые не имели четкого понимания концепции энергии, и они думали, что тепло было невидимой, невесомой жидкостью, которую они называли «калорийной». Первые эксперименты, которые дали убедительные доказательства природе тепла выполнил Бенджамин Томпсон, граф Румфорд, который показал, что механическая энергия, теряемая при трении, преобразуется в тепло. Вы можете проверить такое фрикционное (с помощью трения) преобразование механической энергии в тепло, потирая руки друг о друга — несколько секунд трения вызвут заметное потепление ладоней.

Тепло как форма передачи энергии

В жидкости или твердом теле кинетическая энергия случайных микроскопических движений частиц увеличивается с температурой. Кроме того, атомы и молекулы в жидкости или твердом теле имеют потенциальные энергии, связанные с силами, с которыми они действуютт друг на друга. Эти потенциальные энергии также увеличиваются с температурой.
Таким образом, микроскопический взгляд на тепловую энергию как кинетическую и потенциальную энергию случайных движений атомов и молекул согласуется с интуитивным представлением о том, что поглощение тепловой энергии должно приводить к повышению температуры.

Задолго до того, как физики осознали, что тепло — это передача кинетической и потенциальной энергии случайного микроскопического движения атомов, они определили теплоту с точки зрения температурных изменений, которые она вызывает в теле. Традиционной единицей тепла (но не в системе SI) является калория (кал, cal), которая первоначально была определена как количество тепла, необходимого для повышения температуры 1 г воды на 1 ° C. Килокалория составляет 1000 кал:

1 ккал (kcal) = 1000 кал (cal)Под словом «калории», указаным на некоторых упаковках продуктов в магазинах, на самом деле подразумеваются килокалории, также называемые большими калориями.

Тепло, необходимое для повышения температуры 1 кг материала на 1 ° C, называется удельной теплоемкостью и обычно обозначается символом c. Таким образом,
вода имеет удельную теплоемкость

   

В таблице 1 перечислены удельные плавки некоторых распространенных веществ.

Обратите внимание, что вода имеет большую удельную теплоемкость, чем все другие вещества, перечисленные в таблице 1. Это означает, что для изменения температуры воды определенного веса, потребуется больше тепла, чем для изменения температуры других веществ того же веса. Можно сказать, что вода обладает большой «тепловой инерцией» — она ​​способна хранить большую тепловую энергию при небольшом изменении температуры. Это делает воду очень полезной для хранения и транспортировки тепловой энергии, например, в отопительной системе дома (где вода переносит тепловую энергию от
от котла к радиаторам) и в системе охлаждения автомобильного двигателя (где вода переносит тепловую энергию от блока двигателя к радиатору).
Удельная теплоемкость большинства веществ несильно зависит от температуры. Например, удельная теплоемкость воды изменяется примерно на 1% между 0 и 100 ° С, достигая минимума при 35 ° С.
Наконец, удельная теплоемкость в некоторой степени зависит от давления, под которым находится материал во время нагревания. Все значения, перечисленные в таблице 1, были получены при комнатной температуре (20 ° C) и при постоянном давлении 1,0 атм.

Значения в таблице 1 дают количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 кг данного вещества на 1 С. Для массы этого вещества количество тепла связано с повышение температуры на

   

Это просто говорит о том, что для большой массы или большого изменения температуры требуется больше тепла, пропорционально массе или изменению температуры.

Поскольку тепло является формой работы, оно может быть преобразовано в макроскопическую механическую работу и наоборот. Преобразование тепла в работу осуществляется паровым двигателем, паровой турбиной или подобной машиной; Мы рассмотрим теорию таких тепловых двигателей в другой статье блога. Превращение работы в тепло не требует специального оборудования — любое трение преобразует работу в тепло. Поскольку тепло является формой передачи энергии, калория — это единица энергии, и должна быть возможность выразить ее в джоулях. Коэффициент преобразования между этими единицами называется механический эквивалент тепла.

Традиционный метод измерения механического эквивалента тепла — это эксперимент Джоуля. Набор падающих грузов приводит в движение лопастное колесо, которое сбивает воду в ведре (см. Рис. 1).

Ведро окружено изоляцией, поэтому тепло не может от него уйти. Трение, присущее сбивке, повышает температуру воды в ведре на значительную величину, преобразуя начальную гравитационную потенциальную энергию падающих гирь в измеримое количество тепла. Наилучшие доступные экспериментальные результаты для этого преобразования механической энергии в тепло дают(J = Дж):

   

для механического эквивалента тепла.

В современной системе единиц СИ, по определению, калория принимается равной 4,187 Дж. Это означает, что эксперимент Джоуля больше не нужен, чтобы найти механический эквивалент тепла; вместо этого необходимо определить удельную теплоемкость воды, которая теперь должна рассматриваться как величина, измеряемая экспериментально. В дальнейшем мы будем в основном использовать джоули для измерения тепловых энергий и лишь изредка возвращаться к калориям.