Todas as substâncias possuem energia interna. Este valor é caracterizado por uma série de propriedades físicas e químicas, entre as quais deve ser dada atenção especial ao calor. Essa quantidade é um valor matemático abstrato que descreve as forças de interação entre as moléculas de uma substância. Compreender o mecanismo de troca de calor pode ajudar a responder à questão de quanto calor foi liberado durante o resfriamento e aquecimento de substâncias, bem como sua combustão.
História da descoberta do fenômeno do calor
Inicialmente, o fenômeno da transferência de calor foi descrito de forma muito simples e clara: se a temperatura de uma substância aumenta, ela recebe calor e, no caso de resfriamento, o libera no ambiente. No entanto, o calor não é parte integrante do líquido ou corpo em consideração, como se pensava há três séculos. As pessoas acreditavam ingenuamente que a matéria consiste em duas partes: suas próprias moléculas e calor. Agora, poucas pessoas lembram que o termo "temperatura" em latim significa "mistura", e, por exemplo, eles falavam de bronze como "a temperatura do estanho e do cobre".
No século XVII, surgiram duas hipóteses de quepoderia explicar claramente o fenômeno de calor e transferência de calor. A primeira foi proposta em 1613 por Galileu. Sua redação foi: "O calor é uma substância incomum que pode penetrar e sair de qualquer corpo". Galileu chamou essa substância de calórica. Ele argumentou que o calórico não pode desaparecer ou entrar em colapso, mas só é capaz de passar de um corpo para outro. Assim, quanto mais calórica na substância, maior sua temperatura.
A segunda hipótese surgiu em 1620, e foi proposta pelo filósofo Bacon. Ele notou que sob os fortes golpes do martelo, o ferro aqueceu. Esse princípio também operava ao acender um fogo por fricção, o que levou Bacon a pensar na natureza molecular do calor. Ele argumentou que quando um corpo é afetado mecanicamente, suas moléculas começam a bater umas contra as outras, aumentando a velocidade do movimento e, assim, elevando a temperatura.
O resultado da segunda hipótese foi a conclusão de que o calor é o resultado da ação mecânica das moléculas de uma substância entre si. Por um longo período de tempo, Lomonosov tentou fundamentar e provar experimentalmente essa teoria.
Calor é uma medida da energia interna da matéria
Os cientistas modernos chegaram à seguinte conclusão: a energia térmica é o resultado da interação das moléculas da substância, ou seja, a energia interna do corpo. A velocidade de movimento das partículas depende da temperatura e a quantidade de calor é diretamente proporcional à massa da substância. Assim, um balde de água tem mais energia térmica do que um copo cheio. No entanto, um pires de líquido quentepode ter menos calor do que uma bacia fria.
A teoria do calórico, que foi proposta no século XVII por Galileu, foi refutada pelos cientistas J. Joule e B. Rumford. Eles provaram que a energia térmica não tem massa e é caracterizada apenas pelo movimento mecânico das moléculas.
Quanto calor será liberado durante a combustão de uma substância? Valor calórico específico
Hoje, turfa, petróleo, carvão, gás natural ou madeira são fontes de energia universais e amplamente utilizadas. Quando essas substâncias são queimadas, uma certa quantidade de calor é liberada, que é usada para aquecimento, mecanismos de partida, etc. Como esse valor pode ser calculado na prática?
Para isso, é introduzido o conceito de calor específico de combustão. Este valor depende da quantidade de calor que é liberada durante a combustão de 1 kg de uma determinada substância. É denotado pela letra q e é medido em J/kg. Abaixo está uma tabela de valores de q para alguns dos combustíveis mais comuns.
Ao construir e calcular motores, um engenheiro precisa saber quanto calor será liberado quando uma certa quantidade de substância é queimada. Para fazer isso, você pode usar medidas indiretas usando a fórmula Q=qm, onde Q é o calor de combustão da substância, q é o calor específico de combustão (valor da tabela) e m é a massa dada.
A formação de calor durante a combustão é baseada no fenômeno de liberação de energia durante a formação de ligações químicas. O exemplo mais simples é a combustão do carbono, que está contidoem qualquer tipo de combustível moderno. O carbono queima na presença do ar atmosférico e combina-se com o oxigênio para formar dióxido de carbono. A formação de uma ligação química ocorre com a liberação de energia térmica no ambiente, e o homem se adaptou para usar essa energia para seus próprios propósitos.
Infelizmente, o gasto impensado de recursos tão valiosos como petróleo ou turfa pode em breve levar ao esgotamento das fontes para a produção desses combustíveis. Já hoje surgem aparelhos elétricos e até novos modelos de carros, cujo funcionamento se baseia em fontes alternativas de energia como a luz solar, a água ou a energia da crosta terrestre.
Transferência de calor
A capacidade de trocar energia térmica dentro de um corpo ou de um corpo para outro é chamada de transferência de calor. Este fenômeno não ocorre espontaneamente e ocorre apenas com uma diferença de temperatura. No caso mais simples, a energia térmica é transferida de um corpo mais quente para um corpo menos aquecido até que o equilíbrio seja estabelecido.
Os corpos não precisam estar em contato para que ocorra o fenômeno da transferência de calor. De qualquer forma, o estabelecimento do equilíbrio também pode ocorrer a uma pequena distância entre os objetos considerados, mas a uma velocidade menor do que quando entram em contato.
A transferência de calor pode ser dividida em três tipos:
1. Condutividade térmica.
2. Convecção.
3. Troca radiante.
Condutividade térmica
Este fenômeno é baseado na transferência de energia térmica entre átomos ou moléculas de matéria. Causatransmissão - o movimento caótico das moléculas e sua constante colisão. Devido a isso, o calor passa de uma molécula para outra ao longo da cadeia.
O fenômeno da condutividade térmica pode ser observado quando qualquer material de ferro é calcinado, quando a vermelhidão da superfície se espalha suavemente e gradualmente desaparece (uma certa quantidade de calor é liberada no ambiente).
F. Fourier derivou uma fórmula para fluxo de calor, que coletava todas as quantidades que afetam o grau de condutividade térmica de uma substância (veja a figura abaixo).
Nesta fórmula, Q/t é o fluxo de calor, λ é o coeficiente de condutividade térmica, S é a área da seção transversal, T/X é a razão da diferença de temperatura entre as extremidades do corpo localizadas em uma certa distância.
A condutividade térmica é um valor tabular. É de importância prática ao isolar um edifício residencial ou isolamento térmico de equipamentos.
Transferência de calor radiante
Outra forma de transferência de calor, que se baseia no fenômeno da radiação eletromagnética. Sua diferença da convecção e da condução de calor está no fato de que a transferência de energia também pode ocorrer no espaço de vácuo. No entanto, como no primeiro caso, é necessária uma diferença de temperatura.
A troca radiante é um exemplo da transferência de energia térmica do Sol para a superfície da Terra, que é a principal responsável pela radiação infravermelha. Para determinar a quantidade de calor que atinge a superfície da Terra, foram construídas numerosas estações, quemonitore a mudança neste indicador.
Convecção
O movimento convectivo dos fluxos de ar está diretamente relacionado ao fenômeno da transferência de calor. Independentemente de quanto calor transmitimos a um líquido ou gás, as moléculas da substância começam a se mover mais rapidamente. Por causa disso, a pressão de todo o sistema diminui e o volume, ao contrário, aumenta. Esta é a razão para o movimento de correntes de ar quente ou outros gases para cima.
O exemplo mais simples do uso do fenômeno da convecção na vida cotidiana pode ser chamado de aquecimento de uma sala com baterias. Eles estão localizados na parte inferior da sala por um motivo, mas para que o ar aquecido tenha espaço para subir, o que leva à circulação de fluxos ao redor da sala.
Como o calor pode ser medido?
O calor de aquecimento ou resfriamento é calculado matematicamente usando um dispositivo especial - um calorímetro. A instalação é representada por um grande recipiente com isolamento térmico cheio de água. Um termômetro é mergulhado no líquido para medir a temperatura inicial do meio. Em seguida, um corpo aquecido é mergulhado na água para calcular a mudança na temperatura do líquido após o equilíbrio ser estabelecido.
Aumentando ou diminuindo t, o ambiente determina quanto calor para aquecer o corpo deve ser gasto. O calorímetro é o dispositivo mais simples que pode registrar mudanças de temperatura.
Além disso, usando um calorímetro, você pode calcular quanto calor será liberado durante a combustãosubstâncias. Para fazer isso, uma “bomba” é colocada em um recipiente cheio de água. Esta "bomba" é um recipiente fechado no qual a substância de teste está localizada. Eletrodos especiais para incêndios criminosos são conectados a ele e a câmara é preenchida com oxigênio. Após a combustão completa da substância, é registrada uma mudança na temperatura da água.
No decorrer de tais experimentos, foi estabelecido que as fontes de energia térmica são reações químicas e nucleares. As reações nucleares ocorrem nas camadas profundas da Terra, formando a principal reserva de calor para todo o planeta. Eles também são usados por humanos para gerar energia através da fusão nuclear.
Exemplos de reações químicas são a combustão de substâncias e a quebra de polímeros em monômeros no sistema digestivo humano. A qualidade e a quantidade de ligações químicas em uma molécula determinam quanto calor é liberado.
Como se mede o calor?
A unidade de calor no sistema internacional SI é o joule (J). Também na vida cotidiana são usadas unidades fora do sistema - calorias. 1 caloria equivale a 4,1868 J de acordo com o padrão internacional e 4,184 J com base na termoquímica. Anteriormente, havia um btu btu, que raramente é usado pelos cientistas. 1 BTU=1,055 J.
