Toutes les substances ont une énergie interne. Cette valeur est caractérisée par un certain nombre de propriétés physiques et chimiques, parmi lesquelles une attention particulière doit être accordée à la chaleur. Cette quantité est une valeur mathématique abstraite qui décrit les forces d'interaction entre les molécules d'une substance. Comprendre le mécanisme d'échange de chaleur peut aider à répondre à la question de la quantité de chaleur libérée lors du refroidissement et du chauffage des substances, ainsi que de leur combustion.
Histoire de la découverte du phénomène de la chaleur
Au départ, le phénomène de transfert de chaleur était décrit très simplement et clairement: si la température d'une substance s'élève, elle reçoit de la chaleur, et en cas de refroidissement, elle la libère dans l'environnement. Cependant, la chaleur ne fait pas partie intégrante du liquide ou du corps considéré, comme on le pensait il y a trois siècles. Les gens croyaient naïvement que la matière se composait de deux parties: ses propres molécules et la chaleur. Or, peu de gens se souviennent que le terme "température" en latin signifie "mélange", et, par exemple, ils parlaient du bronze comme "la température de l'étain et du cuivre".
Au XVIIe siècle, deux hypothèses sont apparues selon lesquellespourrait clairement expliquer le phénomène de chaleur et de transfert de chaleur. Le premier a été proposé en 1613 par Galilée. Son libellé était: "La chaleur est une substance inhabituelle qui peut pénétrer dans et hors de n'importe quel corps." Galilée appelait cette substance calorique. Il a soutenu que le calorique ne peut pas disparaître ou s'effondrer, mais qu'il est seulement capable de passer d'un corps à l'autre. En conséquence, plus la substance est calorique, plus sa température est élevée.
La deuxième hypothèse est apparue en 1620, et a été proposée par le philosophe Bacon. Il remarqua que sous les coups violents du marteau, le fer s'échauffait. Ce principe fonctionnait également lors de l'allumage d'un feu par friction, ce qui a conduit Bacon à réfléchir à la nature moléculaire de la chaleur. Il a soutenu que lorsqu'un corps est mécaniquement affecté, ses molécules commencent à battre les unes contre les autres, augmentent la vitesse de mouvement et augmentent ainsi la température.
Le résultat de la deuxième hypothèse était la conclusion que la chaleur est le résultat de l'action mécanique des molécules d'une substance les unes avec les autres. Pendant une longue période, Lomonossov a tenté d'étayer et de prouver expérimentalement cette théorie.
La chaleur est une mesure de l'énergie interne de la matière
Les scientifiques modernes sont arrivés à la conclusion suivante: l'énergie thermique est le résultat de l'interaction de molécules de substance, c'est-à-dire l'énergie interne du corps. La vitesse de déplacement des particules dépend de la température et la quantité de chaleur est directement proportionnelle à la masse de la substance. Ainsi, un seau d'eau a plus d'énergie thermique qu'une tasse remplie. Cependant, une soucoupe de liquide chaudpeut avoir moins de chaleur qu'un bassin froid.
La théorie du calorique, qui a été proposée au 17ème siècle par Galilée, a été réfutée par les scientifiques J. Joule et B. Rumford. Ils ont prouvé que l'énergie thermique n'a pas de masse et se caractérise uniquement par le mouvement mécanique des molécules.
Quelle quantité de chaleur sera dégagée lors de la combustion d'une substance ? Pouvoir calorifique spécifique
Aujourd'hui, la tourbe, le pétrole, le charbon, le gaz naturel ou le bois sont des sources d'énergie universelles et largement utilisées. Lorsque ces substances sont brûlées, une certaine quantité de chaleur est libérée, qui est utilisée pour le chauffage, les mécanismes de démarrage, etc. Comment calculer cette valeur en pratique ?
Pour cela, le concept de chaleur spécifique de combustion est introduit. Cette valeur dépend de la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion de 1 kg d'une certaine substance. Il est désigné par la lettre q et se mesure en J/kg. Vous trouverez ci-dessous un tableau des valeurs de q pour certains des carburants les plus courants.
Lors de la construction et du calcul des moteurs, un ingénieur doit savoir quelle quantité de chaleur sera dégagée lorsqu'une certaine quantité de substance est brûlée. Pour ce faire, vous pouvez utiliser des mesures indirectes en utilisant la formule Q=qm, où Q est la chaleur de combustion de la substance, q est la chaleur spécifique de combustion (valeur du tableau) et m est la masse donnée.
La formation de chaleur lors de la combustion est basée sur le phénomène de libération d'énergie lors de la formation de liaisons chimiques. L'exemple le plus simple est la combustion du carbone, qui est contenudans tout type de combustible moderne. Le carbone brûle en présence d'air atmosphérique et se combine avec l'oxygène pour former du dioxyde de carbone. La formation d'une liaison chimique procède à la libération d'énergie thermique dans l'environnement, et l'homme s'est adapté pour utiliser cette énergie à ses propres fins.
Malheureusement, la dépense irréfléchie de ressources aussi précieuses que le pétrole ou la tourbe pourrait bientôt conduire à l'épuisement des sources de production de ces carburants. Déjà aujourd'hui, des appareils électriques et même de nouveaux modèles de voitures font leur apparition, dont le fonctionnement est basé sur des sources d'énergie alternatives telles que la lumière du soleil, l'eau ou l'énergie de la croûte terrestre.
Transfert de chaleur
La capacité d'échanger de l'énergie thermique à l'intérieur d'un corps ou d'un corps à un autre est appelée transfert de chaleur. Ce phénomène ne se produit pas spontanément et ne se produit qu'avec une différence de température. Dans le cas le plus simple, l'énergie thermique est transférée d'un corps plus chaud à un corps moins chauffé jusqu'à ce que l'équilibre soit établi.
Les corps n'ont pas besoin d'être en contact pour que le phénomène de transfert de chaleur se produise. Dans tous les cas, l'établissement de l'équilibre peut également se produire à une faible distance entre les objets considérés, mais à une vitesse plus lente que lorsqu'ils entrent en contact.
Le transfert de chaleur peut être divisé en trois types:
1. Conductivité thermique.
2. Convection.
3. Échange radieux.
Conduction thermique
Ce phénomène est basé sur le transfert d'énergie thermique entre des atomes ou des molécules de matière. Causetransmission - le mouvement chaotique des molécules et leur collision constante. De ce fait, la chaleur passe d'une molécule à l'autre le long de la chaîne.
Le phénomène de conductivité thermique peut être observé lorsqu'un matériau en fer est calciné, lorsque la rougeur à la surface se propage doucement et s'estompe progressivement (une certaine quantité de chaleur est libérée dans l'environnement).
F. Fourier a dérivé une formule pour le flux de chaleur, qui a recueilli toutes les quantités qui affectent le degré de conductivité thermique d'une substance (voir la figure ci-dessous).
Dans cette formule, Q/t est le flux de chaleur, λ est le coefficient de conductivité thermique, S est la section transversale, T/X est le rapport de la différence de température entre les extrémités du corps situées à une certaine distance.
La conductivité thermique est une valeur tabulaire. Il est d'une importance pratique lors de l'isolation d'un bâtiment résidentiel ou de l'isolation thermique d'équipements.
Transfert de chaleur par rayonnement
Une autre méthode de transfert de chaleur, basée sur le phénomène de rayonnement électromagnétique. Sa différence avec la convection et la conduction thermique réside dans le fait que le transfert d'énergie peut également se produire dans l'espace vide. Cependant, comme dans le premier cas, une différence de température est requise.
L'échange radiant est un exemple du transfert d'énergie thermique du Soleil vers la surface de la Terre, qui est principalement responsable du rayonnement infrarouge. Pour déterminer la quantité de chaleur atteignant la surface de la terre, de nombreuses stations ont été construites, quisurveiller l'évolution de cet indicateur.
Convection
Le mouvement convectif des flux d'air est directement lié au phénomène de transfert de chaleur. Quelle que soit la quantité de chaleur que nous transmettons à un liquide ou à un gaz, les molécules de la substance commencent à se déplacer plus rapidement. De ce fait, la pression de l'ensemble du système diminue et le volume, au contraire, augmente. C'est la raison du mouvement des courants d'air chaud ou d'autres gaz vers le haut.
L'exemple le plus simple d'utilisation du phénomène de convection dans la vie de tous les jours peut être appelé chauffer une pièce avec des batteries. Ils sont situés au bas de la pièce pour une raison, mais pour que l'air chauffé ait de la place pour monter, ce qui entraîne la circulation de flux autour de la pièce.
Comment mesurer la chaleur ?
La chaleur de chauffage ou de refroidissement est calculée mathématiquement à l'aide d'un appareil spécial - un calorimètre. L'installation est représentée par une grande cuve calorifugée remplie d'eau. Un thermomètre est descendu dans le liquide pour mesurer la température initiale du milieu. Ensuite, un corps chauffé est abaissé dans l'eau pour calculer le changement de température du liquide après l'établissement de l'équilibre.
En augmentant ou en diminuant t, l'environnement détermine la quantité de chaleur à dépenser pour chauffer le corps. Le calorimètre est l'appareil le plus simple capable d'enregistrer les changements de température.
Aussi, à l'aide d'un calorimètre, vous pouvez calculer la quantité de chaleur dégagée lors de la combustionsubstances. Pour ce faire, une "bombe" est placée dans un récipient rempli d'eau. Cette "bombe" est un récipient fermé dans lequel se trouve la substance d'essai. Des électrodes spéciales pour l'incendie criminel y sont connectées et la chambre est remplie d'oxygène. Après la combustion complète de la substance, un changement de température de l'eau est enregistré.
Au cours de ces expériences, il a été établi que les sources d'énergie thermique sont des réactions chimiques et nucléaires. Les réactions nucléaires ont lieu dans les couches profondes de la Terre, constituant la principale réserve de chaleur de la planète entière. Ils sont également utilisés par les humains pour générer de l'énergie par fusion nucléaire.
Des exemples de réactions chimiques sont la combustion de substances et la décomposition de polymères en monomères dans le système digestif humain. La qualité et la quantité de liaisons chimiques dans une molécule déterminent la quantité de chaleur finalement libérée.
Comment mesure-t-on la chaleur ?
L'unité de chaleur dans le système SI international est le joule (J). Dans la vie de tous les jours, on utilise également des unités hors système - les calories. 1 calorie équivaut à 4,1868 J selon la norme internationale et 4,184 J selon la thermochimie. Auparavant, il y avait un btu btu, qui est rarement utilisé par les scientifiques. 1 BTU=1,055 J.
