ყველა ნივთიერებას აქვს შინაგანი ენერგია. ეს მნიშვნელობა ხასიათდება მთელი რიგი ფიზიკური და ქიმიური თვისებებით, რომელთა შორის განსაკუთრებული ყურადღება უნდა მიექცეს სითბოს. ეს რაოდენობა არის აბსტრაქტული მათემატიკური მნიშვნელობა, რომელიც აღწერს ნივთიერების მოლეკულებს შორის ურთიერთქმედების ძალებს. სითბოს გაცვლის მექანიზმის გაგება დაგეხმარებათ უპასუხოთ კითხვას, თუ რამდენი სითბო გამოიყოფა ნივთიერებების გაგრილებისა და გაცხელებისას, ასევე მათი წვის დროს.
სითბოს ფენომენის აღმოჩენის ისტორია
თავდაპირველად ძალიან მარტივად და ნათლად იყო აღწერილი სითბოს გადაცემის ფენომენი: თუ ნივთიერების ტემპერატურა მატულობს, ის იღებს სითბოს, გაციების შემთხვევაში კი გამოყოფს გარემოში. თუმცა, სითბო არ არის განსახილველი სითხის ან სხეულის განუყოფელი ნაწილი, როგორც ეს სამი საუკუნის წინ ითვლებოდა. ხალხს გულუბრყვილოდ სჯეროდა, რომ მატერია ორი ნაწილისგან შედგება: საკუთარი მოლეკულებისგან და სითბოსგან. ახლა ცოტას ახსოვს, რომ ტერმინი "ტემპერატურა" ლათინურად ნიშნავს "ნარევს" და, მაგალითად, ისინი საუბრობდნენ ბრინჯაოზე, როგორც "კალის და სპილენძის ტემპერატურაზე"..
მე-17 საუკუნეში გაჩნდა ორი ჰიპოთეზა, რომშეეძლო ნათლად აეხსნა სითბოს და სითბოს გადაცემის ფენომენი. პირველი შემოთავაზებული იქნა 1613 წელს გალილეოს მიერ. მისი ფორმულირება იყო: „სითბო უჩვეულო ნივთიერებაა, რომელსაც შეუძლია შეაღწიოს ნებისმიერ სხეულში და მის გარეთ“. გალილეომ ამ ნივთიერებას კალორიული უწოდა. ის ამტკიცებდა, რომ კალორიულობა არ შეიძლება გაქრეს ან იშლება, მაგრამ მხოლოდ ერთი სხეულიდან მეორეზე გადადის. შესაბამისად, რაც უფრო კალორიულია ნივთიერება, მით უფრო მაღალია მისი ტემპერატურა.
მეორე ჰიპოთეზა გაჩნდა 1620 წელს და ის შემოგვთავაზა ფილოსოფოსმა ბეკონმა. მან შენიშნა, რომ ჩაქუჩის ძლიერი დარტყმის შედეგად რკინა გახურდა. ეს პრინციპი ასევე მოქმედებდა ხანძრის გაჩენისას ხახუნის გზით, რამაც ბეკონი აიძულა დაფიქრებულიყო სითბოს მოლეკულურ ბუნებაზე. ის ამტკიცებდა, რომ როდესაც სხეულზე მექანიკური ზემოქმედება ხდება, მისი მოლეკულები იწყებენ ცემას ერთმანეთის წინააღმდეგ, ზრდის მოძრაობის სიჩქარეს და ამით ამაღლებს ტემპერატურას.
მეორე ჰიპოთეზის შედეგი იყო დასკვნა, რომ სითბო არის ნივთიერების მოლეკულების ერთმანეთთან მექანიკური მოქმედების შედეგი. ლომონოსოვი დიდი ხნის განმავლობაში ცდილობდა ამ თეორიის დასაბუთებას და ექსპერიმენტულად დამტკიცებას.
სითბო არის მატერიის შინაგანი ენერგიის საზომი
თანამედროვე მეცნიერები მივიდნენ შემდეგ დასკვნამდე: თერმული ენერგია არის ნივთიერების მოლეკულების, ანუ სხეულის შინაგანი ენერგიის ურთიერთქმედების შედეგი. ნაწილაკების მოძრაობის სიჩქარე დამოკიდებულია ტემპერატურაზე, სითბოს რაოდენობა კი ნივთიერების მასის პირდაპირპროპორციულია. ასე რომ, ვედრო წყალს უფრო მეტი თერმული ენერგია აქვს ვიდრე შევსებულ ჭიქას. თუმცა, ცხელი სითხის თეფშიშეიძლება ჰქონდეს ნაკლები სითბო ვიდრე ცივ აუზს.
კალორიის თეორია, რომელიც მე-17 საუკუნეში იყო შემოთავაზებული გალილეოს მიერ, უარყვეს მეცნიერებმა ჯ.ჯულმა და ბ.რამფორდმა. მათ დაამტკიცეს, რომ თერმულ ენერგიას არ აქვს მასა და ახასიათებს მხოლოდ მოლეკულების მექანიკური მოძრაობა.
რამდენი სითბო გამოიყოფა ნივთიერების წვის დროს? სპეციფიკური კალორიული ღირებულება
დღეს ტორფი, ნავთობი, ქვანახშირი, ბუნებრივი აირი ან ხე არის უნივერსალური და ფართოდ გამოყენებული ენერგიის წყარო. ამ ნივთიერებების დაწვისას გამოიყოფა სითბოს გარკვეული რაოდენობა, რომელიც გამოიყენება გათბობისთვის, გაშვების მექანიზმებისთვის და ა.შ. როგორ შეიძლება ამ სიდიდის გამოთვლა პრაქტიკაში?
ამისთვის შემოღებულია წვის სპეციფიკური სითბოს კონცეფცია. ეს მნიშვნელობა დამოკიდებულია სითბოს რაოდენობაზე, რომელიც გამოიყოფა 1 კგ გარკვეული ნივთიერების წვის დროს. იგი აღინიშნება ასო q-ით და იზომება J / კგ. ქვემოთ მოცემულია q მნიშვნელობების ცხრილი ზოგიერთი ყველაზე გავრცელებული საწვავისთვის.
ძრავების აშენებისა და გაანგარიშებისას, ინჟინერმა უნდა იცოდეს, რამდენი სითბო გამოიყოფა ნივთიერების გარკვეული რაოდენობის დაწვისას. ამისათვის შეგიძლიათ გამოიყენოთ არაპირდაპირი გაზომვები ფორმულის გამოყენებით Q=qm, სადაც Q არის ნივთიერების წვის სითბო, q არის წვის სპეციფიკური სითბო (ცხრილის მნიშვნელობა) და m არის მოცემული მასა.
წვის დროს სითბოს წარმოქმნა ეფუძნება ქიმიური ბმების წარმოქმნის დროს ენერგიის გამოყოფის ფენომენს. უმარტივესი მაგალითია ნახშირბადის წვა, რომელიც შეიცავსნებისმიერი ტიპის თანამედროვე საწვავში. ნახშირბადი იწვის ატმოსფერული ჰაერის თანდასწრებით და აერთიანებს ჟანგბადს და წარმოქმნის ნახშირორჟანგს. ქიმიური კავშირის ფორმირება ხდება გარემოში თერმული ენერგიის გათავისუფლებით და ადამიანი ადაპტირდა ამ ენერგიის გამოყენებას საკუთარი მიზნებისთვის.
სამწუხაროდ, ისეთი ღირებული რესურსების დაუფიქრებელმა ხარჯვამ, როგორიცაა ნავთობი ან ტორფი, შესაძლოა მალე გამოიწვიოს ამ საწვავის წარმოების წყაროების ამოწურვა. უკვე დღეს ჩნდება ელექტრო ტექნიკა და მანქანების ახალი მოდელებიც კი, რომელთა ექსპლუატაცია ეფუძნება ენერგიის ალტერნატიულ წყაროებს, როგორიცაა მზის შუქი, წყალი ან დედამიწის ქერქის ენერგია.
სითბოს გადაცემა
თერმული ენერგიის გაცვლის უნარს სხეულში ან ერთი სხეულიდან მეორეში ეწოდება სითბოს გადაცემას. ეს ფენომენი არ ხდება სპონტანურად და ხდება მხოლოდ ტემპერატურის სხვაობით. უმარტივეს შემთხვევაში, თერმული ენერგია გადადის უფრო ცხელი სხეულიდან ნაკლებად ცხელ სხეულზე, სანამ წონასწორობა დამყარდება.
სხეულები არ უნდა იყვნენ კონტაქტში, რათა მოხდეს სითბოს გადაცემის ფენომენი. ნებისმიერ შემთხვევაში, წონასწორობის დამყარება ასევე შეიძლება მოხდეს განხილულ ობიექტებს შორის მცირე მანძილზე, მაგრამ უფრო ნელი სიჩქარით, ვიდრე მათთან შეხებისას.
სითბოს გადაცემა შეიძლება დაიყოს სამ ტიპად:
1. თბოგამტარობა.
2. კონვექცია.
3. გასხივოსნებული გაცვლა.
თერმული კონდუქტომეტრული
ეს ფენომენი ემყარება თერმული ენერგიის გადაცემას ატომებსა და მატერიის მოლეკულებს შორის. მიზეზიგადაცემა - მოლეკულების ქაოტური მოძრაობა და მათი მუდმივი შეჯახება. ამის გამო სითბო ერთი მოლეკულიდან მეორეზე გადადის ჯაჭვის გასწვრივ.
თბოგამტარობის ფენომენი შეიძლება შეინიშნოს ნებისმიერი რკინის მასალის კალცინაციისას, როდესაც ზედაპირზე სიწითლე გავრცელდება შეუფერხებლად და თანდათან ქრება (გარკვეული რაოდენობით სითბო გამოიყოფა გარემოში).
F. ფურიემ გამოიყვანა სითბოს ნაკადის ფორმულა, რომელიც აგროვებდა ყველა იმ რაოდენობას, რომელიც გავლენას ახდენს ნივთიერების თბოგამტარობის ხარისხზე (იხ. სურათი ქვემოთ).
ამ ფორმულაში Q/t არის სითბოს ნაკადი, λ არის თბოგამტარობის კოეფიციენტი, S არის კვეთის ფართობი, T/X არის ტემპერატურული სხვაობის თანაფარდობა სხეულის ბოლოებს შორის. გარკვეული მანძილი.
თბოგამტარობა არის ცხრილის მნიშვნელობა. მას პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს საცხოვრებელი კორპუსის ან აღჭურვილობის თბოიზოლაციის დროს.
გასხივოსნებული სითბოს გადაცემა
თბოგადაცემის კიდევ ერთი გზა, რომელიც ეფუძნება ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ფენომენს. მისი განსხვავება კონვექციისა და სითბოს გამტარებისგან მდგომარეობს იმაში, რომ ენერგიის გადაცემა შეიძლება მოხდეს ვაკუუმ სივრცეშიც. თუმცა, როგორც პირველ შემთხვევაში, საჭიროა ტემპერატურის სხვაობა.
სხივური გაცვლა არის თერმული ენერგიის მზიდან დედამიწის ზედაპირზე გადაცემის მაგალითი, რომელიც ძირითადად პასუხისმგებელია ინფრაწითელ გამოსხივებაზე. იმის დასადგენად, თუ რამდენი სითბო აღწევს დედამიწის ზედაპირზე, აშენდა მრავალი სადგური, რომელიცდააკვირდით ამ ინდიკატორის ცვლილებას.
კონვექცია
ჰაერის ნაკადების კონვექციური მოძრაობა პირდაპირ კავშირშია სითბოს გადაცემის ფენომენთან. მიუხედავად იმისა, თუ რამდენ სითბოს გადავცემთ სითხეს ან გაზს, ნივთიერების მოლეკულები უფრო სწრაფად იწყებენ მოძრაობას. ამის გამო, მთელი სისტემის წნევა მცირდება, ხოლო მოცულობა, პირიქით, იზრდება. ეს არის თბილი ჰაერის დინების ან სხვა გაზების ზემოთ მოძრაობის მიზეზი.
კონვექციის ფენომენის გამოყენების უმარტივეს მაგალითს ყოველდღიურ ცხოვრებაში შეიძლება ეწოდოს ბატარეებით ოთახის გათბობა. ისინი განლაგებულია ოთახის ბოლოში გარკვეული მიზეზის გამო, მაგრამ ისე, რომ გაცხელებულ ჰაერს ჰქონდეს ადგილი ასასვლელად, რაც იწვევს ნაკადების ცირკულაციას ოთახის გარშემო.
როგორ შეიძლება გავზომოთ სითბო?
გათბობის ან გაგრილების სიცხე გამოითვლება მათემატიკურად სპეციალური მოწყობილობის - კალორიმეტრის გამოყენებით. ინსტალაცია წარმოდგენილია დიდი თბოიზოლირებული ჭურჭლით, სავსე წყლით. თერმომეტრი ჩაედინება სითხეში საშუალო საწყისი ტემპერატურის გასაზომად. შემდეგ გახურებულ სხეულს წყალში ასხამენ, რათა გამოთვალონ სითხის ტემპერატურის ცვლილება წონასწორობის დამყარების შემდეგ.
t გაზრდით ან შემცირებით, გარემო განსაზღვრავს, თუ რამდენი სითბო უნდა დაიხარჯოს სხეულის გასათბობად. კალორიმეტრი არის უმარტივესი მოწყობილობა, რომელსაც შეუძლია ტემპერატურის ცვლილებების რეგისტრაცია.
ასევე, კალორიმეტრის გამოყენებით შეგიძლიათ გამოთვალოთ რამდენი სითბო გამოიყოფა წვის დროსნივთიერებები. ამისათვის "ბომბი" მოთავსებულია წყლით სავსე ჭურჭელში. ეს „ბომბი“არის დახურული ჭურჭელი, რომელშიც საცდელი ნივთიერება მდებარეობს. მას უერთდება დამწვრობის სპეციალური ელექტროდები და კამერა ივსება ჟანგბადით. ნივთიერების სრული წვის შემდეგ ფიქსირდება წყლის ტემპერატურის ცვლილება.
ასეთი ექსპერიმენტების დროს დადგინდა, რომ თერმული ენერგიის წყაროა ქიმიური და ბირთვული რეაქციები. ბირთვული რეაქციები ხდება დედამიწის ღრმა ფენებში, რაც ქმნის სითბოს მთავარ რეზერვს მთელი პლანეტისთვის. მათ ასევე იყენებენ ადამიანები ბირთვული შერწყმის გზით ენერგიის გამოსამუშავებლად.
ქიმიური რეაქციების მაგალითებია ნივთიერებების წვა და პოლიმერების მონომერებად დაშლა ადამიანის საჭმლის მომნელებელ სისტემაში. მოლეკულაში ქიმიური ბმების ხარისხი და რაოდენობა განსაზღვრავს, თუ რამდენი სითბო გამოიყოფა საბოლოოდ.
როგორ იზომება სითბო?
სითბოს ერთეული საერთაშორისო SI სისტემაში არის ჯოული (J). ასევე ყოველდღიურ ცხოვრებაში გამოიყენება სისტემური ერთეულები - კალორიები. 1 კალორია უდრის 4,1868 ჯ საერთაშორისო სტანდარტის მიხედვით და 4,184 ჯ თერმოქიმიის მიხედვით. ადრე არსებობდა btu btu, რომელსაც მეცნიერები იშვიათად იყენებენ. 1 BTU=1.055 J.
