Căldură
În termodinamică și termochimie , căldura este definită ca fiind contribuția energiei transformate în urma unei reacții chimice sau nucleare și transferată între două sisteme sau între două părți ale aceluiași sistem, care nu poate fi atribuită unui loc de muncă sau unei conversii între două tipuri diferite de energie. Prin urmare, căldura este o formă de energie transferată și nu o formă conținută de energie precum energia internă . [1]
fundal
În prima jumătate a secolului al XVIII-lea , savanții au folosit substanța elementară numită flogiston pentru a explica încălzirea unor materiale și arderea . [2]
În anii următori, fenomenele termice au fost urmărite înapoi la teoria conform căreia căldura era un fluid invizibil care, intrând în materia unui corp, îi putea crește temperatura.
În ciuda studiilor din secolul al XVII - lea ale lui Boyle asupra relației dintre mișcarea particulelor și căldură, abia la mijlocul secolului al XIX-lea au fost puse bazele termodinamicii, grație studiilor lui Mayer ( 1842 ) și Joule ( 1843 ), referitoare la cantitatea de căldură și munca necesară pentru ao obține.
Efectele căldurii
Efectele trecerii căldurii sunt descrise de prima lege a termodinamicii în forma sa cea mai generală:
unde este indică o modificare a oricărei forme de energie (de exemplu, energie internă , cinetică , potențială ), indică căldură și indică munca efectuată de sistem (după volum sau variație izocorică). Consecințele trecerii căldurii pot fi, prin urmare, în principal de două tipuri: variația energiei sau schimbul de muncă.
O formă particulară de energie care poate fi modificată după trecerea căldurii este energia internă; variația energiei interne poate avea diverse consecințe, inclusiv o variație a temperaturii sau o modificare a stării de agregare .
Dacă transferul de căldură are ca rezultat o schimbare a stării de agregare, această căldură se numește căldură latentă , [1] în timp ce, dacă transferul de căldură are ca rezultat o scădere a diferenței de temperatură (deoarece cele două sisteme sau cele două părți ale aceluiași sistemul tind să ajungă la echilibru termic), vorbim de căldură sensibilă . [1]
Formula clasică a căldurii sensibile este:
în timp ce cea a căldurii latente este:
În cele din urmă, dacă transferul de căldură implică atât o scădere a diferenței de temperatură, cât și o schimbare de fază, această căldură poate fi considerată ca suma a două contribuții: o contribuție relativă la căldura sensibilă și o contribuție relativă la căldura latentă.
De exemplu, creșterea temperaturii apei de la 20 ° C la 50 ° C în condiții standard (adică la o presiune de 1 atm ) este determinată de faptul că este alimentată cu căldură sensibilă, în timp ce, dacă apa a atins deja temperatura de fierbere, stochează energia (sub formă de căldură latentă), menținându-și temperatura neschimbată, până când are loc schimbarea fazei de la lichid la vapori. Din acest motiv, un jet de vapori de apă la 100 ° C, care are energie stocată în timpul tranziției de stare, poate provoca arsuri mai grave decât apa în stare lichidă la aceeași temperatură.
Vorbim și despre căldura reacției atunci când căldura este consumată sau generată de o reacție chimică .
Unitate de măsură a căldurii
Ca energie schimbată, căldura este măsurată în sistemul internațional în jouli . Cu toate acestea, în practică, caloria este încă adesea utilizată ca unitate de măsură, care este definită ca cantitatea de căldură necesară pentru a aduce temperatura unui gram de apă distilată, supusă unei presiuni de 1 atm, de la 14,5 ° C la 15, 5 ° C. Uneori sunt utilizate și unități pur tehnice, cum ar fi kWh sau BTU .
Unele echivalențe:
| kJ | kWh | kcal | BTU [3] | kg p m | |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 kJ | 1 | 2.778 × 10 −4 | 0,2388 | 0,9478 | 1.020 × 10 2 |
| 1 kWh | 3600 | 1 | 859,8 | 3412 | 3.671 × 10 5 |
| 1 kcal | 4.187 | 1,163 × 10 −3 | 1 | 3,968 | 4.269 × 10 2 |
| 1 BTU [3] | 1,055 | 2,941 × 10 −4 | 0,2519 | 1 | 1.076 × 10 2 |
| 1 kg p m | 9.807 × 10 −3 | 2,721 × 10 −6 | 2.342 × 10 −3 | 9.295 × 10 −3 | 1 |
Analogie între căldură și muncă
Căldura și munca sunt forme de transfer de energie care nu pot fi asociate cu starea sistemului, adică configurația sa de echilibru; în special, ambele forme de energie sunt recunoscute în momentul în care „trec”, „curg”, sunt „realizate”. Munca este identificată în momentul în care forța face o deplasare (atâta timp cât vectorul forței admite o componentă diferită de zero în direcția deplasării): cu alte cuvinte, munca curge, se efectuează, în momentul în care care se realizează; în același mod, căldura este identificată numai în momentul transmiterii acesteia.
Căldură, temperatură și energie internă
Căldura nu este o proprietate care poate fi asociată cu o configurație de echilibru termodinamic . În prezența unui gradient de temperatură , căldura curge de la punctele de temperatură mai mari la cele mai mici până la atingerea echilibrului termic. Cantitatea de căldură schimbată depinde de calea particulară urmată de transformare pentru a ajunge de la starea inițială la starea finală. Cu alte cuvinte, căldura nu este o funcție a stării . [1]
Energia internă, pe de altă parte, este o funcție de stare care poate fi asociată cu o configurație de echilibru (sau stare termodinamică ) a sistemului, dependentă de variabilele de stare.
Pentru temperatură și energie internă, expresii precum: „ corpul are o anumită temperatură, are o anumită energie internă, capătă energie, renunță la energie ” au sens (adică sunt corecte din punct de vedere științific).
Pe de altă parte, căldura nu este o proprietate termodinamică, astfel încât expresii precum „ corpul posedă căldură, degajă căldură, capătă căldură ” nu au valoare științifică. De fapt, căldura poate fi definită ca „energie în tranzit”, nu ca „energie posedată de un corp”; [1] este „schimbat” între două corpuri (sau două părți ale aceluiași corp) și nu „posedat” de un singur corp (cum este cazul energiei interne). În special, căldura curge datorită unei diferențe de temperatură între sistemul în studiu și mediul care interacționează cu acesta sau ca urmare a unei tranziții de fază și, prin urmare, nu este în niciun fel recunoscută în sistem și mediu ca un factor intrinsec proprietatea aceluiași.
Propagarea căldurii
Transferul (sau schimbul sau propagarea) de căldură între sisteme poate avea loc în trei moduri:
- prin conducție : în același corp sau între corpuri în contact există o transmitere, prin impact, a energiei cinetice între moleculele aparținând zonelor adiacente ale materialului. În conducție, energia este transferată prin materie , dar fără mișcare macroscopică a acesteia;
- prin convecție : într-un fluid în mișcare, porțiuni ale fluidului se pot încălzi sau se pot răcori prin conducere intrând în contact cu suprafețe externe și apoi, în timpul mișcării lor (adesea turbulente), transferă (din nou prin conducere ) energia dobândită pe alte suprafețe , ducând astfel la un transfer de căldură prin advecție . Într-un câmp gravitațional precum cel terestru (asociat cu forța de greutate ), acest mod de transfer de căldură, numit convecție liberă, se datorează generației naturale de curenți advective, cald în sus și rece în jos, datorită diferențelor de temperatură . densitatea regiunilor fluide implicate în fenomen, în raport cu cele ale fluidului înconjurător;
- prin radiații : între două sisteme, transmisia căldurii poate avea loc la distanță (chiar și în vid), prin emisia , propagarea și absorbția undelor electromagnetice : de asemenea, în acest caz, corpul la o temperatură mai mică se încălzește și cel la o temperatura mai ridicata se raceste. [4] Mecanismul de iradiere nu necesită contact fizic între corpurile implicate în proces.
În practica tehnică și în ingineria instalațiilor în general, schimbul de căldură fără amestecare între diferite fluide are loc în dispozitive special concepute, numite schimbătoare de căldură .
Percepția temperaturii
Acest articol sau secțiune despre fizica este considerată a fi controlată . |
Senzatia de "cald" sau "rece" pe care o simti cand atingi un corp este determinata de temperatura acestuia si de conductivitatea termica a materialului din care este format, pe langa alti factori.
Deși este posibil să se compare temperaturile relative ale a două corpuri prin atingere (cu o anumită precauție), este imposibil să se dea o evaluare absolută. De exemplu, scufundând o mână în apă rece câteva secunde și cealaltă în apă fierbinte, apoi scufundându-le pe amândouă în apă caldă, primul va avea senzația că apa este fierbinte, a doua că este rece, deoarece temperatura percepută este relativă la cea a mâinii care efectuează măsurarea. Chiar și o evaluare relativă este adesea imposibilă. De exemplu, atingând o bucată de lemn și o bucată de metal care au fost în același mediu timp suficient pentru ca aceștia să atingă echilibrul termic cu mediul înconjurător, se are senzația că cea din metal este decisiv mai rece, din cauza diferitelor conductivitatea termică a celor două materiale. Un termometru pus mai întâi în contact cu lemnul, apoi cu metalul, ar măsura în schimb aceeași temperatură, care coincide cu cea a aerului din mediu, care poate fi aproximată ca sursă de căldură pentru tot ceea ce conține. Temperatura este un indice al energiei cinetice medii a particulelor corpului examinat, căldura este energia pe care un corp la o temperatură mai mare o transferă către un corp la o temperatură mai mică (până când ambele corpuri sunt la aceeași temperatură). Senzația de "cald și rece" se datorează atât diferenței de temperatură dintre mână și obiect, cât și vitezei cu care obiectul poate transfera (absorbi sau elibera) căldura mâinii (sau altui obiect la o temperatură diferită) . Cu cât transferul este mai rapid, cu atât obiectul pare mai fierbinte (sau rece) decât un obiect care transferă căldura mai încet.
Cu toate acestea, furnizarea de căldură unui corp nu numai că mărește temperatura, rezultând o senzație mai acută de căldură, dar produce și modificări direct măsurabile ale unor proprietăți fizice.
Notă
- ^ a b c d e ( RO ) DOE Fundamentals Handbook - "Termodinamică, transfer de căldură și flux de fluid", pp. 19-22. Arhivat la 20 decembrie 2016 la Internet Archive .
- ^ Univers , De Agostini, Novara, Vol. II, paginile 526-529
- ^ a b Conform standardului ISO 31-4.
- ^ Acest „sens obligatoriu” al transferului de căldură este stabilit de a doua lege a termodinamicii .
Bibliografie
- ( EN ) R. Byron Bird, Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena , ediția a doua, New York, Wiley, 2005, ISBN 0-470-11539-4 .
- ( EN ) Frank P. Incropera, David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer , ediția a VI-a, Wiley, 2006, ISBN 0-471-45728-0 .
Elemente conexe
Alte proiecte
-
Wikicitată conține citate din sau despre căldură -
Wikționarul conține dicționarul lema « căldură » -
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere în căutare
linkuri externe
- ( EN ) Heat , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
- ( RO ) IUPAC Gold Book, „căldură” , pe goldbook.iupac.org .
- Calore , în Treccani.it - Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene.
| Controlul autorității | Tesauro BNCF 6681 · LCCN (EN) sh85059758 · GND (DE) 4064171-5 · BNF (FR) cb119763299 (data) · NDL (EN, JA) 00.568.121 |
|---|
