Varme

Varme er energien i transitt som gjenkjennes bare når grensen til et termodynamisk system krysses . [ 1 ] Vel inne i systemet, eller i omgivelsene, hvis overføringen skjer fra innsiden til utsiden, blir den overførte varmen en del av den indre energien til systemet eller omgivelsene, alt ettersom. Begrepet varme skal derfor forstås som varmeoverføring og oppstår kun når det er forskjell i temperatur og i retning fra høyere til lavere. Det følger at det ikke er varmeoverføring mellom to systemer som har samme temperatur .

Varmens natur

Ofte i dagligtale brukes uttrykk som Mengde varme i en kropp eller varmeøkning , og det gjøres fordi de ikke forårsaker noen misforståelser og kanskje fordi det ikke er noe teknisk alternativ som er så intuitivt, men i teknisk forstand er de feil. . Varme, sett fra fysikk, er det ikke , varme er en overføring . [ 2 ] Det en kropp har er termisk energi ; enda bedre, hvis kroppen betraktes som et termodynamisk system , har den totale energien til systemet to former: makroskopisk og mikroskopisk . Den makroskopiske energien er den som systemet har med referanse til en ekstern kilde, slik som kinetisk og potensiell energi . Det mikroskopiske er dens grad av molekylær aktivitet, som er uavhengig av det eksterne referansesystemet og er det som er kjent som systemets indre energi og er representert av .

Molekylene i et system rystes med en viss hastighet; I tillegg roterer og vibrerer de uregelmessig, og all denne bevegelsen gir dem kinetisk energi , som er den delen av den indre energien som er fornuftig energi , fordi gjennomsnittshastigheten til molekylene er proporsjonal med temperaturen , som er det vi kan oppfatte. Men molekylene er også forent av tiltrekningskrefter som er sterkere i faste stoffer, nedgang i væsker og enda mer i gasser, slik at et system i gassform innebærer en energi som har vært nødvendig for å overvinne intermolekylære krefter. Denne energien som har med fasen systemet er i, kalles latent energi . Atomer holdes sammen av bindinger som dannes og ødelegges i kjemiske reaksjoner. Den indre energien forbundet med atombindinger er den kjemiske energien . Og til slutt utgjør tiltrekningskreftene i kjernen av atomer kjerneenergi , som frigjøres i kjernefysiske reaksjoner. Alle disse energiformene er lagret inne i systemet og utgjør dets indre energi .

Men det er former for energi som ikke kan lagres, som bare dukker opp når det er interaksjon og utgjør det vi kaller energien som systemet oppnår eller taper. Disse energiformene er varmeoverføring og arbeid . Når opprinnelsen eller drivkraften til interaksjonen er en temperaturforskjell, sier vi at det er varme ; ellers er det jobb .

Kort fortalt er det veldig vanlig å omtale sansbar og latent energi som varme, og det er greit i daglig tale, men det er faktisk termisk energi, som er veldig forskjellig fra varmeoverføring.

Historien om teorien om varme

Den første formelle referansen til viktigheten av ild finnes i Heraclitus (540 f.Kr.-475 f.Kr.), som mente at ild var den opprinnelige opprinnelsen til materie.

For Anaximenes er varmt og kaldt vanlige materietilstander. Han mente at det som var komprimert og kondensert var kaldt, og at det som var sjeldent og "løst" var varmt, derfor sto ifølge ham "rarefaksjonen" for prosessen der ting ble varmet opp, til de ble omdannet til damp.

Aristoteles (384 f.Kr.-322 f.Kr.), la til to par grunnleggende egenskaper: varmt og kaldt, tørt og vått. Grunnen til at en kropp hadde en viss temperatur ble gitt av mengdene som disse to grunnleggende egenskapene ble funnet i den.

Galen (129-199) foreslo en kvalitativ skala som besto av fire varmetilstander og fire kuldetilstander, nøytralpunktet ble oppnådd ved å tilsette fire deler kokende vann og fire deler is. [ 3 ]

Disse ideene ble opprettholdt i mer enn 23 århundrer. Det er merkelig å merke seg at det allerede i denne perioden ble forstått at noen av de fysiske fenomenene, som utvidelse av faste stoffer og væsker, og termisk utvidelse av luft og damp, var avhengig av varme, men de tok ikke hensyn til temperaturer. fordi de ikke gjorde det, var de en del av egenskapene som refereres til i aristotelisk fysikk .

Aristoteles ideer begynner å bli stilt spørsmål ved midten av 1500-tallet, da eksistensen av en kvintessens av materie, eksistensen av et universelt middel som er ansvarlig for alle kjemiske reaksjoner, foreslås. Robert Boyle (1627-1691), benektet brannen enhver kroppslig karakter og mente at det burde være en viss enhet av materie, noe som tilsa at den skulle være sammensatt av blodlegemer.

I mellomtiden, i det syttende århundre og de første årene av det attende, oppsto diskusjoner om materiens struktur og en annen viktig begivenhet i varmehistorien skjedde, Georg Stahl (1660-1734) uttaler teorien om flogiston . Dette må ikke forveksles med materiell brann, som manifesterer seg i flammen og i varmen når forbrenningen skjer, men det er snarere et utilgjengelig element som alle brennbare legemer besitter.

I løpet av 1600-tallet ble to teorier om varme motarbeidet, den om flogiston , og den som ble forsvart av tilhengerne av de greske atomistene , som innrømmet ildens kroppslighet, med tanke på at den var bygd opp av små, lette og subtile partikler , som de igjen hadde en enorm mobilitet til å trenge gjennom materie i dens forskjellige tilstander, i stand til å operere ganske enkelt med deres tilstedeværelse i form av en uoversiktlig væske, den kaloriske . Mellom 1775 og 1787 utarbeidet Lavoisier en teori om gasser, der han introduserte kaloriprinsippet. I denne perioden oppsto begrepet temperatur og termometre begynte å bli bygget for å måle kulden til ting. Joseph Black (1728-1799) brukte disse termometrene til å studere varme, og observerte hvordan forskjellige stoffer ved forskjellige temperaturer hadde en tendens til å nå likevekt når de kom i kontakt. [ 4 ]

I 1798 observerte Benjamin Thompson , jarl av Rumford, i Bayern , at når man boret våpen, var mengden varme som ble oppnådd avhengig av tilstanden til boret, og konkluderte med at varme ikke var en væske, men en form for bevegelse. Han utledet muligheten for å generere en ubegrenset mengde varme ved friksjon , siden varmen som ble generert var omtrent proporsjonal med arbeidet som ble utført, et faktum som ikke var lett å argumentere med kaloriteorien. I 1812 bekreftet Humphry Davy den forrige antagelsen. Denne ideen kulminerte i arbeidet til legen og fysikeren Julio R. von Mayer i 1842 og senere og definitivt i 1850 med James Prescott Joule , som slo fast at varme og arbeid ikke er annet enn manifestasjoner av termisk energi, som kan omdannes i en prosent til arbeid, mens arbeid fullt ut kan omdannes til varme. [ 5 ]

Til slutt ble det funnet at varme ikke kunne forstås som en materiell substans, men snarere er en form for energi. Målinger av den mekaniske ekvivalenten til varme signaliserte slutten på kaloriteorien. Fra alt dette oppstår termodynamikk og fra den varmemotoren . Samtidig som termodynamikken begynte, ble den molekylære teorien om materie utviklet, som gjør det mulig å danne en sammenhengende idé om varme og fenomenene som griper inn. Den kinetiske teorien om gasser forklarte mange av fenomenene som ikke kunne forklares med kaloriteorien .

Spesifikk varme

Spesifikk varme er en parameter som avhenger av materialet og relaterer varmen som tilføres til en gitt masse av et stoff med temperaturøkningen:

hvor:

er varmen som tilføres systemet. er massen til systemet. er den spesifikke varmen til systemet. og er henholdsvis start- og slutttemperaturen til systemet. er temperaturforskjellen .

Enhetene for spesifikk varme er Den spesifikke varmen til et materiale avhenger av dets temperatur; Imidlertid er variasjonen i mange termodynamiske prosesser så liten at den spesifikke varmen kan anses å være konstant.

Hvis oppvarmingen av en væske er representert på en graf, er varmemengdene per masseenhet representert som ordinater og temperaturene som abscisse. Mellom to vilkårlige temperaturer uttrykkes gjennomsnittlig spesifikk varme: [ 6 ]

Hvor er mengden varme som stoffet mottar eller gir fra seg mellom temperaturer og . Imidlertid vil den sanne spesifikke varmen for være

Den sanne spesifikke varmen er gitt av variasjonen av mengden varme som utveksles per masseenhet med hensyn til temperatur, eller grafisk, av helningen til den geometriske tangenten ved punktet på tilstandskurven. Det kan sees i figuren, forskjellen mellom de sanne spesifikke varmene, representert av stigningene til tangentene til kurven, og de gjennomsnittlige spesifikke varmene mellom to temperaturer, representert ved helningen til korden som forbinder begge punktene.

For de fleste kropper øker den spesifikke varmen med temperaturen og forskjellen mellom middelverdier og sanne verdier er liten, forutsatt at temperaturvariasjonen også er liten. For vann er qt-kurven praktisk talt en rett linje, noe som indikerer at dens spesifikke varme forblir, innenfor visse grenser, praktisk talt konstant, vanligvis tatt som 4186 kJ/kg.

Molar spesifikk varme

Det er ofte veldig nyttig å snakke om molar spesifikk varme betegnet med c mol , og definert som mengden energi som trengs for å heve temperaturen på en mol av et stoff med 1 grad, det vil si at den er definert av:

hvor n indikerer antall mol stoff som er tilstede.

Varmekapasitet

Varmekapasiteten til et stoff er en størrelse som indikerer større eller mindre vanskeligheter som nevnte stoff har for å oppleve temperaturendringer under tilførsel av varme. Det er angitt med , måles i , og er definert som:

Gitt:

På samme måte kan den molare varmekapasiteten defineres som:

Faseendringer

I naturen er det tre vanlige tilstander av materie: fast , flytende og gass . Ved å tilføre varme til et stoff, kan det endre seg fra en tilstand til en annen. Disse prosessene er kjent som faseendringer . De mulige faseendringene er:

Latent varme

At et fast legeme kan være i termisk likevekt med en væske eller en gass , eller at en væske og en gass kan være i termisk likevekt med hverandre, over et bredt temperaturområde, er normalt og hyppig. Men det som ikke er så normalt er at to forskjellige faser eller aggregeringstilstander av samme substans kan være i termisk likevekt med hverandre, naturlig under passende omstendigheter.

Et system som består av faste og flytende former av et gitt stoff, ved et gitt konstant trykk, kan være i termisk likevekt, men bare ved en temperatur som kalles smeltepunktet, noen ganger symbolisert som . Ved denne temperaturen investeres all den tilførte varmen i å smelte materialet så lenge det er igjen en fast partikkel, uten en vesentlig endring i temperaturen. Mengden energi som tilføres kalles fusjonsvarmen , den latente fusjonsvarmen eller fusjonsentalpien , og den er forskjellig for hvert stoff. Det er merket med .

Å gå fra flytende til fast stoff krever samme mengde energi, så fusjonsvarmen representerer energien som trengs for å skifte fra fast til flytende, og omvendt.

Tilsvarende kan en væske og en damp av samme stoff være i termisk likevekt ved en temperatur som kalles kokepunktet symbolisert med . Varmen som kreves for å fordampe et stoff i flytende tilstand (eller kondensere et stoff i damptilstand) kalles kokevarmen eller den latente kokevarmen eller kokeentalpien , og måles i de samme enhetene som den latente varmen av fusjon. Det er merket med .

Følgende tabell [ 7 ] viser noen verdier for smelte- og kokepunktene, og de latente fusjons- og fordampningsvarmene til noen stoffer:

stoffer [°C] [kJ/kg] [°C] [kJ/kg]
Isvann 0, 00 334 100,00 2260
Etyl alkohol -114,00 105 78, 3 846
Aceton -94, 3 96 56, 2 524
Benzen 5, 5 127 80, 2 396
Aluminium 658, 7 322-394 2300 9220
Tinn 231, 9 59 2270 3020
Jern 1530 293 3050 6300
Kobber 1083 214 2360 5410
Merkur -38, 9 11, 73 356, 7 285
Lede 327, 3 22, 5 1750 880
Kalium 64 60, 8 760 2080
Natrium 98 113 883 4220

Varmeoverføring

Generelt er det tre forskjellige måter å overføre varme på: ved ledning, ved konveksjon og ved stråling. Strengt tatt er det kun ledning og stråling som er former for varmeoverføring, som utelukkende er avhengig av at det oppstår en termisk ubalanse. Tilfellet med konveksjon avhenger også av den mekaniske transporten av masse, men siden det fortsatt er en overføring av varme fra et område med høyere temperatur til et annet med lavere temperatur, brukes uttrykket varmeoverføring ved konveksjon.

Enkel overføring, det vil si utelukkende på grunn av en av de tre formene, er i praksis ikke-eksisterende og skjer alltid samtidig, i det minste ved kombinasjonen av to av overføringsformene og veldig ofte av alle tre.

Varmemåling

Hvis du har et legeme i termodynamisk likevekt og du lar det ligge i et medium som har en annen temperatur, skjer det en overføring av energi mellom kroppen og omgivelsene til termisk likevekt er nådd , det vil si til begge har samme temperatur. samme temperatur, på hvilket tidspunkt overføringen opphører. Energien sies å ha blitt overført som varme.

Termodynamikk studerer likevektstilstandene og lar oss, ved den første loven , bestemme forskjellen i varme mellom tilstand 1 og tilstand 2, både i kroppen og i mediet den var nedsenket i. Hvis det innrømmes at det ikke har vært mer interaksjon enn det på grunn av temperaturforskjellen, er variasjonen av indre energi til kroppen og mediet like, og både den ene og den andre informerer om mengden varme som er nødvendig for å gå fra tilstanden 1 til stat 1. 2, men de forteller oss ikke noe om hvordan varmestrømmen mellom de to tilstandene har vært, og heller ikke hva tidsforbruket for overføringen har vært.

Som en form for energi har varme enheter av energi , så hvis vi holder oss til det internasjonale enhetssystemet, vil det bli målt i Joule . [ 8 ] Tatt i betraktning at denne enheten er veldig liten og at masseenheten er kg, tas kilojoule normalt , som definert som varme vil være:

En kiloJoule er varmen som må overføres til 1 kg vann for å øke temperaturen med omtrent 0,24 K. [ 9 ]

Når det er nødvendig å vite varmestrøm eller mengde varme som overføres per tidsenhet, er og vil det søkes målt i kJ/s, det vil si i kW. Beregningen av varmestrømmen og dens overføringsmoduser samsvarer ikke med termodynamikk, men til en annen del av fysikken som er Heat Transfer .

Varme er en størrelse med retning, derfor er det nødvendig å gi den et tegn for å fullføre informasjonen. Det er ikke en total enighet om det konvensjonelle skiltet, men det mest aksepterte er:

Varmeoverføring til et system er positiv og varmeoverføring fra systemet er negativ. [ 10 ]

Kalorimetri

For direkte å bestemme varmen som avsløres i en laboratorieprosess, brukes ofte et kalorimeter . I hovedsak er det en beholder som vil inneholde væsken der variasjonen av energi på grunn av varmeoverføring skal studeres, hvis konvolutt må være perfekt isolert for å garantere at prosessen er så nær adiabatisk som mulig .

Termodynamikk og varmeoverføring

Termodynamikk rapporterer varmeoverføringen til en prosess, uten å vurdere mekanismen for varmestrøm eller tiden som kreves for å utføre overføringen. En termodynamisk studie bestemmer hvor mye varme som må overføres for å gjøre overgangen fra en tilstand til en annen, basert på det første prinsippet eller prinsippet om bevaring av energi . Fra et teknisk synspunkt er hovedproblemet å beregne varmeoverføringshastigheten for en gitt temperaturforskjell. Termodynamikk omhandler likevektstilstander og endringene som skjer mellom en likevektstilstand og en annen. Varmeoverføring omhandler imidlertid fenomenene som oppstår fra eksistensen av en termisk ubalanse og krever derfor en ikke-likevektstilstand. Følgelig kan ikke studiet av varmeoverføring baseres på prinsippene for termodynamikk alene, men disse, og eventuelle fysiske lover som må tilfredsstilles av en prosess, gir ligninger som kan brukes i analysen.

Måten å anvende termodynamikkens første lov er å etablere et kontrollvolum, som er et fast område av rommet avgrenset av en kontrolloverflate og som varme, arbeid og masse kan passere gjennom. Derfra kan en energibalanse lages: [ 11 ]

Hastigheten som termisk og mekanisk energi kommer inn i et kontrollvolum, pluss hastigheten som energi genereres i det, minus hastigheten som termisk og mekanisk energi forlater det med, må være lik. med hastigheten som energi akkumuleres i dette volumet .

Vi nevnte tidligere at termodynamisk analyse ikke tar for seg varmeoverføringshastigheten i én retning, men det kan sies at denne parameteren avhenger av størrelsen på temperaturgradienten, eller temperaturforskjellen per lengdeenhet, eller forholdstemperaturendringen i den. retning. Jo større temperaturgradient, desto større er varmeoverføringshastigheten.

Varmeoverføring i prosjektering

Nominelle kapasitetsproblemer handler om å bestemme hastigheten for varmeoverføring i et eksisterende system ved en gitt temperaturforskjell. Dimensjoneringsproblemer handler om å bestemme størrelsen på et system for å overføre varme med en gitt hastighet med en gitt forskjell i temperatur. En varmeoverføringsprosess eller utstyr kan analyseres eksperimentelt eller analytisk. Den eksperimentelle prosedyren har fordelen av å håndtere det virkelige fysiske systemet, og takket være dette bestemmes ønsket mengde ved måling, innenfor grensene for eksperimentell feil. Den analytiske prosedyren har fordelen av å være rask og billig, men resultatene som oppnås avhenger av riktigheten av hypotesene og idealiseringene etablert i analysen. I varmeoverføringsstudier oppnås ofte en god tilnærming ved å redusere valgene til bare noen få gjennom analyse og deretter verifisere funnene eksperimentelt.

Følelse av varme hos mennesker

Å prøve å kvantifisere varme i den forstand vi bruker den i daglig tale er mer komplisert enn det ser ut til, siden det avhenger av mange flere variabler og fremfor alt mer uforutsigbare enn de som har blitt påpekt så langt. Starter med landet, området, klimaet, går gjennom lysstyrken eller den dominerende fargen og til og med kjønn og den følelsesmessige situasjonen til individet kan påvirke den termiske følelsen .

Generelt, i de fleste land, snakker man om varme når temperaturen overstiger 26 °C når som helst på døgnet, selv om det varierer mye avhengig av årstiden. For eksempel regnes 20 °C om sommeren som en kjølig temperatur, mens om vinteren regnes denne temperaturen som mild eller varm.

Fenomenet " hetebølge " kunngjøres når dagtemperaturer overstiger 32 °C og natttemperaturer (eller ved daggry) ikke faller under 23 °C på tre dager. Den er vanlig i nesten alle typer klima i sommersesongen, med unntak av land nær polene, hvor den er svært sjelden eller nesten ikke-eksisterende, og den blir hyppigere etter hvert som landene er nærmere tropene. Denne betegnelsen på hetebølge betyr ikke nødvendigvis overdreven varme eller uvanlige temperaturer for årstiden, men den er ment å varsle om skadelige konsekvenser for mennesker eller sårbare grupper.

Du føler deg varmere når det er mer fuktighet i miljøet. For eksempel vil en temperatur på 30 °C, med en luftfuktighet på 10 %, føles som om miljøet bare er 28 °C. Men med en luftfuktighet på 90 %, vil det føles som om miljøet er 40 °C.

Se også

Referanser

  1. ↑ Bernal, José Alfredo Jiménez; Torres, Claudia del Carmen Gutierrez; Saldaña, Juan Gabriel Barbosa (21. oktober 2014). termodynamikk . Hjemlandets redaksjonsgruppe. ISBN  9786074389388 . Hentet 8. februar 2018 . 
  2. ↑ Gómez, Pedro og Esteban Glez. termodynamikk .
  3. ↑ Taton, Rene. Generell vitenskapshistorie. Vitenskapene i den gresk-romerske verden . isbn 84-4020-16-13.
  4. ↑ Asimov, Isaac. Introduksjon til vitenskap , side 335.
  5. ↑ Facorro, JA Kurs i termodynamikk , side 30.
  6. ↑ Facorro Ruiz, LA Kurs i termodynamikk , side 12. Ediciones Melior (1989).
  7. ↑ Koshkin, NI & MG Shirkevich. Håndbok i elementær fysikk , s. 74-75. Redigere. se. (1975).
  8. ↑ Det fortsetter å bli brukt i noen tekster, i spesifikasjonene til enkelte varmeapparater og spesielt i matens energiske kraft, kalorier og kilokalorier, men det anbefales at disse enhetene forlates og eksklusiv bruk av det internasjonale systemet for Enheter. Det samme gjelder BTU
  9. ↑ Det er omtrentlig fordi det ville være nødvendig å definere forholdene til vannet i alle aspekter, ikke bare i starttemperaturen, siden dets spesifikke varme kan variere mye.
  10. ↑ Varmetilførsel er positiv og varmefjerning er negativ. For eksempel: varmetapene til et rom om vinteren er negative, og varmen som gis av varmesystemet for å kompensere dem er positiv.
  11. ↑ Kreith, Frank og Mark S. Bohn. Principles of Heat Transfer , side 47. Thomson Publishers. (2001)

Bibliografi

Eksterne lenker