В фізиці поняття “тепло” пов’язано з процесами передачі термічної енергії між різними тілами. Завдяки цим процесам відбувається нагрівання і охолодження тіл, а також зміна агрегатних станів. Розглянемо докладніше питання, що таке тепло.
Концепція поняття
Що таке тепло? Кожна людина може відповісти на це питання з побутової точки зору, маючи на увазі під цим поняттям відчуття, які виникають у нього при збільшенні температури навколишнього середовища. У фізиці під даним явищем розуміють процес передачі енергії, пов’язаний зі зміною інтенсивності хаотичного руху молекул і атомів, які утворюють тіло.
У загальному випадку можна сказати, що чим більше температура тіла, тим більше в ньому сховане внутрішньої енергії, і тим більшу кількість тепла воно може віддати іншим об’єктам.
Тепло і температура
Знаючи відповідь на питання, що таке тепло, багато хто може подумати, що ця концепція аналогічна поняттю “температура”, але це не так. Тепло – це кінетична енергія, температура – це міра цієї енергії. Так, процес передачі тепла залежить від маси речовини, кількості частинок, які його складають, а також від типу цих часток і середньої швидкості їх руху. В свою чергу температура залежить тільки від останнього з перерахованих параметрів.
Відмінність між теплом і температурою легко зрозуміти, якщо провести простий експеримент: необхідно в два посудини налити воду так, щоб один посудину був повний, а інший наповнений лише наполовину. Поставивши обидва судини на вогонь, можна спостерігати, що першим почне кипіти той, у якому менше води. Щоб закипів другий посудину, йому знадобиться ще деяка кількість тепла від вогню. Коли обидва судини будуть кипіти, то можна вимірювати їх температуру, вона виявиться однаковою (100 oC), але при цьому для повного судини знадобилося більше тепла, щоб вода в ньому закипіла.
Одиниці виміру тепла
Згідно з визначенням тепла у фізиці, можна здогадатися, що воно виміряється в тих же одиницях, що і енергія або робота, тобто в джоулях (Дж). Крім основної одиниці виміру тепла, у побуті часто можна чути про калорії (ккал). Під цим поняттям розуміють кількість теплоти, яку необхідно передати одному граму води, щоб її температура піднялася на 1 кельвін (До). Одна калорія дорівнює 4,184 Дж. Також можна чути про великих і малих калоріях, які є 1 ккал і 1 кал, відповідно.
Поняття теплоємності
Знаючи, що таке тепло, розглянемо фізичну величину, яка безпосередньо його характеризує – теплоємність. Під даним поняттям у фізиці мають на увазі кількість теплоти, яку необхідно віддати тіла або забрати у нього, щоб його температура змінилася на 1 кельвін (До).
Теплоємність конкретного тіла залежить від 2-х головних факторів:
- від хімічного складу і агрегатного стану, в якому представлено тіло;
- від його маси.
Щоб цю характеристику зробити не залежить від маси об’єкта, у фізиці тепла ввели другу величину – питому теплоємність, яка визначає кількість переданого або взятого тепла даними тілом на 1 кг його маси при зміні температури на 1 К.
Щоб наочно показати різниця в питомих теплоемкостях для різних речовин, можна для прикладу взяти 1 г води, 1 г заліза і 1 г соняшникової олії і нагрівати їх. Швидше всього температура змінюватиметься для сталевого зразка, потім для краплі олії, і в останню чергу для води.
Зазначимо, що питома теплоємність залежить не тільки від хімічного складу речовини, але і від його агрегатного стану, а також від зовнішніх фізичних умов, при яких вона розглядається (постійний тиск або постійний обсяг).
Головне рівняння процесу передачі тепла
Розібравшись з питанням, що таке тепло, слід навести основний математичний вираз, яке характеризується процес його передачі для абсолютно будь-яких тіл в будь-яких агрегатних станах. Цей вираз має вигляд: Q = c*m*T, де Q – кількість переданої (прийнятої) теплоти, c – питома теплоємність розглянутого об’єкта, m – його маса, ΔT – зміна абсолютної температури, яка визначається як різниця температур тіла в кінці і на початку процесу передачі тепла.
Важливо розуміти, що наведена формула буде справедливою завжди, коли під час розглянутого процесу об’єкт зберігає свій агрегатний стан, тобто залишається рідиною і твердим тілом або газом. В іншому випадку рівняння не можна використовувати.
Зміна агрегатного стану речовини
Як відомо, існує 3 основних агрегатних стани, в яких може перебувати матерія:
- газ;
- рідина;
- тверде тіло.
Щоб відбувся перехід з одного стану в інший, необхідно повідомити тілу або відняти у нього тепло. Для таких процесів у фізиці ввели поняття питомих теплот плавлення (кристалізації) і кипіння (конденсації). Всі ці величини визначають кількість тепла, необхідного для зміни агрегатного стану, яке виділяє або поглинає 1 кг маси тіла. Для цих процесів справедливо рівняння: Q = L*m, де L – питома теплота відповідного переходу між станами речовини.
Нижче наведемо основні особливості процесів зміни агрегатного стану:
- Ці процеси відбуваються при постійній температурі, наприклад, температурі кипіння або плавлення.
- Вони є оборотними. Наприклад, кількість тепла, яке поглинуло дане тіло, щоб розплавитися, точно дорівнює кількості тепла, яке виділитися у навколишнє середовище, якщо це тіло знову перейде у твердий стан.
Термічна рівновага
Це ще одне важливе питання, пов’язане з концепцією “тепло”, який необхідно розглянути. Якщо два тіла з різною температурою привести в контакт, то через деякий час температура у всій системі вирівняється і стане однаковою. Для досягнення термічної рівноваги тіла з більшою температурою повинно віддати тепло в систему, а тіло з меншою температурою повинно прийняти це тепло. Закони фізики тепла, що описують цей процес, можна виразити у вигляді комбінації головного рівняння передачі тепла і рівняння, яке визначає зміна агрегатного стану речовини (якщо таке є).
Яскравим прикладом процесу самовільного встановлення термічної рівноваги є розпечений залізний брус, який кинутий у воду. При цьому гаряче залізо буде віддавати воді тепло до тих пір, поки його температура не стане рівною температурі рідини.
Основні способи передачі тепла
Усі відомі людині процеси, які йдуть з обміном тепловою енергією, відбуваються трьома різними способами:
- Теплопровідність. Щоб відбувався теплообмін цим способом, необхідний контакт двох тіл з різною температурою. В зоні контакту на локально-молекулярному рівні відбувається передача кінетичної енергії від гарячого тіла до холодного. Швидкість цієї теплопередачі залежить від здатності беруть участь тел проводити тепло. Яскравим прикладом теплопровідності є торкання людиною металевого стрижня.
- Конвекція. Цей процес вимагає переміщення речовини, тому він спостерігається тільки в рідинах і газах. Суть конвекції полягає в наступному: коли газові або рідкі шари нагріваються, то їх щільність зменшується, тому вони прагнуть піднятися вгору. Під час свого підйому в об’ємі рідини або газу вони переносять тепло. Прикладом конвекції є процес закипання води в чайнику.
- Випромінювання. Цей процес передачі тепла відбувається за рахунок випущення нагрітим тілом електромагнітного випромінювання різних частот. Сонячне світло – яскравий приклад випромінювання.
