Hő
A hőkutatás története, ötletek a hővel kapcsolatban
Azok a fizikusok, akik történelmileg tanulmányozták és megmérték a termikus jelenségeket, kezdetben nem különböztették meg jól a hőt és a hőmérsékletet. Azonban folyamatosan feltették maguknak a kérdést - mit mér valójában a hőmérő? A hőmérsékletet mérő és az egyik típusú hőmérőt építő francia Guillaume Amontons (1663 - 1705) már a 17. században azt állította, hogy a hőmérő nem a hő mennyiségét, hanem a test fűtési fokát mutatja. A hőmérő a test egyfajta pillanatnyi "belső" állapotát jelzi. Ma ezt az elméletet helyesnek tartjuk, bár a szakmai világ akkor még nem fogadta el.
A hő kérdésére adott válasz az idők folyamán alakult ki. Eleinte a hőt és a hideget két különböző anyagnak gondolták, amelyek egymást váltották. Ma már tudjuk, hogy ez nem volt a helyes elmélet, és hogy a hideg csak hőhiány. Később felmerült az elmélet, miszerint a hő finom, súlyozhatatlan, láthatatlan, rugalmas folyadék, az úgynevezett kalóriatartalmú (amely szerint ma az egyik hőegységet nevezik kalóriának), amely minden lehetséges anyagtípusba behatol és a részecskék közötti résekben marad. Ez az elmélet kielégítő magyarázatot tudott adni egyes hőjelenségekre (például arra, hogy az egyik test miért melegedhet fel a másikból).
Benjamin Thomson (később Rumford grófnak hívták) azonban végzett egy olyan kísérletet, amely bebizonyította a kalória nem létezését. A müncheni tüzérműhelyekben tette, ahol főként tompa acélból készült ágyúkat fúrt. Főleg pirosra váltak, és egy idő után a hűtésükre használt víz forrni kezdett. Ha a kalórsav a fúrás következtében kiszivárog az ágyúcsőből, annak ellátását végül kimeríteni kellene. De hetekig nem történt meg. Rumord ezért arra a következtetésre jutott a hő mozgás és nem számít. A részecskék mozgatásának bizonyos módjaként jellemezte, amely a hőmérséklettől függ, ezért hívjuk hőmozgás.
A hő a belső energia testek közötti átadásának speciális módja, aminek a lényege nem a munka (vagyis amikor egy ballonban a gázt kompresszióval látjuk el energiával, akkor munkát végzünk, és ha ennek következtében a gáz hőmérséklete emelkedik, akkor semmilyen hőt nem adtunk át) vagy vegyi munkát. Meg kell jegyezni, hogy a hő csak a részecskék mozgása által biztosított energiaátadás, nem maga az energia. Tehát nem azt mondhatjuk, hogy egy testnek "hője van", hanem csak azt, hogy némi hő átkerült vagy befogadódott.
Hőelvezetés (csere)
A hő a testek között cserélhető (elosztható). A termodinamika második törvénye azt mondja, a hő átkerül egy melegebb testből egy hidegebbé (azaz egy melegebb test továbbítja a hőt egy hidegebbé), soha nem fordítva. A hő 3 különböző módon osztható el: menedzsment, folyam a sugárzás (sugárzás).
Hővezetés úgy működik, hogy a magasabb hőmérsékletű testrészben lévő atomok gyorsabban oszcillálnak, és így ütköznek az alacsonyabb hőmérsékletű testrész atomjaival. Ennek eredményeként energiájuk egy részét lassabban szállítják és rezgik, mint korábban, de az energiát befogadó atomok gyorsabban oszcillálnak, mint korábban. Rezgéssel az energia a testben addig terjed, amíg a hőmérséklet kiegyenlítődik. Hővezetés történik az általuk megérintett testek között is. A melegebb test átadja a hőt egy hidegebbnek, amíg a hőmérséklet kiegyenlítődik. Egyes anyagok (különösen a fémek) nagyon jól vezetik a hőt, ezért hívjuk őket hővezetők. Egyes anyagok (fa, üveg, műanyagok, levegő) rosszul vezetik a hőt, ezért hívjuk őket hőszigetelők. A szigetelővel bélelt tartályt (amely biztosítja a lehető legkisebb hőszivárgást) hívják hőmennyiségmérő. A fizikában kalorimétert használunk hővel végzett kísérletekhez. A kaloriméter példája a termosz.
Folyam a hő folyadékokban terjed, azaz folyadékok a gázok. Példa erre a víz áramlása a központi fűtési kazánból a radiátorokba. Kisebb házaknál spontán áramlás alkalmazható (az alacsonyabb sűrűség miatt a meleg folyadék felfelé emelkedik, a hideg cseppek pedig lefelé), de szivattyút kell használni, ha meleg vizet szállítanak nagyobb számú radiátorba. Ha azonos mennyiségű, két azonos hőmérsékletű, különböző hőmérsékletű folyadékot keverünk össze, a kapott hőmérséklet megközelítőleg megegyezik az eredeti folyadékok hőmérsékletének számtani átlagával. Csak azért, mert a hő egy része a környezetbe távozik, és így a keletkező hőmérséklet kissé alacsonyabb lesz. Ha különböző folyadékmennyiségek összekeverése után meg akarjuk határozni a keletkező hőmérsékletet, használhatjuk az ún keverési egyenlet, amelyet a Lineáris egyenletek és az ezek segítségével megoldott szöveges feladatok cikkben is tárgyalok.
A hő is átterjedhet sugárzás. A hő sugárzással történő terjedéséhez nincs szükség közegre, ily módon vákuumban is továbbterjedhet. A sugárzás a napból ránk teríti a hőt, mivel vákuum van közte és a Föld között. A nap háromféle sugárzást sugároz felénk látható (amelyet klasszikus fénynek tekintünk, a napfény 48% -át teszi ki), infravörös (amelyet hőnek érzünk, a nap sugárzásának 45% - át teszi ki) és ultraibolya (ami a bőr barnulását okozza - barnulás, a túlzott dózis károsíthatja a bőrt, a szemet és rákot okozhat, a napfény 7% -át teszi ki). A látható fényt a 8. osztályban, az ultraibolya és az infravörös sugárzást csak a középiskolában tanítják.
A hő, mint fizikai mennyiség és a hő kiszámítása
A hő egy fizikai mennyiség, jelzéssel Q és az unió Joule [jaul], a joule márka az J.
Próbáljuk meg levezetni a hő kiszámításának módját: Tapasztalatból tudjuk, hogy minél több anyagra van szükségünk, annál több energiát fogyasztunk. Az anyag mennyiségét nem tudjuk kifejezni térfogatban, mert az a hőmérséklettől függően változik, ezért súlyként fejezzük ki (m). Továbbá tudjuk, hogy minél több energiát költünk, annál többre van szükségünk az anyag melegítésére, és ezt kifejezzük hőmérséklet-különbség ill. hőmérsékletváltozás (.T).
Mindegyik anyagnak azonban eltérő mennyiségű hőre van szüksége bizonyos mennyiségű hő felmelegítéséhez. Az anyagok ezen tulajdonsága az úgynevezett fizikai mennyiség tömeges hőkapacitás, a márkája az c és egység J / kg • ° C ill. J • kg -1 • ° C -1 (joule kilogrammonként Celsius-fok). Az adott anyagok tömeges hőkapacitásának értékei a táblázatokban találhatók.
A hő kiszámításának képlete tehát az Q = m • c • Δt.
Az ételek energiaértéke
Minden élethez energiára van szükség az olyan tevékenységek fenntartásához, mint a növekedés, a mozgás vagy a testhőmérséklet fenntartása. Egyes növények és állatok táplálékforrást jelentenek az emberek számára, ezért számukra energiaforrást jelentenek. Számos módszer létezik, amelyek segítségével meghatározható egy élelmiszer energiaértéke. Laboratóriumi módszerekkel meghatározhatjuk az élelmiszerben lévő energia mennyiségét az égetésével, és a termelt hő jelzi annak energiaértékét. Az élelmiszerekben található energia mennyiségét joule-ban vagy kilojoule (J, kJ) vagy régebbi kalóriaegységekben ill. kilokalória (cal, kcal). Általában 100 grammonként adják meg (azaz milyen energiaérték van az adott étel 100 g-ja).
Mit jelent a régebbi kalóriaegység? Meghatározása szerint az 1 g vízhez szükséges energiamennyiség 14,5 ° C és 15,5 ° C között van (nem elég csak 1 ° C körüli értéket írni, mert a hőmérséklet mellett a tömeges hőteljesítmény is kissé megváltozik). Egy kalória körülbelül 4.185J.