Todas las sustancias tienen energía interna. Este valor se caracteriza por una serie de propiedades físicas y químicas, entre las que se debe prestar especial atención al calor. Esta cantidad es un valor matemático abstracto que describe las fuerzas de interacción entre las moléculas de una sustancia. Comprender el mecanismo del intercambio de calor puede ayudar a responder la pregunta de cuánto calor se liberó durante el enfriamiento y calentamiento de las sustancias, así como su combustión.
Historia del descubrimiento del fenómeno del calor
Inicialmente, el fenómeno de la transferencia de calor se describió de manera muy simple y clara: si la temperatura de una sustancia aumenta, recibe calor, y en el caso de enfriarse, lo libera al medio ambiente. Sin embargo, el calor no es parte integrante del líquido o cuerpo considerado, como se pensaba hace tres siglos. La gente creía ingenuamente que la materia consta de dos partes: sus propias moléculas y el calor. Ahora bien, pocas personas recuerdan que el término "temperatura" en latín significa "mezcla" y, por ejemplo, se hablaba del bronce como "la temperatura del estaño y el cobre".
En el siglo XVII, aparecieron dos hipótesis quepodría explicar claramente el fenómeno del calor y la transferencia de calor. El primero fue propuesto en 1613 por Galileo. Su redacción fue: "El calor es una sustancia inusual que puede penetrar dentro y fuera de cualquier cuerpo". Galileo llamó a esta sustancia calórica. Sostuvo que el calórico no puede desaparecer ni colapsar, sino que solo es capaz de pasar de un cuerpo a otro. En consecuencia, cuanto más calórico haya en la sustancia, mayor será su temperatura.
La segunda hipótesis apareció en 1620, y fue propuesta por el filósofo Bacon. Notó que bajo los fuertes golpes del martillo, el hierro se calentaba. Este principio también operaba al encender un fuego por fricción, lo que llevó a Bacon a pensar en la naturaleza molecular del calor. Argumentó que cuando un cuerpo se ve afectado mecánicamente, sus moléculas comienzan a golpear unas contra otras, aumentan la velocidad de movimiento y, por lo tanto, elevan la temperatura.
El resultado de la segunda hipótesis fue la conclusión de que el calor es el resultado de la acción mecánica de las moléculas de una sustancia entre sí. Durante mucho tiempo, Lomonosov trató de corroborar y probar experimentalmente esta teoría.
El calor es una medida de la energía interna de la materia
Los científicos modernos han llegado a la siguiente conclusión: la energía térmica es el resultado de la interacción de moléculas de sustancias, es decir, la energía interna del cuerpo. La velocidad de movimiento de las partículas depende de la temperatura, y la cantidad de calor es directamente proporcional a la masa de la sustancia. Entonces, un balde de agua tiene más energía térmica que una taza llena. Sin embargo, un platillo de líquido calientepuede tener menos calor que un lavabo frío.
La teoría del calórico, que fue propuesta en el siglo XVII por Galileo, fue refutada por los científicos J. Joule y B. Rumford. Demostraron que la energía térmica no tiene masa y se caracteriza únicamente por el movimiento mecánico de las moléculas.
¿Cuánto calor se liberará durante la combustión de una sustancia? Valor calorífico específico
Hoy en día, la turba, el petróleo, el carbón, el gas natural o la madera son fuentes de energía universales y ampliamente utilizadas. Cuando estas sustancias se queman, se libera una cierta cantidad de calor, que se utiliza para calentar, arrancar mecanismos, etc. ¿Cómo se puede calcular este valor en la práctica?
Para ello se introduce el concepto de calor específico de combustión. Este valor depende de la cantidad de calor que se libera durante la combustión de 1 kg de una determinada sustancia. Se denota con la letra q y se mide en J/kg. A continuación se muestra una tabla de valores de q para algunos de los combustibles más comunes.
Al construir y calcular motores, un ingeniero necesita saber cuánto calor se liberará cuando se queme cierta cantidad de sustancia. Para hacer esto, puede usar medidas indirectas usando la fórmula Q=qm, donde Q es el calor de combustión de la sustancia, q es el calor específico de combustión (valor de la tabla) y m es la masa dada.
La formación de calor durante la combustión se basa en el fenómeno de liberación de energía durante la formación de enlaces químicos. El ejemplo más simple es la combustión del carbón, que está contenidoen cualquier tipo de combustible moderno. El carbono se quema en presencia del aire atmosférico y se combina con el oxígeno para formar dióxido de carbono. La formación de un enlace químico procede con la liberación de energía térmica en el medio ambiente, y el hombre se ha adaptado para utilizar esta energía para sus propios fines.
Lamentablemente, el gasto irreflexivo de recursos tan valiosos como el petróleo o la turba pronto puede conducir al agotamiento de las fuentes para la producción de estos combustibles. Ya hoy están apareciendo electrodomésticos e incluso nuevos modelos de coches cuyo funcionamiento se basa en fuentes de energía alternativas como la luz solar, el agua o la energía de la corteza terrestre.
Transferencia de calor
La capacidad de intercambiar energía térmica dentro de un cuerpo o de un cuerpo a otro se llama transferencia de calor. Este fenómeno no ocurre espontáneamente y ocurre solo con una diferencia de temperatura. En el caso más simple, la energía térmica se transfiere de un cuerpo más caliente a un cuerpo menos calentado hasta que se establece el equilibrio.
No es necesario que los cuerpos estén en contacto para que se produzca el fenómeno de transferencia de calor. En cualquier caso, el establecimiento del equilibrio también puede ocurrir a una pequeña distancia entre los objetos en consideración, pero a una velocidad más lenta que cuando entran en contacto.
La transferencia de calor se puede dividir en tres tipos:
1. Conductividad térmica.
2. Convección.
3. Intercambio radiante.
Conductividad térmica
Este fenómeno se basa en la transferencia de energía térmica entre átomos o moléculas de materia. Causatransmisión: el movimiento caótico de las moléculas y su colisión constante. Debido a esto, el calor pasa de una molécula a otra a lo largo de la cadena.
El fenómeno de la conductividad térmica se puede observar cuando se calcina cualquier material de hierro, cuando el enrojecimiento de la superficie se extiende suavemente y se desvanece gradualmente (se libera una cierta cantidad de calor en el medio ambiente).
F. Fourier derivó una fórmula para el flujo de calor, que recopiló todas las cantidades que afectan el grado de conductividad térmica de una sustancia (ver figura a continuación).
En esta fórmula, Q/t es el flujo de calor, λ es el coeficiente de conductividad térmica, S es el área de la sección transversal, T/X es la relación de la diferencia de temperatura entre los extremos del cuerpo ubicados en cierta distancia.
La conductividad térmica es un valor tabular. Es de importancia práctica al aislar un edificio residencial o el aislamiento térmico de equipos.
Transferencia de calor radiante
Otra forma de transferencia de calor, que se basa en el fenómeno de la radiación electromagnética. Su diferencia con la convección y la conducción de calor radica en el hecho de que la transferencia de energía también puede ocurrir en el espacio vacío. Sin embargo, como en el primer caso, se requiere una diferencia de temperatura.
El intercambio radiante es un ejemplo de la transferencia de energía térmica del Sol a la superficie de la Tierra, que es la principal responsable de la radiación infrarroja. Para determinar cuánto calor llega a la superficie terrestre se han construido numerosas estaciones, quemonitorear el cambio en este indicador.
Convección
El movimiento convectivo de los flujos de aire está directamente relacionado con el fenómeno de la transferencia de calor. Independientemente de cuánto calor impartamos a un líquido o gas, las moléculas de la sustancia comienzan a moverse más rápido. Debido a esto, la presión de todo el sistema disminuye y el volumen, por el contrario, aumenta. Esta es la razón del movimiento hacia arriba de las corrientes de aire caliente u otros gases.
El ejemplo más simple del uso del fenómeno de la convección en la vida cotidiana puede llamarse calentar una habitación con baterías. Están ubicados en la parte inferior de la habitación por una razón, pero para que el aire caliente tenga espacio para subir, lo que conduce a la circulación de flujos alrededor de la habitación.
¿Cómo se puede medir el calor?
El calor de calentamiento o enfriamiento se calcula matemáticamente usando un dispositivo especial: un calorímetro. La instalación está representada por un gran recipiente termoaislante lleno de agua. Se sumerge un termómetro en el líquido para medir la temperatura inicial del medio. Luego, un cuerpo calentado se sumerge en el agua para calcular el cambio de temperatura del líquido una vez que se establece el equilibrio.
Al aumentar o disminuir t, el entorno determina cuánto calor se debe gastar para calentar el cuerpo. El calorímetro es el dispositivo más simple que puede registrar cambios de temperatura.
Además, usando un calorímetro, puedes calcular cuánto calor se liberará durante la combustiónsustancias Para ello, se coloca una “bomba” en un recipiente lleno de agua. Esta "bomba" es un recipiente cerrado en el que se encuentra la sustancia de prueba. Se le conectan electrodos especiales para incendios provocados y la cámara se llena con oxígeno. Después de la combustión completa de la sustancia, se registra un cambio en la temperatura del agua.
En el curso de tales experimentos, se estableció que las fuentes de energía térmica son reacciones químicas y nucleares. Las reacciones nucleares tienen lugar en las capas profundas de la Tierra, constituyendo la principal reserva de calor de todo el planeta. También son utilizados por los humanos para generar energía a través de la fusión nuclear.
Ejemplos de reacciones químicas son la combustión de sustancias y la descomposición de polímeros en monómeros en el sistema digestivo humano. La calidad y cantidad de enlaces químicos en una molécula determina cuánto calor se libera finalmente.
¿Cómo se mide el calor?
La unidad de calor en el sistema internacional SI es el joule (J). También en la vida cotidiana se utilizan unidades fuera del sistema: calorías. 1 caloría equivale a 4,1868 J según el estándar internacional y 4,184 J según la termoquímica. Anteriormente, había un btu btu, que los científicos rara vez usan. 1 BTU=1,055 J.
