Semua zat memiliki energi dalam. Nilai ini dicirikan oleh sejumlah sifat fisik dan kimia, di antaranya perhatian khusus harus diberikan pada panas. Besaran ini merupakan nilai matematika abstrak yang menggambarkan gaya interaksi antar molekul suatu zat. Memahami mekanisme pertukaran panas dapat membantu menjawab pertanyaan tentang berapa banyak panas yang dilepaskan selama pendinginan dan pemanasan zat, serta pembakarannya.
Sejarah penemuan fenomena panas
Awalnya, fenomena perpindahan panas digambarkan dengan sangat sederhana dan jelas: jika suhu suatu zat naik, ia menerima panas, dan dalam kasus pendinginan, ia melepaskannya ke lingkungan. Namun, panas bukanlah bagian integral dari cairan atau benda yang dipertimbangkan, seperti yang diperkirakan tiga abad lalu. Orang-orang secara naif percaya bahwa materi terdiri dari dua bagian: molekulnya sendiri dan panas. Sekarang, hanya sedikit orang yang ingat bahwa istilah "suhu" dalam bahasa Latin berarti "campuran", dan, misalnya, mereka menyebut perunggu sebagai "suhu timah dan tembaga".
Pada abad ke-17, muncul dua hipotesis bahwadapat menjelaskan dengan jelas fenomena perpindahan panas dan panas. Yang pertama diusulkan pada tahun 1613 oleh Galileo. Kata-katanya adalah: "Panas adalah zat yang tidak biasa yang dapat menembus masuk dan keluar dari tubuh mana pun." Galileo menyebut zat ini kalori. Dia berpendapat bahwa kalori tidak bisa hilang atau runtuh, tetapi hanya mampu berpindah dari satu tubuh ke tubuh lainnya. Dengan demikian, semakin banyak kalori dalam suatu zat, semakin tinggi suhunya.
Hipotesis kedua muncul pada tahun 1620, dan diusulkan oleh filsuf Bacon. Dia memperhatikan bahwa di bawah pukulan kuat palu, besi memanas. Prinsip ini juga berlaku ketika menyalakan api dengan gesekan, yang membuat Bacon berpikir tentang sifat molekuler panas. Dia berargumen bahwa ketika sebuah benda dipengaruhi secara mekanis, molekul-molekulnya mulai saling memukul, meningkatkan kecepatan gerakan dan dengan demikian menaikkan suhu.
Hasil hipotesis kedua adalah kesimpulan bahwa kalor adalah hasil kerja mekanik molekul-molekul suatu zat satu sama lain. Untuk jangka waktu yang lama, Lomonosov mencoba untuk membuktikan dan secara eksperimental membuktikan teori ini.
Panas adalah ukuran energi internal materi
Ilmuwan modern telah sampai pada kesimpulan berikut: energi panas adalah hasil interaksi molekul zat, yaitu energi internal tubuh. Kecepatan pergerakan partikel tergantung pada suhu, dan jumlah panas berbanding lurus dengan massa zat. Jadi, seember air memiliki lebih banyak energi panas daripada cangkir yang diisi. Namun, piring berisi cairan panasmungkin memiliki kehangatan yang lebih sedikit daripada baskom dingin.
Teori kalori, yang diajukan pada abad ke-17 oleh Galileo, dibantah oleh ilmuwan J. Joule dan B. Rumford. Mereka membuktikan bahwa energi panas tidak memiliki massa dan hanya dicirikan oleh pergerakan mekanis molekul.
Berapa banyak panas yang akan dilepaskan selama pembakaran suatu zat? Nilai kalori spesifik
Saat ini, gambut, minyak, batu bara, gas alam, atau kayu adalah sumber energi universal dan banyak digunakan. Ketika zat-zat ini dibakar, sejumlah panas dilepaskan, yang digunakan untuk pemanasan, mekanisme awal, dll. Bagaimana nilai ini dapat dihitung dalam praktik?
Untuk ini, konsep panas spesifik pembakaran diperkenalkan. Nilai ini tergantung pada jumlah panas yang dilepaskan selama pembakaran 1 kg zat tertentu. Ini dilambangkan dengan huruf q dan diukur dalam J / kg. Di bawah ini adalah tabel nilai q untuk beberapa bahan bakar yang paling umum.
Saat membuat dan menghitung mesin, seorang insinyur perlu mengetahui berapa banyak panas yang akan dilepaskan ketika sejumlah zat dibakar. Untuk melakukan ini, Anda dapat menggunakan pengukuran tidak langsung menggunakan rumus Q=qm, di mana Q adalah panas pembakaran zat, q adalah panas spesifik pembakaran (nilai tabel), dan m adalah massa yang diberikan.
Pembentukan panas selama pembakaran didasarkan pada fenomena pelepasan energi selama pembentukan ikatan kimia. Contoh paling sederhana adalah pembakaran karbon, yang terkandungdalam semua jenis bahan bakar modern. Karbon terbakar dengan adanya udara atmosfer dan bergabung dengan oksigen untuk membentuk karbon dioksida. Pembentukan ikatan kimia berlangsung dengan pelepasan energi panas ke lingkungan, dan manusia telah beradaptasi untuk menggunakan energi ini untuk keperluannya sendiri.
Sayangnya, pengeluaran sumber daya yang berharga seperti minyak atau gambut secara sembarangan dapat segera menyebabkan menipisnya sumber produksi bahan bakar ini. Sudah hari ini, peralatan listrik dan bahkan model mobil baru muncul, yang pengoperasiannya didasarkan pada sumber energi alternatif seperti sinar matahari, air, atau energi kerak bumi.
Perpindahan panas
Kemampuan untuk menukar energi panas di dalam suatu benda atau dari satu benda ke benda lain disebut perpindahan panas. Fenomena ini tidak terjadi secara spontan dan hanya terjadi dengan perbedaan suhu. Dalam kasus yang paling sederhana, energi panas dipindahkan dari benda yang lebih panas ke benda yang kurang panas sampai keseimbangan tercapai.
Badan tidak harus bersentuhan agar fenomena perpindahan panas terjadi. Bagaimanapun, pembentukan keseimbangan juga dapat terjadi pada jarak kecil antara objek yang dipertimbangkan, tetapi pada kecepatan yang lebih lambat daripada ketika mereka bersentuhan.
Perpindahan panas dapat dibagi menjadi tiga jenis:
1. Konduktivitas termal.
2. Konveksi.
3. Pertukaran bercahaya.
Konduktivitas termal
Fenomena ini didasarkan pada transfer energi panas antara atom atau molekul materi. Menyebabkantransmisi - pergerakan molekul yang kacau dan tabrakan konstan mereka. Karena ini, panas berpindah dari satu molekul ke molekul lain di sepanjang rantai.
Fenomena konduktivitas termal dapat diamati ketika bahan besi dikalsinasi, ketika kemerahan di permukaan menyebar dengan lancar dan secara bertahap memudar (sejumlah panas dilepaskan ke lingkungan).
F. Fourier menurunkan rumus aliran panas, yang mengumpulkan semua besaran yang mempengaruhi derajat konduktivitas termal suatu zat (lihat gambar di bawah).
Dalam rumus ini, Q/t adalah fluks panas, adalah koefisien konduktivitas termal, S adalah luas penampang, T/X adalah rasio perbedaan suhu antara ujung-ujung benda yang terletak di jarak tertentu.
Konduktivitas termal adalah nilai tabular. Ini sangat penting secara praktis ketika mengisolasi bangunan tempat tinggal atau isolasi termal peralatan.
Perpindahan panas radiasi
Cara lain perpindahan panas, yang didasarkan pada fenomena radiasi elektromagnetik. Perbedaannya dari konveksi dan konduksi panas terletak pada kenyataan bahwa transfer energi juga dapat terjadi di ruang vakum. Namun, seperti pada kasus pertama, diperlukan perbedaan suhu.
Pertukaran radiasi adalah contoh transfer energi panas dari Matahari ke permukaan bumi, yang terutama bertanggung jawab atas radiasi infra merah. Untuk menentukan berapa banyak panas yang mencapai permukaan bumi, banyak stasiun telah dibangun, yangpantau perubahan indikator ini.
Konveksi
Pergerakan aliran udara secara konvektif berhubungan langsung dengan fenomena perpindahan panas. Terlepas dari berapa banyak panas yang kita berikan ke cairan atau gas, molekul zat mulai bergerak lebih cepat. Karena itu, tekanan seluruh sistem berkurang, dan volume, sebaliknya, meningkat. Inilah alasan pergerakan arus udara hangat atau gas lainnya ke atas.
Contoh paling sederhana menggunakan fenomena konveksi dalam kehidupan sehari-hari bisa disebut memanaskan ruangan dengan baterai. Mereka terletak di bagian bawah ruangan karena suatu alasan, tetapi agar udara panas memiliki ruang untuk naik, yang mengarah ke sirkulasi aliran di sekitar ruangan.
Bagaimana panas dapat diukur?
Panas pemanasan atau pendinginan dihitung secara matematis menggunakan perangkat khusus - kalorimeter. Instalasi diwakili oleh bejana besar berinsulasi panas yang diisi dengan air. Termometer diturunkan ke dalam cairan untuk mengukur suhu awal medium. Kemudian benda yang dipanaskan diturunkan ke dalam air untuk menghitung perubahan suhu cairan setelah kesetimbangan tercapai.
Dengan menambah atau mengurangi t, lingkungan menentukan berapa banyak panas untuk memanaskan tubuh yang harus dikeluarkan. Kalorimeter adalah perangkat paling sederhana yang dapat mencatat perubahan suhu.
Juga, dengan menggunakan kalorimeter, Anda dapat menghitung berapa banyak panas yang akan dilepaskan selama pembakaranzat. Untuk melakukan ini, "bom" ditempatkan di bejana berisi air. "Bom" ini adalah bejana tertutup tempat zat uji berada. Elektroda khusus untuk pembakaran terhubung dengannya, dan ruangan itu diisi dengan oksigen. Setelah zat terbakar sempurna, perubahan suhu air dicatat.
Dalam percobaan tersebut, ditetapkan bahwa sumber energi panas adalah reaksi kimia dan nuklir. Reaksi nuklir terjadi di lapisan dalam Bumi, membentuk cadangan panas utama untuk seluruh planet. Mereka juga digunakan oleh manusia untuk menghasilkan energi melalui fusi nuklir.
Contoh reaksi kimia adalah pembakaran zat dan pemecahan polimer menjadi monomer dalam sistem pencernaan manusia. Kualitas dan kuantitas ikatan kimia dalam sebuah molekul menentukan berapa banyak panas yang akhirnya dilepaskan.
Bagaimana panas diukur?
Satuan kalor dalam sistem SI internasional adalah joule (J). Juga dalam kehidupan sehari-hari digunakan unit di luar sistem - kalori. 1 kalori sama dengan 4,1868 J menurut standar internasional dan 4,184 J berdasarkan termokimia. Sebelumnya, ada btu btu, yang jarang digunakan oleh para ilmuwan. 1 BTU=1,055 J.
