Обмен энергии. Обмен энергии История открытия явления теплоты

Известно, что источником энергии, которая используется в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в быту, является топливо. Это уголь, нефть, торф, дрова, природный газ и др. При сгорании топлива выделяется энергия. Попытаемся выяснить, за счёт чего выделяется при этом энергия.

Вспомним строение молекулы воды (рис. 16, а). Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Если молекулу воды разделить на атомы, то при этом необходимо преодолеть силы притяжения между атомами, т. е. совершить работу, а значит, затратить энергию. И наоборот, если атомы соединяются в молекулу, энергия выделяется.

Использование топлива основано как раз на явлении выделения энергии при соединении атомов. Так, например, атомы углерода, содержащиеся в топливе, при горении соединяются с двумя атомами кислорода (рис. 16, б). При этом образуется молекула оксида углерода - углекислого газа - и выделяется энергия.

Рис. 16. Строение молекул:
a - воды; б - соединение атома углерода и двух атомов кислорода в молекулу углекислого газа

При расчёте двигателей инженеру необходимо точно знать, какое количество теплоты может выделить сжигаемое топливо. Для этого надо опытным путём определить, какое количество теплоты выделится при полном сгорании одной и той же массы топлива разных видов.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания обозначается буквой q. Единицей удельной теплоты сгорания является 1 Дж / кг.

Удельную теплоту сгорания определяют на опыте с помощью довольно сложных приборов.

Результаты опытных данных приведены в таблице 2.

Таблица 2

Из этой таблицы видно, что удельная теплота сгорания, например, бензина 4,6 10 7 Дж / кг.

Это значит, что при полном сгорании бензина массой 1 кг выделяется 4,6 10 7 Дж энергии.

Общее количество теплоты Q, выделяемое при сгорании m кг топлива, вычисляется по формуле

Вопросы

1. Что такое удельная теплота сгорания топлива?
2. В каких единицах измеряют удельную теплоту сгорания топлива?
3. Что означает выражение «удельная теплота сгорания топлива равна 1,4 10 7 Дж / кг? Как вычисляют количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива?

Упражнение 9

1. Какое количество теплоты выделяется при полном сгорании древесного угля массой 15 кг; спирта массой 200 г?
2. Сколько теплоты выделится при полном сгорании нефти, масса которой 2,5 т; керосина, объём которого равен 2 л, а плотность 800 кг / м 3 ?
3. При полном сгорании сухих дров выделилось 50 000 кДж энергии. Какая масса дров сгорела?

Задание

Используя таблицу 2, постройте столбчатую диаграмму для удельной теплоты сгорания дров, спирта, нефти, водорода, выбрав масштаб следующим образом: ширина прямоугольника - 1 клетка, высота 2 мм соответствует 10 Дж.

Энергия поступает в виде молекул белков, жиров и углеводов пищи, где происходит ее превращение. Вся энергия переходит в тепло, которое затем выделяется в окружающую среду. Тепло - конечный результат превращения энергии, а также мера энергии в организме. Освобождение энергии в нем происходит в результате окисления веществ в процессе диссимиляции. Освобождающаяся энергия переходит в доступную для организма форму - химическую энергию макроэргических связей молекулы АТФ. Везде, где совершается работа, происходит гидролиз связей молекулы АТФ. Энергетических затрат требуют процессы обновления и перестройки тканей; энергия расходуется при функционировании органов; при всех видах сокращения мышц, при мышечной работе; энергия затрачивается в процессах синтеза органических соединений, в том числе ферментов. Энергетические потребности тканей покрываются, главным образом, за счет расщепления молекулы глюкозы - гликолиза. Гликолиз - это многоступенчатый ферментативный процесс, в ходе которого суммарно выделяется 56 ккал. Однако энергия в процессе гликолиза выделяется не одномоментно, а в виде квантов, каждый из которых составляет примерно около 7.5 ккал, что и способствует ее заключению в макроэргические связи молекулы АТФ.

Определение величины прихода и расхода энергии

Для определения величины прихода энергии в организм необходимо знать, во-первых, химический состав пищи, т.е. сколько граммов белков, жиров и углеводов содержится в пищевых средствах и, во-вторых, теплоту сгорания веществ. Теплота сгорания - это количество тепла, которое выделяется при окислении 1 грамма вещества. При окислении 1 г жира в организме выделяется 9,3 ккал; 1 г углеводов - 4,1 ккал тепла и 1 г белка - 4,1 ккал. Если пища, например, содержит 400 г углеводов, то человек может получить 1600 ккал. Но углеводы должны пройти долгий путь превращений, прежде чем эта энергия станет достоянием клеток. Организм все время нуждается в энергии, и процессы диссимиляции идут беспрерывно. В нем постоянно окисляются собственные вещества, и выделяется энергия.

Расход энергии в организме определяется двумя путями. Во-первых, это так называемая прямая калориметрия, когда в специальных условиях определяют тепло, которое организм выделяет в окружающую среду. Во-вторых, это непрямая калориметрия. Расход энергии рассчитывается на основе вычленения газообмена: определяют количество кислорода, потребленное организмом за определенное время и количество углекислого газа, выделенное за это время. Поскольку выделение энергии происходит в результате окисления веществ до конечных продуктов - углекислот газа, воды и аммиака, то между количеством потребленного кислорода, выделенной энергией и углекислым газом существует определенная взаимосвязь. Зная показания газообмена и калорический коэффициент кислорода, можно рассчитать расход энергии организма. Калорический коэффициент кислорода - это количество тепла, выделяющееся при потреблении организмом 1 литра кислорода. Если окислению подвергаются углеводы, то при поглощении 1 л кислорода высвобождается 5,05 ккал энергии, если жиры и белки - соответственно 4,7 и 4,8 ккал. Каждому из этих веществ соответствует определенная величина дыхательного коэффициента, т.е. величина отношения объема углекислого газа, выделенного за данный промежуток времени, к объему кислорода, поглощенного организмом за этот интервал времени. При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1, жиров - 0,7, белков - 0,8. Поскольку расщепление различных пищевых веществ в организме происходит одновременно, величина дыхательного коэффициента может варьироваться. Ее среднее значение у человека в норме находится в пределах 0,83-0,87. Зная величину дыхательного коэффициента, можно с помощью специальных таблиц определить количество освобождающейся энергии в калориях. По величине дыхательного коэффициента можно судить и об интенсивности протекания процессов обмена веществ в целом.

Основной обмен

В клинической практике для сравнения интенсивности обмена веществ и энергии у разных людей и выявления его отклонений от нормы определяют величину «основного» обмена, т.е. минимальное количество энергии, расходуемой только на поддержание функции нервной системы, деятельности сердца, дыхательной мускулатуры, почек и печени в состоянии полного покоя. Основной обмен определяют в особых условиях - в утренние часы натощак в положении лежа при полном физическом и психическом покое, не ранее 12-15 часов после последнего приема пищи, при температуре 18-20 °С. Основной обмен - важнейшая физиологическая константа организма. Величина основного обмена составляет примерно 1100-1700 ккал в сутки, а в расчете на 1 квадратный метр поверхности тела он составляет около 900 ккал в сутки. Нарушение любого из этих условий изменяет величину основного обмена обычно в сторону его увеличения. Индивидуальные физиологические различия величины основного обмена у разных людей определяются весом, возрастом, ростом и полом - это факторы, которые определяют величину основного обмена. Основной обмен характеризует исходный уровень потребления энергии, но его нельзя рассматривать как «минимальный», так как величина основного обмена при бодрствовании несколько выше, чем в условиях сна.

Принцип измерения основного обмена

На основании многочисленных определений основного обмена у людей составлены таблицы нормальных величин этого показателя в зависимости от возраста, пола и общей поверхности тела. В этих таблицах величины основного обмена приводятся в килокалориях (ккал) на 1 м 2 поверхности тела за 1 час. Большое влияние на основной обмен оказывают изменения гормональной системы организма, особенно щитовидной железы : при ее гиперфункции основной обмен может превышать нормальный уровень на 80%, при гипофункции основной обмен может быть ниже нормы на 40%. Выпадение функции передней доли гипофиза или коры надпочечников влечет за собой снижение основного обмена. Возбуждение симпатической нервной системы , усиленное образование или введение адреналина извне увеличивают основной обмен.

Расход энергии при работе

Увеличение расхода энергии при работе называют рабочей прибавкой. Расход энергии будет тем больше, чем интенсивнее и тяжелее производимая работа. Умственный труд не сопровождается повышением энергетических затрат. Так, например, решение в уме трудных математических задач приводит к увеличению расхода энергии всего на несколько процентов. Поэтому энергетические траты в сутки у лиц умственного труда меньше, чем у лиц, занимающихся физическим трудом.

Все вещества обладают внутренней энергией. Эта величина характеризуется рядом физическо-химических свойств, среди которых особое внимание следует уделить теплоте. Эта величина является абстрактным математическим значением, которое описывает силы взаимодействия молекул вещества. Понимание механизма теплового обмена может помочь ответить на вопрос, какое выделилось при остывании и нагревании веществ, а также их сгорании.

История открытия явления теплоты

Изначально явление теплопередачи описывалось очень просто и понятно: если температура вещества повышается, оно получает теплоту, а в случае охлаждения оно выделяет ее в окружающую среду. Однако теплота - это не составная часть рассматриваемой жидкости или тела, как думали три столетия назад. Люди наивно полагали, что вещество состоит из двух частей: собственных молекул и теплоты. Сейчас мало кто помнит, что термин «температура» на латинском означает «смесь», и, к примеру, о бронзе говорили как о «температуре олова и меди».

В 17 веке появилось две гипотезы, которые могли бы понятно объяснить явление теплоты и теплопередачи. Первую предложил в 1613 году Галилей. Его формулировка звучала так: «Теплота - это необычное вещество, которое может проникать в любые тела и выходить из них». Галилей назвал это вещество теплородом. Он утверждал, что теплород не может исчезнуть или разрушиться, а только способен переходить от одного тела к другому. Соответственно, чем больше в веществе теплорода, тем выше его температура.

Вторая гипотеза появилась в 1620 году, и предложил ее философ Бэкон. Он заметил, что под сильными ударами молота железо нагревалось. Этот принцип действовал и при разжигании костра трением, что привело Бэкона к мысли о молекулярной природе теплоты. Он утверждал, что при механическом воздействии на тело его молекулы начинают биться друг об друга, увеличивать скорость передвижения и тем самым поднимать температуру.

Итогом второй гипотезы стало заключение, что теплота - это результат механического воздействия молекул вещества друг с другом. Эту теорию на протяжении долгого промежутка времени пытался обосновать и экспериментально доказать Ломоносов.

Теплота - это мера внутренней энергии вещества

Современные ученые пришли к следующему выводу: является результатом взаимодействия молекул вещества, т. е. тела. Скорость движения частиц зависит от температуры, а величина теплоты прямо пропорционально массе вещества. Так, ведро с водой обладает большей тепловой энергией, чем наполненная чашка. Однако блюдце с горячей жидкостью может иметь меньше теплоты, чем таз с холодной.

Теорию теплорода, которую предложил в 17 веке Галилей, опровергли ученые Дж. Джоуль и Б. Румфорд. Они доказали, что тепловая энергия не обладает какой-либо массой и характеризуется исключительно механическим движением молекул.

Какое количество теплоты выделится при сгорании вещества? Удельная теплота сгорания

На сегодняшний день универсальными и широко применяемыми источниками энергии являются торф, нефть, уголь, природный газ или древесина. При сжигании этих веществ выделяется определенное количество теплоты, которое используется для обогрева, запуска механизмов и т. д. Каким образом можно рассчитать эту величину на практике?

Для этого вводится понятие Эта величина зависит от количества теплоты, которое выделяется при сгорании 1 кг определенного вещества. Обозначается она буквой q и измеряется в Дж/кг. Ниже представлена таблица значений q некоторых наиболее распространенных видов топлива.

Инженеру при построении и расчете двигателей необходимо знать, какое количество теплоты выделится при сгорании определенного количества вещества. Для этого можно воспользоваться косвенными измерениями по формуле Q = qm, где Q - это теплота сгорания вещества, q - удельная теплота сгорания (табличное значение), а m - заданная масса.

При сгорании основывается на явлении выделения энергии при образовании химических связей. Простейшим примером является сгорание углерода, который содержится в любом из видов современного топлива. Углерод сгорает в присутствии атмосферного воздуха и соединяется с кислородом, образуя углекислый газ. Формирование химической связи протекает с выделением тепловой энергии в окружающую среду, и эту энергию человек приспособился использовать в своих целях.

К сожалению, бездумное расходование таких ценных ресурсов, как нефть или торф, вскоре может привести к истощению источников добычи этих видов топлива. Уже сегодня появляются электроприборы и даже новые модели автомобилей, работа которых основана на таких альтернативных источниках энергии, как солнечный свет, вода или энергия земной коры.

Теплопередача

Способность обмена тепловой энергией внутри тела или от одного тела к другому называется явление не происходит спонтанно и возникает только при разности температур. В простейшем случае тепловая энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока не установится равновесие.

Тела необязательно должны соприкасаться, чтобы происходило явление теплопередачи. В любом случае установление равновесия может произойти и на небольшом расстоянии между рассматриваемыми объектами, однако с меньшей скоростью, чем при их соприкосновении.

Теплопередачу можно поделить на три вида:

1. Теплопроводность.

2. Конвекция.

3. Лучистый обмен.

Теплопроводность

Это явление основано на передаче тепловой энергии между атомами или молекулами вещества. Причина передачи - хаотичное движение молекул и их постоянное соударение. Благодаря чему теплота переходит от одной молекулы к другой по цепочке.

Наблюдать явление теплопроводности можно при прокаливании любого железного материала, когда краснота на поверхности плавно распространяется и постепенно затухает (определенное количество теплоты выделяется в окружающую среду).

Ж. Фурье вывел формулу для теплового потока, которая собрала все величины, влияющие на степень теплопроводности вещества (см. рисунок ниже).

В этой формуле Q/t - тепловой поток, λ - коэффициент теплопроводимости, S - площадь поперечного сечения, T/X - отношение разности температур между концами тела, расположенными на определенном расстоянии.

Теплопроводность является табличным значением. Она имеет практическое значение при утеплении жилого дома или теплоизоляции оборудования.

Лучистый теплообмен

Еще один способ теплопередачи, который основан на явлении электромагнитного излучения. Его отличие от конвекции и теплопроводности заключается в том, что передача энергии может происходить и в вакуумном пространстве. Однако, как и в первом случае, необходимо наличие разности температур.

Лучистый обмен - это пример передачи тепловой энергии Солнца на поверхность Земли, за которую отвечает преимущественно инфракрасное излучение. Чтобы определить, какое количество теплоты попадает на земную поверхность, были построены многочисленные станции, которые следят за изменением данного показателя.

Конвекция

Конвекционное движение потоков воздуха напрямую связано с явлением теплопередачи. Независимо от того, какое количество теплоты мы сообщили жидкости или газу, молекулы вещества начинают двигаться быстрее. Из-за этого давление всей системы уменьшается, а объем, наоборот, увеличивается. Это и есть причина движения теплых потоков воздуха или других газов вверх.

Простейшим примером использования явления конвекции в быту можно назвать отопление помещения с помощью батарей. Они располагаются внизу комнаты не просто так, а чтобы нагретому воздуху было куда подыматься, что приводит к циркуляции потоков по помещению.

Как можно измерить количество теплоты?

Теплота нагревания или охлаждения рассчитывается математически с помощью специального прибора - калориметра. Установка представлена большим теплоизолированным сосудом, который заполнен водой. В жидкость опускается термометр для измерения начальной температуры среды. Затем в воду опускают нагретое тело, чтобы вычислить изменение температуры жидкости после установления равновесия.

По повышению или понижению t среды определяют, какое количество теплоты для нагревания тела следует затратить. Калориметр является простейшим устройством, которое может зарегистрировать изменение температуры.

Также с помощью калориметра можно посчитать, какое количество теплоты выделится при сгорании веществ. Для этого в сосуд, заполненный водой, помещают «бомбу». Эта "бомба" представляет собой закрытый сосуд, в котором располагается исследуемое вещество. К нему подведены специальные электроды для поджога, а камера заполнена кислородом. После полного сгорания вещества регистрируется изменение температуры воды.

В ходе подобных экспериментов установили, что источниками тепловой энергии являются химические и ядерные реакции. Ядерные реакции протекают в глубоких слоях Земли, образуя основной запас теплоты всей планеты. Также они используются человеком для получения энергии в ходе термоядерного синтеза.

Примерами химических реакции являются горение веществ и расщепление полимеров до мономеров в пищеварительной системе человека. Качество и количество химических связей в молекуле определяет, какое количество теплоты выделится в конечном итоге.

В чем измеряется теплота?

Единицей измерения теплоты в международной системе СИ является джоуль (Дж). Также в обиходе используются внесистемные единицы - калории. 1 калория равняется 4,1868 Дж по международному стандарту и 4,184 Дж исходя из термохимии. Раньше встречалась британская тепловая единица БТЕ, которая уже редко используется учеными. 1 БТЕ = 1,055 Дж.