Căldură

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

În fizică, cantitatea de căldură, simbolizată prin Q, este energia transferată între un sistem termodinamic şi mediul înconjurător, între două sisteme termodinamice sau între diferite părţi ale aceluiaşi sistem termodinamic, în cursul unei transformări termodinamice în care parametrii externi rămân constanţi. ^[1] Transferul de căldură are loc sub influenţa unei diferenţe de temperatură. Principiul al doilea al termodinamicii stipulează că acest transfer se face de la sine doar de la temperatura mai înaltă la temperatura mai joasă.

Alte sensuri în care este folosit termenul de căldură:

• Căldură mare are sensul de temperatură mare. Senzaţia de căldură este senzaţia produsă de corpurile cu temperatură ridicată. ^[2]
• Cu căldură este o atitudine plină de afecţiune, amabilitate, prietenie. ^[2]

Soarele, principala sursă de căldură pe Pământ.

[modifică] Istoric

Istoricul căldurii se pierde în negura vremurilor. O mare realizare a omului preistoric a fost utilizarea focului. Pentru explicarea fenomenelor termice în antichitate s-au dat explicaţii mitologice. Concepţia despre natura căldurii a evoluat de la concepţiile mistice din antichitate până la teoria moleculară de astăzi.

• În secolul al XVII-lea s-a încercat explicarea arderii. În 1667, Johann Joachim Becher în cartea sa Physica Subterranea a făcut prima menţiune asupra a ceea ce va deveni teoria flogistonului. Flogistonul era o substanţă fără culoare, miros, gust şi masă, şi care este eliberată în timpul arderii, reziduul fiind „forma adevărată” a substanţei.
• În 1738, Daniel Bernoulli în lucrarea Hydrodynamica propune ideea că gazele sunt formate dintr-un mare număr de particule în mişcare în toate direcţiile. Această idee va duce la teoria cinetică a gazelor.
• În 1761, Joseph Black descoperă că în timpul topirii gheaţa absoarbe căldură fără a-şi schimba temperatura. El consideră că căldura se combină cu particulele de gheaţă, devenind căldură latentă.
• În 1770, Lavoisier explică arderea ca o combinare cu oxigenul. În lucrarea sa "Réflexions sur le phlogistique" (1783), Lavoisier arată că teoria flogistonului nu este consistentă cu experienţele şi propune înlocuirea flogistonului cu un alt fluid, caloricul. Conform acestei teorii, cantitatea de caloric este constantă în univers şi el trece de la corpurile mai calde la cele mai reci.
• În 1780 se credea că frigul este dat de frigoric, un fluid similar caloricului. Pierre Prévost afirmă că frigul este urmarea lipsei de caloric.
• Totuşi, teoria caloricului a continuat să fie folosită. În 1824 Sadi Carnot în caretea sa Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu s-a bazat pe ea în studiile sale privind ciclul Carnot. Din întâmplare (sau din fericire), concluziile sale n-au fost afectate de teoria caloricului.
• Experienţele lui Joule (1842) şi, independent, Mayer (1843) au arătat că din lucrul mecanic se poate produce căldură şi invers. Asta duce în 1847 la afirmarea de către Helmholtz a principiului conservării energiei în loc de conservarea căldurii.
• În 1860, Clausius arată că teoria cinetică a gazelor poate fi o explicaţie a căldurii, energia internă a unei substanţe fiind asociată cu energia cinetică a moleculelor. Molecule cu energie cinetică mai mare corespund unei energii interne (deci unei temperaturi) mai mari, teorie acceptată şi în zilele noastre.
• În 1871 James Clerk Maxwell, în cartea sa Theory of Heat dă definiţia modernă a căldurii, ca fiind energie în tranzit.

[modifică] Energia termică şi căldura

Pentru detalii, vezi articolul  energie termicăvezi articolele [[{{{2}}}]] şi [[{{{3}}}]]vezi articolele [[{{{4}}}]], [[{{{5}}}]] şi [[{{{6}}}]]vezi articolele [[{{{7}}}]], [[{{{8}}}]], [[{{{9}}}]] şi [[{{{10}}}]].

Căldura este adesea confundată cu energia termică. Când un sistem termodinamic primeşte căldură, temperatura şi energia sa termică creşte, iar când cedează căldură, temperatura şi energia sa termică scade. Căldura şi energia termică par a fi sinonime. De fapt, în timp ce energia termică este o funcţie de potenţial, căldura este o formă de schimb de energie. Un corp poate conţine energie internă sub diferite forme, însă nu se poate defini noţiunea de căldură conţinută de un corp. De asemenea, în termodinamică, pentru studiul căldurii, în locul noţiunii de energie termică, greu de definit, se preferă noţiuni ca energie internă, lucru mecanic, entalpie, entropie, noţiuni care pot fi definite exact fără a recurge la noţiunea de mişcare moleculară.

[modifică] Surse de căldură

Sursele de căldură pe care omul le poate folosi sunt:

• Soarele, care este cea mai importantă sursă de căldură pe Pământ şi care este sursa vieţii.
• Focul, prin arderea combustibililor
• Apele termale din adâncul Pământului
• Fisiunea şi fuziunea nucleelor

[modifică] Terminologie

Vezi şi la temperatură.

[modifică] Capacităţi termice

Pentru detalii, vezi articolul  Primul principiu al termodinamiciivezi articolele [[{{{2}}}]] şi [[{{{3}}}]]vezi articolele [[{{{4}}}]], [[{{{5}}}]] şi [[{{{6}}}]]vezi articolele [[{{{7}}}]], [[{{{8}}}]], [[{{{9}}}]] şi [[{{{10}}}]].

Pentru transformări termodinamice în gaze perfecte, modificarea energiei interne, respectiv a entalpiei se pot exprima în funcţie de capacitatea termică la volum constant, respectiv la presiune constantă. ^[3] La volum constant, căldura Q, necesară pentru schimbarea temperaturii de la temperatura iniţială, T₁ la temperatura finală T₂ este dată de relaţia:

La presiune constantă, relaţia este:

Pentru substanţe incompresibile, ca solidele şi lichidele, deoarece nu se produce lucru mecanic, cele două capacităţi termice se confundă.

Capacitatea termică este o mărime extensivă, depinzând de numărul de molecule din sistem. Ea poate fi exprimată în funcţie de masă, m, şi de capacitatea termică masică, conform relaţiei:

sau în funcţie de numărul de moli n, şi de capacitatea termică molară, conform relaţiei:

Capacităţile termice depind nu numai de volum sau număr de molecule, ci şi de gradele de libertate interne ale moleculelor.

Capacităţile termice reale ale substanţelor depind mai mult sau mai puţin de temperatură, însă în intervale de temperaturi relativ mici (câteva zeci de kelvini) pot fi considerate constante. La temperaturi relativ mici, efectele cuantice devin importante.

[modifică] Schimbări de fază

În timpul schimbărilor de fază, de exemplu la fierberea apei, deşi în sistem se introduce căldură, temperatura nu se schimbă. Căldura introdusă determină transformarea apei în vapori. Căldura necesară pentru transformarea de fază este numită căldură latentă ^[3] şi este dată de relaţia:

sau

unde m₁ este masa iniţială, iar m₂ masa finală a noii faze.

La modificarea presiunii, C_L se schimbă. De obicei C_L nu se schimbă în timpul transformării, astfel că se poate scrie relaţia:

Uneori C_L depinde de timp (de obicei când se schimbă în timp presiunea sau/şi volumul), caz în care relaţia se scrie sub formă integrală:

Corespunzător celor patru transformări de fază posibile, se definesc patru călduri latente, numite şi capacităţi termice latente (vezi definiţiile mai sus la „terminologie”):

• Căldură latentă de vaporizare
• Căldură latentă de condensare
• Căldură latentă de sublimare
• Căldură latentă de desublimare

[modifică] Mecanisme de transmitere a căldurii

Pentru detalii, vezi articolul  Transmiterea călduriivezi articolele [[{{{2}}}]] şi [[{{{3}}}]]vezi articolele [[{{{4}}}]], [[{{{5}}}]] şi [[{{{6}}}]]vezi articolele [[{{{7}}}]], [[{{{8}}}]], [[{{{9}}}]] şi [[{{{10}}}]].

Fier înroşit, exemplu complex de transmiterea căldurii: în metal prin conducţie, spre aer prin convecţie, la distanţă prin radiaţie.

Trecerea căldurii de la un corp cu o temperatură înaltă la o temperatură joasă se numeşte transmiterea căldurii (transfer termic) şi se cunosc trei mecanisme de transfer: ^[4]

• Transmiterea prin conducţie termică, caracterizată prin lipsa mişcărilor macroscopice. Este modul curent de transmitere a căldurii în corpurile solide şi se bazează pe mişcările moleculare.
• Transmiterea prin convecţie termică, caracterizată prin existenţa mişcărilor macroscopice de curgere. Este modul curent de transmitere a căldurii în corpurile lichide şi gazoase, inclusiv la limitele lor, la contactul cu alte faze. În funcţie de natura mişcărilor macroscopice convecţia poate fi:
  • Convecţie liberă, caracterizată prin faptul că mişcările se fac sub acţiunea forţelor arhimedice, determinate de diferenţe de densitate.
  • Convecţie forţată, caracterizată prin faptul că mişcările se fac sub acţiunea altor forţe.
• Radiaţia termică, caracterizată prin transferul termic prin radiaţie electromagnetică din gama infraroşu. Acest transfer se poate face in vid sau în medii optice transparente la radiaţia infraroşie.

[modifică] Bibliografie

1. ^ ^{a b} STAS 1647-85 Căldură. Terminologie şi simboluri.
2. ^ ^{a b} Academia Română, Institutul de Lingvistică „Iorgu Iordan” Dicţionarul explicativ al limbii române (DEX), Editura Univers Enciclopedic, 1998
3. ^ ^{a b} Bazil Popa ş.a. Manualul inginerului termotehnician, vol I, Editura Tehnică, Bucureşti, 1984
4. ^ Ioan Vlădea Tratat de termodinamică tehnică şi transmiterea căldurii, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1974

[modifică] Vezi şi

• Energie
• Conductivitate termică - pentru conducţia termică
• Teoria similitudinii - pentru convecţia termică
• Radiaţie - pentru radiaţia termică
• Centrală termică
• Schimbător de căldură

Caută căldură în Wikţionar, dicţionarul liber.