Căldură

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare

În fizică, cantitatea de căldură, simbolizată prin Q, este energia transferată între un sistem termodinamic și mediul înconjurător, între două sisteme termodinamice sau între diferite părți ale aceluiași sistem termodinamic, în cursul unei transformări termodinamice în care parametrii externi rămân constanți. [1] Transferul de căldură are loc sub influența unei diferențe 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:

  • Starea sau gradul de încălzire a unui corp, energie termică. [2]
  • Căldură mare are sensul de temperatură mare. Senzația de căldură este senzația produsă de corpurile cu temperatură ridicată. [3]
  • Cu căldură este o atitudine plină de afecțiune, amabilitate, prietenie. [3]
Soarele, principala sursă de căldură pe Pământ.

Istoric[modificare | modificare sursă]

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 explicații mitologice. Concepția despre natura căldurii a evoluat de la concepțiile 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 mențiune asupra a ceea ce va deveni teoria flogistonului. Flogistonul era o substanță fără culoare, miros, gust și masă, și care este eliberată în timpul arderii, reziduul fiind „forma adevărată” a substanței.
  • În 1738, Daniel Bernoulli în lucrarea Hydrodynamica propune ideea că gazele sunt formate dintr-un mare număr de particule în mișcare în toate direcțiile. Această idee va duce la teoria cinetică a gazelor.
  • În 1761, Joseph Black descoperă că în timpul topirii gheața absoarbe căldură fără a-și schimba temperatura. El consideră că căldura se combină cu particulele de gheață, 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 experiențele și propune înlocuirea flogistonului cu un alt fluid, caloricul. Conform acestei teorii, cantitatea de caloric este constantă în univers și 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.
  • Totuși, 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.
  • Experiențele lui Joule (1842) și, independent, Mayer (1843) au arătat că din lucrul mecanic se poate produce căldură și 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 explicație a căldurii, energia internă a unei substanțe fiind asociată cu energia cinetică a moleculelor. Molecule cu energie cinetică mai mare corespund unei energii interne (deci unei temperaturi) mai mari, teorie acceptată și în zilele noastre.
  • În 1871 James Clerk Maxwell, în cartea sa Theory of Heat dă definiția modernă a căldurii, ca fiind energie în tranzit.

Energia termică și căldura[modificare | modificare sursă]

Căldura este adesea utilizată în sensul de energie termică. Când un sistem termodinamic primește căldură, temperatura și energia sa termică crește, iar când cedează căldură, temperatura și energia sa termică scade. În sensul strict al cuvântului, în timp ce energia termică este o funcție de potențial, căldura este o formă de schimb de energie. În termodinamică, pentru studiul căldurii, în locul noțiunii de energie termică, greu de definit, se preferă noțiuni ca energie internă, lucru mecanic, entalpie, entropie, noțiuni care pot fi definite exact fără a recurge la noțiunea de mișcare moleculară.

Surse de căldură[modificare | modificare sursă]

Sursele de căldură pe care omul le poate folosi sunt:

Terminologie[modificare | modificare sursă]

Vezi și la temperatură.

Mărimi folosite în domeniul termic și definițiile lor [1]
Termen Definiție
Transfer de căldură
sin. Propagarea căldurii
Proces termodinamic ireversibil de transferare a energiei termice între două regiuni din spațiu cu câmpuri diferite de temperaturi
Conducție termică Transfer de căldură prin corpuri, fără mișcări aparente
Convecție termică Transfer de căldură prin corpuri, cu mișcări aparente
Radiație Proces de transfer de energie prin unde electromagnetice
Difuzie termică Proces termodinamic de transfer de substanță în interiorul unui sistem eterogen sub influența unei diferențe de temperatură
Sistem calorimetric Ansamblul părților unui calorimetru izolat, între care are loc transferul de energie până la echilibru
Suprafață izotermă Suprafața definită prin totalitatea punctelor din spațiu care au o anumită temperatură la un moment dat
Flux termic
sin. Putere termică
Raportul dintre cantitatea de căldură care trece printr-o suprafață izotermă într-un anumit interval de timp și respectivul interval de timp
Densitate de flux termic Raportul dintre fluxul termic care trece printr-o suprafață izotermă și aria acelei suprafețe
Conductivitate termică Raportul dintre densitatea fluxului termic și gradientul de temperatură
Coeficient de transfer termic prin suprafață Raportul dintre densitatea fluxului termic ce străbate suprafața de separație dintre un solid și un fluid și diferența dintre temperatura acelei suprafețe și temperatura medie a fluidului
Coeficient de transfer termic total Coeficient care caracterizează transferul complex de căldură printr-un sistem polifazic
Coeficient de transfer termic prin convecție
sin. Coeficient de convecție termică
Coeficient de transfer termic prin suprafață în cazul în care procesul de transfer termic are loc prin convecție
Coeficient de transfer termic prin radiație Coeficient de transfer termic prin suprafață în cazul în care procesul de transfer termic are loc prin radiație
Rezistență termică Raportul dintre diferența de temperatură și fluxul termic staționar printr-un sistem termodinamic
Conductanță termică Inversul rezistenței termice
Rezistivitate termică Inversul conductivității termice
Difuzivitate termică Raportul dintre conductivitatea termică și produsul dintre densitate și capacitatea termică masică la presiune constantă
Capacitate termică Raportul dintre căldura transferată între un sistem și mediul ambiant și diferența dintre temperaturile finală și inițială a siatemului
Capacitate termică masică Raportul dintre capacitatea termică a unui corp omogen și masa acestuia
Capacitate termică masică la presiune constantă Capacitatea termică masică a unui corp omogen în timpul unei transformări izobare
Capacitate termică masică la volum constant Capacitatea termică masică a unui corp omogen în timpul unei transformări izocore
Căldură latentă Cantitatea de căldură primită sau cedată de un corp sau de un sistem de corpuri într-o transformare termodinamică de fază izoterm-izobară
Căldură latentă de topire Căldură latentă într-o transformare termodinamică din fază solidă în fază lichidă
Căldură latentă de solidificare Căldură latentă într-o transformare termodinamică din fază lichidă în fază solidă
Căldură latentă de vaporizare Căldură latentă într-o transformare termodinamică din fază lichidă în fază de vapori
Căldură latentă de condensare Căldură latentă într-o transformare termodinamică din fază de vapori în fază lichidă
Căldură latentă de sublimare Căldură latentă într-o transformare termodinamică din fază solidă în fază de vapori
Căldură latentă de desublimare Căldură latentă într-o transformare termodinamică din fază de vapori în fază solidă
Căldură latentă masică raportul dintre căldura latentă într-o transformare de fază a unui corp sau a unui sistem de corpuri și masa acestora

Capacități termice[modificare | modificare sursă]

Pentru transformări termodinamice în gaze perfecte, modificarea energiei interne, respectiv a entalpiei se pot exprima în funcție de capacitatea termică la volum constant, respectiv la presiune constantă. [4] La volum constant, căldura Q, necesară pentru schimbarea temperaturii de la temperatura inițială, T1 la temperatura finală T2 este dată de relația:

Q = \int_{T_1}^{T_2}C_v\,dT = \Delta U\,\!

La presiune constantă, relația este:

Q = \ \Delta U + \int_{V_1}^{V_2}P\,dV = \ \Delta H = \int_{T_1}^{T_2}C_p\,dT \,\!

Pentru substanțe incompresibile, ca solidele și lichidele, deoarece nu se produce lucru mecanic, cele două capacități termice se confundă.

Capacitatea termică este o mărime extensivă, depinzând de numărul de molecule din sistem. Ea poate fi exprimată în funcție de masă, m, și de capacitatea termică masică, c_p \,\! conform relației:

C_p = m\,c_p \,\!

sau în funcție de numărul de moli n, și de capacitatea termică molară, c_{{pM}} \,\! conform relației:

C_p = n\,c_{pM} \,\!

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

Capacitățile termice reale ale substanțelor depind mai mult sau mai puțin 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.

Schimbări de fază[modificare | modificare sursă]

În timpul schimbărilor de fază, de exemplu la fierberea apei, deși 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 [4] și este dată de relația:

C_L = \frac{Q}{\Delta m} \,\!

sau

Q = \int_{m_1}^{m_2} C_L\,dm.

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

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

Q = C_L\,\Delta m.

Uneori CL depinde de timp (de obicei când se schimbă în timp presiunea sau/și volumul), caz în care relația se scrie sub formă integrală:

Q = \int C_L \frac{dm}{dt}dt.

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

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

Mecanisme de transmitere a căldurii[modificare | modificare sursă]

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 numește transmiterea căldurii (transfer termic) și se cunosc trei mecanisme de transfer: [5]

  • Transmiterea prin conducție termică, caracterizată prin lipsa mișcărilor macroscopice. Este modul curent de transmitere a căldurii în corpurile solide și se bazează pe mișcările moleculare.
  • Transmiterea prin convecție termică, caracterizată prin existența mișcărilor macroscopice de curgere. Este modul curent de transmitere a căldurii în corpurile lichide și gazoase, inclusiv la limitele lor, la contactul cu alte faze. În funcție de natura mișcărilor macroscopice convecția poate fi:
    • Convecție liberă, caracterizată prin faptul că mișcările se fac sub acțiunea forțelor arhimedice, determinate de diferențe de densitate.
    • Convecție forțată, caracterizată prin faptul că mișcările se fac sub acțiunea altor forțe.
  • Radiația termică, caracterizată prin transferul termic prin radiație electromagnetică din gama infraroșu. Acest transfer se poate face in vid sau în medii optice transparente la radiația infraroșie.

Note[modificare | modificare sursă]

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

Legături externe[modificare | modificare sursă]

Vezi și[modificare | modificare sursă]

Wikţionar
Caută „căldură” în Wikționar, dicționarul liber.