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El calor es … ¿Cuánto calor se liberará durante la combustión?

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. Este valor es un valor matemático abstracto que describe las fuerzas de interacción de las moléculas de la materia. La comprensión del mecanismo de intercambio de calor puede ayudar a responder a 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 sencilla y comprensible: si la temperatura de la sustancia aumenta, recibe calor, y en el caso de enfriamiento, la libera en el ambiente. Sin embargo, el calor no es una parte integral del fluido o cuerpo en cuestión, como lo pensó hace tres siglos. La gente ingenuamente creía que la sustancia consta de dos partes: sus propias moléculas y el calor. Ahora muy pocas personas recuerdan que el término "temperatura" en latín significa "mezcla", y, por ejemplo, hablaban de bronce como "la temperatura de estaño y cobre".

En el siglo XVII aparecieron dos hipótesis que podrían explicar el fenómeno del calor y la transferencia de calor. El primero propuesto en 1613 por Galileo. Su formulación sonaba así: "El calor es una sustancia inusual que puede penetrar en cualquier cuerpo y salir de él". Galileo llamó a esta sustancia el calor. Argumentó que el calor no puede desaparecer o ser destruido, sino sólo capaz de moverse de un cuerpo a otro. Por consiguiente, cuanto más calor en la sustancia, mayor es su temperatura.

La segunda hipótesis apareció en 1620, y el filósofo Bacon lo sugirió. Se dio cuenta de que bajo fuertes golpes de martillo, la plancha se había calentado. Este principio también se aplicó cuando el fuego fue encendido por la fricción, lo que llevó a Bacon a la idea de la naturaleza molecular del calor. Argumentó que cuando una acción mecánica sobre el cuerpo de sus moléculas comienza a luchar unas contra otras, aumenta la velocidad del movimiento y por lo tanto eleva 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 materia entre sí. Lomonosov trató de probar esta teoría durante un largo período de tiempo.

El calor es una medida de la energía interna de una sustancia

Los científicos modernos llegaron a la siguiente conclusión: la energía térmica es el resultado de la interacción de las moléculas de la materia, es decir, la energía interna del cuerpo. La velocidad de las partículas depende de la temperatura, y la magnitud del calor es directamente proporcional a la masa de la sustancia. Por lo tanto, un cubo de agua tiene más energía térmica que una taza llena. Sin embargo, un platillo con un líquido caliente puede tener menos calor que un recipiente con uno frío.

La teoría del calor, propuesta en el siglo XVII por Galileo, fue refutada por los científicos J. Joule y B. Rumford. Ellos demostraron que la energía térmica no posee ninguna masa y se caracteriza exclusivamente por el movimiento mecánico de las moléculas.

¿Cuánto calor se liberará cuando se queme la sustancia? Calor específico de la combustión

Hasta la fecha, las fuentes de energía universales y ampliamente utilizadas son la turba, el petróleo, el carbón, el gas natural o la madera. Cuando se quema estas sustancias, se libera cierta cantidad de calor, que se utiliza para calefacción, mecanismos de activación, 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 cuando se quema 1 kg de una determinada sustancia. Se denota por la letra q y se mide en J / kg. A continuación se muestra una tabla de valores q para algunos de los combustibles más comunes.

Los ingenieros en la construcción y el cálculo de los motores necesitan saber cuánto calor se liberará cuando una cierta cantidad de materia quema. Para ello, las mediciones indirectas pueden realizarse utilizando la fórmula Q = qm, donde Q es el calor de combustión de la sustancia, q es el calor específico de combustión (valor tabulado) ym es la masa especificada.

La formación de calor en 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 carbono, que está contenida en cualquier tipo de combustible moderno. El carbón se quema en presencia de aire atmosférico y se combina con el oxígeno, formando dióxido de carbono. La formación de un enlace químico procede con la liberación de energía térmica en el medio ambiente, y esta energía se ha adaptado para usar para sus propios fines.

Desafortunadamente, el gasto irreflexivo de recursos tan valiosos como el petróleo o la turba puede conducir pronto al agotamiento de las fuentes de extracción de estos combustibles. Hoy ya hay electrodomésticos e incluso nuevos modelos de automóviles, cuyo trabajo se basa en fuentes alternativas de energía como la luz solar, el agua o la energía de la corteza terrestre.

Transferencia de calor

La capacidad de intercambiar energía térmica dentro del cuerpo o de un cuerpo a otro se llama transferencia de calor. Este fenómeno no se produce espontáneamente y se produce sólo con una diferencia de temperatura. En el caso más simple, la energía térmica se transfiere desde el cuerpo más calentado hasta el menos calentado hasta que se establece el equilibrio.

Los cuerpos no necesitan tocar el fenómeno de transferencia de calor. En cualquier caso, el establecimiento del equilibrio puede ocurrir ya una pequeña distancia entre los objetos en cuestión, pero a un ritmo más lento que cuando están en contacto.

La transferencia de calor se puede dividir en tres tipos:

1. Conductividad térmica.

2. Convección.

3. Intercambio de radiación.

Conductividad térmica

Este fenómeno se basa en la transferencia de energía térmica entre átomos o moléculas de materia. La razón de la transferencia es el movimiento caótico de las moléculas y su colisión constante. Debido a esto, las transferencias de calor de una molécula a otra a lo largo de una cadena.

Obsérvese que el fenómeno de la conductividad térmica puede estar en el encendido de cualquier material de hierro, cuando el enrojecimiento en la superficie se extiende gradualmente y gradualmente se amortigua (una cierta cantidad de calor se libera en el ambiente).

J. Fourier derivó una fórmula para el flujo de calor, que recogió todas las cantidades que afectan el grado de conductividad térmica de la sustancia (véase la figura siguiente).

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 y T / X es la relación de la diferencia de temperatura entre los extremos del cuerpo situados a cierta distancia.

La conductividad térmica es un valor tabular. Es de importancia práctica para el aislamiento de un edificio de apartamentos o el aislamiento térmico de los 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 conductividad térmica radica en el hecho de que la transferencia de energía puede ocurrir en el espacio de vacío. Sin embargo, como en el primer caso, es necesaria una diferencia de temperatura.

El intercambio radiante es un ejemplo de la transferencia de energía térmica del Sol a la superficie de la Tierra, de la que es responsable principalmente la radiación infrarroja. Para determinar cuánto calor llega a la superficie de la tierra, se construyeron numerosas estaciones que monitorean el cambio en este indicador.

Convección

El movimiento de convección de los flujos de aire está directamente relacionado con el fenómeno de la transferencia de calor. Independientemente de cuánto calor hemos reportado a líquidos o gas, las moléculas de materia 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 causa del movimiento de las corrientes de aire caliente u otros gases hacia arriba.

El ejemplo más simple de usar el fenómeno de la convección en la vida cotidiana se puede llamar calentar la habitación con la ayuda de baterías. Están situados en el fondo de la habitación por una razón, pero para que el aire caliente suba donde conduce a una circulación de flujos a través de la habitación.

¿Cómo se puede medir la cantidad de calor?

El calor de calentamiento o enfriamiento se calcula matemáticamente por medio de un instrumento especial – un calorímetro. La instalación está representada por un gran recipiente térmicamente aislado que está lleno de agua. Un termómetro se baja en el líquido para medir la temperatura inicial del medio. A continuación, el cuerpo calentado se baja en el agua para calcular el cambio de temperatura del líquido después de establecer el equilibrio.

Al aumentar o disminuir t del medio, se determina cuánto calor para calentar el cuerpo debe ser gastado. Un calorímetro es el dispositivo más simple que puede registrar un cambio de temperatura.

También, usando un calorímetro, usted puede calcular cuánto calor se libera cuando las sustancias se queman. Para ello, una "bomba" se coloca en un recipiente lleno de agua. Esta "bomba" es un recipiente cerrado en el que se encuentra la sustancia de ensayo. Se le añaden electrodos especiales para incendiarios y la cámara se llena de oxígeno. Después de la combustión completa de la sustancia, se registra un cambio en la temperatura del agua.

Durante estos 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, formando la principal reserva de calor de todo el planeta. También son utilizados por el hombre para generar energía durante la fusión termonuclear.

Ejemplos de reacciones químicas son la quema de sustancias y la división de polímeros a monómeros en el sistema digestivo humano. La calidad y la cantidad de enlaces químicos en una molécula determinan cuánto calor se libera al final.

¿Cuál es la medida del calor?

La unidad de medida del calor en el sistema SI internacional es joule (J). Además, las unidades no-sistema – calorías – se utilizan en la vida cotidiana. 1 caloría es igual a 4.1868 J de acuerdo con la norma internacional y 4.184 J basada en la termoquímica. Anteriormente, había una unidad térmica británica BTU, que rara vez es utilizado por los científicos. 1 BTU = 1,055 J.