Що таке тепло

Холод і тепло — повсякденно зустрічаються поняття. Кожному
відомо, наприклад, що тепло виділяється, коли згорає вугілля або
електричний струм проходить через нагрівач праски. Водночас тепло
володіє абсолютно особливими властивостями і грає виключно важливу
роль в неживій і живій природі. Тому це явище варто розглянути
докладніше. Що ж, власне, являє собою тепло?

Багато
століть це питання займав вчених. Протягом довгого часу тепло
розглядали як певну невагому рідину (теплової флюїд), яка тече від
більш нагрітого тіла до менш нагрітого.

Тільки наприкінці XVIII століття звернули увагу на те, що
механічна робота може перетворюватися на тепло. Наприклад, при розсвердлений
стовбурів гармат виділяється тепло. У середині XIX століття на підставі різних
спостережень було встановлено, що тепло є одна з форм енергії, а не
якась особлива рідина; отже, закон збереження і перетворення
енергії справедливий і для тепла: інші види енергії можуть перетворюватися в
тепло і навпаки; тепло не може ні виникнути з нічого, ні зникнути
безслідно.

Отже, тепло є один їх видів енергії. Дивно, що
тепло всюди виникає як би само по собі, без стороннього втручання,
а це в ряді випадків дуже небажано. Коли камінь падає з висоти на
землю, частина його кінетичної енергії переходить в тепло; якщо ми рухаємося
пішки, то кінетична енергія внаслідок тертя частково переходить в тепло. У лампах розжарювання, призначених для освітлення, значна кількість
електричної енергії також марно перетворюється в тепло і т. д. Словом,
цілком очевидно, що кожен вид енергії відносно легко може бути
перетворений на тепло.

Це процес йде сам по собі.
Однак зворотний процес — мимовільне перетворення
тепла в яку-небудь іншу форму енергії — не відбувається.

Перетворення тепла в
корисну для нас роботу вимагає застосування досить складних машин, які самі
повинні отримувати енергію від якого-небудь іншого джерела. Таким чином,
тепло з повним правом можна вважати одним з видів енергії, здатних до
різним перетворенням. Але разом з тим воно має і деякими
відмітними властивостями.

Перш ніж відповісти на питання, чому тепло так легко
утворюється, але з великим трудом перетворюється в інші форми енергії,
необхідно з’ясувати, що ж являє собою тепло.
При зіткненні тіл з різною температурою холодну
тіло нагрівається, а нагріте охолоджується. Відбувається тепловий обмін.

Але що
ж криється за твердженням одне тіло тепліше, ніж інше? Тепло і холод характеризуються температурою і обумовлені
хаотичним рухом атомів або молекул. Відомо, що атоми і молекули
безперервно рухаються і цей рух не припиняється навіть при найнижчій
температурі -. абсолютному нулі. Чим більше середня кінетична енергія
руху, тим вище температура; тому такий рух називається тепловим
рухом, а відповідна йому енергія — термічної енергією (енергією
теплового руху).
Найбільш просто показати характер цього руху на
прикладі одноатомно’го газу, скажімо неону.

Розрахунок показує, що при температурі ОС і тиску в 1
атм. кожен атом неону протягом 1 с стикається з іншими 4,2 хЮ1Ораз. Середньої відстань, яку атом неону проходить по прямій між двома
зіткненнями, становить 1, Зх10-5см, його називають середньою довжиною пробігу. З
зменшенням тиску середня довжина пробігу збільшується і при тиску

0,001 мм.
рт. ст. досягає ~ 10 см. Ще в середині XIX століття Максвелл і Болидман,
аналізуючи
властивості газів і характер руху мблекул газу, дійшли висновку,
що хоча ці молекули мають самі різні швидкості, співвідношення між
числом молекул і їх швидкостями не довільно.

Часті сутички призводять до
того, що встановлюється деякий ймовірне рівноважний стан, при
якому молекули газу з різними швидкостями певним числовим
співвідношенням. Це співвідношення треба розуміти статистично, так як в результаті
зіткнень швидкість кожної молекули практично безперервно змінюється.
Можна
проте вирахувати, який відсоток всіх молекул буде мати швидкість,
наприклад 100, 101, 102 м / с і т. д. Ми приходимо до так званого розподілу
швидкостей по Максвеллу-Больцману, яке дозволяє встановити, який відсоток
молекул в середньому рухається з тими чи іншими швидкостями, На 5 ‘представлено
як приклад розподіл швидкостей молекул в кисні.

На осі
абсцис відкладені середні швидкості руху молекул. Крива показує, яку
кількість (у%) молекул рухається з тією чи іншою швидкістю, видно, що для
даної температури мається найбільш ймовірна швидкість (вона відповідає
максимуму на кривій): при 0С 2,2% всіх молекул мають швидкість приблизно
380 м / с.
Чим більше швидкість молекул відрізняється від найбільш вірогідною, тим
менше число молекул рухається з такою швидкістю; так число молекул, що мають
швидкість 1000 м / с, вельми мало.

При іншій температурі крива розподілу
швидкостей набуває інший вигляд, Наприклад, при 300С для кисню найбільш
ймовірна швидкість, з якою рухається найбільший відсоток всіх молекул, дорівнює
500 м / с. Однак тільки 1,6% всіх молекул мають швидкість, близьку до цієї. Отже, із зростанням температури максимум на кривій розподілу зсувається в
бік більш високих швидкостей, зменшуючись при цьому по величині.
Зростає
число часток з великими швидкостями.

Цей факт дуже важливий для пояснення
збільшення швидкості хімічних реакцій із зростанням температури.

Що таке тепло?