Теплота

Внутренняя энергия термодинамической системы может изменяться двумя способами: посредством совершения работы над системой и посредством теплообмена с окружающей средой. Энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, называется коли́чеством теплоты́ или просто теплотой. Теплота — это одна из основных термодинамических величин в классической феноменологической термодинамике. Количество теплоты входит в стандартные математические формулировки первого и второго начал термодинамики.

Для изменения внутренней энергии системы посредством теплообмена также необходимо совершить работу. Однако это не механическая работа, которая связана с перемещением границы макроскопической системы. На микроскопическом уровне эта работа осуществляется силами, действующими между молекулами на границе контакта более нагретого тела с менее нагретым. Фактически при теплообмене энергия передаётся посредством электромагнитного взаимодействия при столкновениях молекул. Поэтому с точки зрения молекулярно-кинетической теории различие между работой и теплотой проявляется только в том, что совершение механической работы требует упорядоченного движения молекул на макроскопических масштабах, а передача энергии от более нагретого тела менее нагретому этого не требует.

Энергия может также передаваться излучением от одного тела к другому и без их непосредственного контакта.

Количество теплоты не является функцией состояния, и количество теплоты, полученное системой в каком-либо процессе, зависит от способа, которым она была переведена из начального состояния в конечное.

Единица измерения в Международной системе единиц (СИ) — джоуль. Как единица измерения теплоты используется также калория. В Российской Федерации калория допущена к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «промышленность».

Источник: Википедия

Упоминания в литературе

Исследования процессов сохранения и превращения энергии привели к открытию еще одного закона – закона возрастания энтропии. «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому, – писал Р. Клаузиус, – не может иметь места без компенсации»[5]. Меру способности теплоты к превращению Клаузиус назвал энтропией. Суть энтропии выражается в том, что во всякой изолированной системе процессы должны протекать в направлении превращения всех видов энергии в теплоту при одновременном уравнивании температурных разностей, существующих в системе. Это означает, что реальные физические процессы протекают необратимо. Принцип, утверждающий стремление энтропии к максимуму, называют вторым началом термодинамики. Первое начало – закон сохранения и превращения энергии.

Коллектив авторов, Концепции современного естествознания. Учебное пособие, 2009

Появление понятия энтропии позволило разделить теплоту и температуру (до середины XIX в. разницы между ними не делали). Теплота стала мерой изменения энергии, а энтропия – показателем состояния системы. Энтропия определяет изменение системы между началом процесса и конечным результатом, то есть является функцией состояния системы и не связана с характером происходящего процесса.

Группа авторов, Концепции современного естествознания, 2010

11. Первое характерное свойство энергии заключается в том, что она сохраняется при всех своих изменениях. Когда какое-нибудь образование проходит через ряд состояний, то бывает всегда в наличности одна величина Е, обладающая тем свойством, что какой бы ни был ряд изменяющихся состояний, она принимает снова прежнюю величину, когда образование возвращается в первоначальное состояние. Эта величина и есть энергия образования. Энергия, следовательно, неразрывно связана со всяким состоянием образования. И она связана с ним не только со стороны количества, но и со стороны качества. В одном каком-нибудь определенном состоянии образования отдельные его части обладают в общем различными свойствами и притом каждая часть обладает рядом свойств (каковы: объем, давление, теплота, электрическое напряжение, химическое сродство и т. д.). Каждое из этих свойств означает, как величина (см. §8), тенденцию к изменению. Если для каждой из этих величин ввести специфическую единицу, то с каждым из этих свойств может быть связана определенная величина энергии, так что общая энергия тела представляет собою сумму нескольких родов энергии; эти роды энергии называются в энергетике «формами энергии». Каждое изменение состояния образования характеризуется тем, что здесь происходит изменение некоторых форм энергии, но так, однако, что исчезновение определенной величины энергии одной формы всегда соответствует такой же величине приращения энергии другой формы. При соответственном выборе единиц такие количества энергии, называемые обычно эквивалентными, могут быть выражены через одни и те же числа. Здесь установлены следующие положения.

Коллектив авторов, Новые идеи в философии. Сборник номер 11, 2014

Изменение внутренней энергии системы ?E обуслов–лено работой W, которая совершается при взаимодейст–вии системы со средой, и обмен теплотой Q между средой и системой, отношение между этими величинами состав–ляет содержание первого начала термодинамики.

А. А. Дроздов, Неорганическая химия

которые на деле есть воображаемые вещества (matieres imaginaries), отличающиеся только этим от огня (feu) и существующие благодаря гипотезам…». Этот вывод Ламарк повторяет в параграфе 168 (см. раздел 1.3). Исходная установка Ламарка, безусловно, правильная. Нельзя придавать различным проявлениям вещества субстанциальность, т.е. видеть за этими проявлениями материальные элементы. Но при этом Ламарк ушел в другую крайность. Флогистон, кислотность, теплота для него лишь функциональные состояния веществ (отношения, но не элементы). К числу таких же функциональных состояний вещества он, однако, отнес проявления истинных химических элементов, в частности всех известных на то время газов (таких как азот, водород, кислород) и углерод. «Кислород (oxigene) пневматических химиков – говорил Ламарк (и. 175 (4)) – есть отвлеченное понятие; он существует только в воображении тех, кто его придумал или кто допускает его существование…».

А. И. Шаталкин, «Философия зоологии» Жана Батиста Ламарка: взгляд из XXI века, 2009

Влияние различных факторов на жидкотекучесть. Величина жидкотекучести непосредственно не связана с вязкостью и поверхностным натяжением жидкого металла, а определяется интервалом кристаллизации и совокупностью теплофизических свойств металлов: теплотой кристаллизации, теплоемкостью и теплопроводностью, вязкостью, окисляемостью. При этом теплота кристаллизации является основным фактором: чем больше теплота кристаллизации, тем выше жидкотекучесть. Минимумы и максимумы жидкотекучести (X) сплавов в зависимости от состава отвечают определенным участкам и критическим точкам на диаграммах состояния (рис. 5.1). Сплавы с широким интервалом кристаллизации, как правило, обладают минимальной жидкотекучестью, а максимумы на диаграммах состав – жидкотекучесть соответствуют эвтектическим сплавам и химическим соединениям.

В. И. Куманин, Материалы для ювелирных изделий, 2012

Оказалось, что температура воздуха в верхней камере установки повышается (по данным более 30 замеров) в течение опыта примерно на 3°С. Это весьма важное обстоятельство. При столь резких колебаниях температуры воздуха, окружающего облучаемый участок, допустить реакции испытуемого на относительно совершенно ничтожную лучистую теплоту едва ли возможно. С другой стороны, эти данные показывают, что наблюдаемые колебания температуры кожи испытуемых не зависят от внешних тепловых воздействий (точнее говоря, что их влияние полностью перекрывается), так как температурные кривые кожи руки и воздуха и установке идут в противоположном направлении – первые падают, вторые резко поднимаются.

А. Н. Леонтьев, Эволюция, движение, деятельность, 2012

Поглощение электромагнитной энергии живыми тканями сопровождается повышением их температуры, если поглощаемая мощность превосходит мощность рассеяния тепловой энергии. Последняя определяется теплоотдачей, которая осуществляется с поверхности тела посредством излучения, конвекции, теплопроводности и испарения влаги. Отведение тепловой энергии от глубоких тканей к поверхности тела обеспечивается кровообращением. Механизмы теплоотдачи функционируют в организме непрерывно, поскольку ему свойствен постоянный высокий уровень производства теплоты в ходе обмена веществ. Нарушение теплового гомеостаза в организме в результате облучения ЭМИ наступает в тех случаях, когда возникшая в результате этого дополнительная тепловая нагрузка, по меньшей мере, вдвое превышает уровень основного обмена [2].

Г. Г. Верещако, Влияние электромагнитного излучения мобильных телефонов на состояние репродуктивной системы и потомство, 2015

Теперь вновь обратимся к человеку и его деятельности на планете. Из открытых источников по данным на 2008 год видим, что потребление энергии из ископаемых источников и ядерных источников 125,359 · 10? 15 Ватт·час. Вся эта энергия, теми или иными путями, переходит в тепло. Зная площадь поверхности планеты и тепловой поток из ее недр, сравним это тепло с тем, что вырабатывается человечеством в хозяйственных целях. Для этого распределим теоретически все выработанное человечеством тепло из ископаемых и атомных источников по всей поверхности Планеты. Разделив тепло вырабатываемое человечеством из упомянутых источников на теплоту, идущую от недр, получим соотношение равное примерено 32%! Это важный вывод! Сравним его теперь с тем теплом, что физиологически вырабатывается человечеством. Человечество в силу теплокровности выделяет некоторую теплоту на поверхности Земли. Тепловыделение человека составляет от 93 Вт в состоянии покоя при температуре +35°C, до 290 Вт для тяжелой работы при температуре +10°C. Учитывая, что часть людей бодрствует, часть работает, а также то, что когда в одном полушарии зима, то в другом – лето, примем среднее тепловыделение 180 Вт. Численность человечества на 1 января 2014 г. примерно составляет 7 млрд 137 млн 577 тысяч 750 человек соответственно: 7137577750 · 180 = 1,28?1012 Вт (1,28 ТВт). Разделив на площадь поверхности суши: 1,28?1012 Вт / 1,49?1014 м2 = 0,85 10-2 Вт/м2 = 0,008 Вт/м2. В любом случае тепловыделение собственно человечества гораздо меньше техногенных источников и выделения теплоты из недр. Итак, ситуация такова: Солнце – основной источник теплоты и энергии на Земле, а энергия хозяйственной деятельности и жизнедеятельности человечества сравнимы с энергиями геологических процессов планеты.

Владимир Коляда, Аз есмь. Поля Гермеса, 2017

Такова, напр., связь той же атмосферы с «гидросферою» – водной частью оболочки Земли. Между ними существует целый ряд конъюгационных связей: круговорот воды – пара, растворение газов воздуха в воде, обмен тепловой, электрический, и пр. Обе стороны и здесь регулируют друг друга, взаимно поддерживая свою устойчивость. Так, атмосфера, путем дождей, снега, инея и т. д., теряет свою, газообразную воду; гидросфера получает ее в виде ручьев, рек, впадающих затем в моря и океаны; но она в свою очередь возвращает ей приблизительно такое же количество воды через испарение. Температурная устойчивость системы поддерживается тем, что непрерывная воздушная оболочка задерживает теплоту гидросферы, как и «литосферы», твердой части земной коры, доставляемую почти всецело лучами Солнца; а гидросфера, обладающая громадной теплоемкостью, образует как бы резервуар, то поглощающий излишки тепловой энергии, когда нагревание усиливается, то отдающий эти излишки воздуху, а через него и литосфере, когда нагревание уменьшается; таким образом температурные колебания удерживаются в ограниченных пределах около одного основного уровня.

А. А. Богданов, Расхождение и схождение форм, 1922

Строение воды. Вода – уникальное вещество и все её аномальные свойства (высокая температура кипения, значительная растворяющая и диссоциирующая способность, малая теплопроводность, большая теплота испарения и плавления, большая теплоёмкость, большое поверхностное натяжение и когезия и другие) обусловлены строением её молекулы и пространственной структурой. У отдельно взятой молекулы воды есть качество, которое проявляется только в присутствии других молекул: способность образовывать водородные мостики между атомами кислорода двух оказавшихся рядом молекул, так, что атом водорода располагается на отрезке, соединяющем атомы кислорода. Молекулы H2O, благодаря неравномерно распределенному по их объему электрическому заряду, способны притягиваться друг к другу и образовывать беспорядочные роевые формы и упорядоченные «водяные кристаллы». Свободные, не связанные в ассоциаты молекулы H2O присутствуют в воде лишь в очень небольшом количестве. В основном же вода – это совокупность беспорядочных роев и «водяных кристаллов».

Н. Б. Панкова, План-конспект ответов на вопросы экзамена по физиологии, 2009

Кроме того, планета с недостаточной массой не может удержать внутреннее тепло и быстро остывает. Железное расплавленное ядро планеты создает магнитное поле, защищающее ее биосферу от губительного воздействия космических лучей, заряженных частиц солнечного ветра, жесткого рентгеновского излучения. Наша планета уникальна и своей атмосферой – соотношением в ней объемов кислорода и азота, уровнями углекислого газа, водяного пара, озона. При меньшем количестве кислорода в воздухе (менее 21 % атмосферы) задохнулись бы крупные млекопитающие, при увеличении количества кислорода планета страдала бы от постоянных пожаров. Особенный состав земной атмосферы (в частности, наличие озона) обеспечивает поглощение рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Уникальны наши морская и пресная вода, при этом многие полезные для жизни вещества очень хорошо растворяются в воде, а вредные растворяются плохо. Пары воды легче сухого воздуха, что важно для переноса теплоты и круговорота воды на планете, а атмосфера не дает воде улетучиться в космос.

Виктор де Касто, Pro темную материю, 2016

Материальный баланс нагреваемой среды в паровом котле достаточно прост: поступает в котел питательная вода при температуре, определяемой системой подогрева с использованием низкопотенциальной теплоты из отборов паровой турбины. Выдает котельная установка на ТЭС перегретый пар, используемый для производства электрической энергии.

С. Е. Беликов, Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы, 2008

Снижение шума методом звукопоглощения основано на переходе звуковых колебаний частиц воздуха в теплоту вследствие потерь на трение в порах звукопоглощающего материала.

М. А. Краснова, Полный справочник санитарного врача, 2013

В-третьих, вода обладает высокой удельной теплотой плавления, то есть воду очень трудно заморозить, а лед – растопить. Это способствует установлению на Земле в целом достаточно стабильного и мягкого климата.

В. М. Рошаль, Магическая энергия воды, 2009

Поглощая огромное количество теплоты, сама вода существенно не нагревается. Удельная теплоемкость ее в 5 раз выше, чем у песка, и почти в 10 раз выше, чем у железа. Вот эту теплоту и отдает вода, превращаясь в лед. А теплопроводность льда намного меньше, чем у воды, поэтому «ледовая» шуба защищает цветки.

Б. Н. Джерелей, Вода для вашего здоровья, 2011