От опит знаете, че когато стойността на термометър показва температура се увеличава, околните условия стават по-топли. Когато тази стойност спадне, околните условия стават по-студени. Вероятно сте наясно, че се използват множество често срещани температурни скали, за да се определи точно това явление.
Ако промените в температурата по някакъв начин показват печалба или загуба от топлина в близост има ли някакъв начин да се улови корелацията? Тоест, може ли дадена промяна в температурата (да речем, в градуси по Целзий или ° C) да бъде свързана с дадена печалба или загуба на топлина - ако приемем, че „топлината“ е нещо, което може да бъде точно измерено във физиката?
Всъщност е възможно корелирането на промените в температурата с печалби или загуби на топлина в полезни топлинни единици като килоджаули (kJ) - стига буквално да знаете с какво си имате работа.
Температура и нейните скали
Температурата е величина, измерена от устройство, наречено термометър. Той е математически извлечен от средната кинетична енергия на частиците (атоми и молекули) в система, като затворен контейнер или стая.
Кинетичната енергия е енергия на движение. Когато малки частици преминават през въздуха, те се сблъскват помежду си и сблъсъците отделят топлина. Колкото по-бърза е средната скорост на частиците в системата, толкова повече те ще се сблъскат и толкова повече топлина ще се отдели, повишавайки измерената температура.
Единицата за температура SI е Келвин (К). Това не е степен и следователно няма свързан символ, за разлика от случая с градусите по Целзий и Фаренхайт. Въпреки това, K и ° C имат една и съща величина в смисъл, че увеличение от 1 K и увеличение от 1 ° C представляват една и съща физическа промяна. Но везните са изместени така, че ° C = -273,15 K, а минималната теоретична стойност на K е 0.
Освен това, (9/5) ° C + 32 = ° F.
Енергия, топлина и техните единици
Несъмнено сте запознати с термина калории като един от многото начини за измерване на това, което храната, която ядете, доставя на клетъчната техника на вашата система. Някои източници твърдят, че калорията има енергийни единици; други казват, че са необходими единици топлина. Всъщност и двете твърдения са верни, тъй като топлината е един от различните подтипове на "официалното" - макар и доста неуловимо за определяне - количество във физиката, известно като енергия.
Докато калориите (кал) са основата за повечето публични разговори в САЩ за енергията, осигурявана от храните, това не е единицата, използвана в учебниците и списанията по физика. Стандартната международна (SI) единица за енергия и следователно за топлина е джаул (J).
1 калория = 4,18 J, но „калорията“, която виждате на етикетите на храните, всъщност е килокалория (kcal) или 1000 истински калории. По този начин 1 "калория" за етикетиране на хранителните стойности всъщност е 4 180 джаула, или 4,18 kJ.
Как са свързани топлината и температурата?
Виждали сте как температурата е свързана с топлината. Но как беше определен първоначално размерът на „една степен“? Хората трябваше да имат начин да маркират петната на температурната скала между „замразени“ и „преварени“ и да задават числа на тези интервали.
Както се случва, ако добавите дадено количество топлина (Въпрос:) в джаули към системата или да премахнете топлината от нея, можете да определите колко ще се промени температурата на системата (∆T) в Целзий, стига да знаете масата на системата (често проба вода) м в грамове и неговите специфична топлина c, който варира от вещество до вещество:
Q = mc (∆T)
За вода, c = 1 кал / (g) (° C) = 4.186 J / (g) (° C).
Пример: Ако имате 1-литрова проба вода, която има маса 1000 g, колко енергия в kJ е необходима за затопляне на пробата с 1 ° C?
Q = mc (∆T) = (1000 g) (4.186 J / g ° C) (1 ° C) = 4.186 = 4.186 kJ.
Припомнете си, че това е количеството енергия в една „калория“ храна. Това е странно, когато се има предвид, че, да речем, 1 л подсладена сода съдържа около 400 пъти това количество, но тялото обработва „калориите“ далеч по-различно от обикновения буркан с вода.