Вероятно сте запознати с термометрите и измервате температурите, чувствате се горещи и студени и какво е необходимо, за да заври вода. Сега е време да разширите интуитивното си разбиране за топлината и температурата и да научите как го правят физиците.
В това въведение в термичната физика ще научите какво представляват топлината и температурата, както и за какви явления се отнася този клон на физиката.
Изследване на топлина и температура
Термичната физика е изучаването на топлина и температура. Топлината се определя като енергия, която прехвърля между два обекта с различни температури - преминавайки от по-топлия към по-хладния обект.
Топлина е вид топлинна енергия. Термичната енергия е енергията, свързана с молекулярното движение в даден обект. Във всеки обект молекулите не просто стоят неподвижни; въпреки че не можете да видите видимо движението, всички те се въртят наоколо и подскачат един в друг.
Температура е мярка за средната кинетична енергия на молекула. Може да сте запознати с измерването му в градуси по Фаренхайт или дори по Целзий, но единицата SI, която учените предпочитат, е Келвин.
Общата вътрешна енергия даден обект зависи от неговата маса, температура и специфичен топлинен капацитет. Специфичният топлинен капацитет е мярка за това колко топлинна енергия е необходима за повишаване на температурата на единица маса с 1 градус. Различните материали имат различен специфичен топлинен капацитет и топлинният капацитет на всеки конкретен материал обикновено може да се търси в таблица.
Прехвърляне на топлина
Топлината може да се предава от един обект на друг по три основни начина. Това са:
- Провеждане
- Конвекция
- Радиация
При проводимост двата обекта са във физически контакт и топлинната енергия се премества от по-топлия към по-хладния обект чрез директни сблъсъци между молекулите в обектите.
При конвекция топлината се предава чрез конвекционни токове. Това се случва, когато кипнете вода на котлона. Водата на дъното на тигана първо се затопля и докато се затопля, тя се разширява и става по-малко плътна. Тъй като е по-малко плътен, той се издига до върха на тигана, когато по-хладната вода потъва и след това се затопля.
При радиацията топлинната енергия се предава чрез електромагнитно излъчване. По този начин получавате енергия от слънцето. Тази енергия се движи през вакуума на космоса като радиация, която след това затопля Земята, когато стигне до нас.
Фазови промени
Тъй като топлинната енергия се добавя към материалите, те се повишават в температурата. В определени моменти, кол фазови преходи, фазата на промяна на материала. Материалите могат да се променят от твърдо в течно и от течно в газово, и дори от газово в плазмено.
Температурите, при които настъпва фазова промяна, зависят от самия материал и условията на налягане. Това се изучава с помощта на фазова диаграма.
Количеството енергия, необходимо за промяна на фазата на даден материал, зависи от латентната топлина на този материал. Латентната топлина на топене на даден материал е количеството топлинна енергия, необходимо за промяна на единица маса от това вещество от твърдо в течно състояние. Латентната топлина на изпаряване на даден материал е количеството топлинна енергия, необходимо за превръщането му от течност в газ.
Термодинамика
Термичната физика в крайна сметка води до изучаването на термодинамиката, която е клонът на физиката, който изучава променящите се термични системи чрез използване на кинетична теория и статистическа механика.
Има три закона на термодинамиката, които управляват термодинамичните процеси. Те се наричат просто първият закон на термодинамиката, вторият закон на термодинамиката и третият закон на термодинамиката. Когато за първи път научите за тези закони, обикновено ще научите как те се прилагат за идеален газ и ще използвате закона за идеалния газ.
Термодинамиката може да ви помогне да разберете как работят парните машини, хладилниците, термопомпите и други подобни елементи.