Топлина (физика): Определение, формула и примери

Всеки е запознат с понятието да е прекалено горещо или прекалено студено или да усеща топлина от слънцето в топъл ден, но какво конкретно означава думата „топлина“? Това свойство ли е на нещо "горещо?" Същото ли е като температурата? Оказва се, че топлината е измеримо количество, което физиците са точно определили.

Топлината е това, което учените наричат ​​формата на енергия, която се пренася между два материала с различна температура. Този трансфер на енергия се дължи на разликите в средната транслационна кинетична енергия на молекула в двата материала. Топлината преминава от материала с по-висока температура към материала с по-ниска температура, докато се постигне термично равновесие. Единицата за отопление SI е джаулът, където 1 джаул = 1 нютон × метър.

За да разберете по-добре какво се случва, когато се случи този енергиен трансфер, представете си следния сценарий: Два различни контейнера са пълни с малки гумени топчета, които подскачат наоколо. В един от контейнерите средната скорост на топките (а оттам и средната им кинетична енергия) е много по-голяма от средната скорост на топките във втория контейнер (въпреки че скоростта на всяка отделна топка може да бъде всяка във всеки момент от времето, тъй като толкова много сблъсъци причиняват непрекъснат трансфер на енергия между топки.)

Ако поставите тези контейнери така, че страните им да се допират, а след това премахнете стените, разделящи съдържанието им, какво бихте очаквали да се случи?

Топките от първия контейнер ще започнат да взаимодействат с топките от втория контейнер. С настъпването на все повече и повече сблъсъци между топките, постепенно средните скорости на топките от двата контейнера стават еднакви. Част от енергията от топките от първия контейнер се прехвърля към топките във втория контейнер, докато се достигне това ново равновесие.

По същество това се случва на микроскопично ниво, когато два обекта с различна температура влизат в контакт помежду си. Енергията от обекта при по-висока температура се прехвърля под формата на топлина към обекта с по-ниска температура.

Температурата е мярка за средната транслационна кинетична енергия на молекула в дадено вещество. В аналогията на топките в контейнера това е мярка за средната кинетична енергия на топка в даден контейнер. На молекулярно ниво атомите и молекулите вибрират и се въртят наоколо. Не можете да видите това движение, защото се случва в толкова малък мащаб.

Общите температурни скали са по Фаренхайт, Целзий и Келвин, като Келвин е научният стандарт. Скалата на Фаренхайт е най-често срещана в САЩ. В тази скала водата замръзва при 32 градуса и кипи при 212 градуса. По скалата на Целзий, която е често срещана на повечето други места в света, водата замръзва при 0 градуса и кипи при 100 градуса.

Научният стандарт обаче е скалата на Келвин. Докато размерът на приращение по скалата на Келвин е същият като размера на градус по скалата на Целзий, стойността му 0 е зададена на различно място. 0 Келвин е равно на -273,15 градуса по Целзий.

Защо толкова странен избор за 0? Оказва се, че това е много по-малко странен избор от нулевата стойност на скалата на Целзий. 0 Келвин е температурата, при която всяко молекулярно движение спира. Теоретично е абсолютно най-студената температура.

В тази светлина скалата на Келвин има много повече смисъл от скалата на Целзий. Помислете как например се измерва разстоянието. Би било странно да се създаде скала за разстояние, където стойността 0 е еквивалентна на отметката от 1 m. В такъв мащаб какво би означавало нещо да бъде два пъти по-дълго от нещо друго?

Общата вътрешна енергия на дадено вещество е сумата от кинетичните енергии на всички негови молекули. Това зависи от температурата на веществото (средната кинетична енергия на молекула) и общото количество на веществото (броят на молекулите).

Възможно е два обекта да имат еднаква обща вътрешна енергия, като същевременно имат напълно различни температури. Например по-хладен обект ще има по-ниска средна кинетична енергия на молекула, но ако броят на молекулите е голям, тогава той все още може да завърши със същата обща вътрешна енергия на по-топъл обект с по-малко молекули.

Изненадващ резултат от тази връзка между общата вътрешна енергия и температура е фактът, че голяма блок лед може да завърши с повече енергия от запалена глава на кибрит, въпреки че главата на кибритената клечка е толкова гореща, че е включена огън!

Има три основни метода, чрез които топлинната енергия се прехвърля от един обект на друг. Те са проводимост, конвекция и излъчване.

​Провежданевъзниква, когато енергията се прехвърля директно между два материала в термичен контакт помежду си. Това е видът трансфер, който се случва в аналогията с гумената топка, описана по-рано в тази статия. Когато два обекта са в пряк контакт, енергията се предава чрез сблъсъци между техните молекули. Тази енергия бавно си проправя път от точката на контакт до останалата част от първоначално по-хладния обект, докато се постигне топлинно равновесие.

Не всички предмети или вещества обаче провеждат енергията по този начин еднакво добре, обаче. Някои материали, наречени добри топлопроводници, могат да пренасят топлинна енергия по-лесно от други материали, наречени добри топлоизолатори.

Вероятно сте имали опит с такива проводници и изолатори в ежедневието си. В студената зимна сутрин, как стъпването бос на пода на плочки се сравнява с стъпването бос на килим? Вероятно изглежда, че килимът е някак по-топъл, но това не е така. Двата етажа вероятно са с еднаква температура, но плочките са много по-добър топлопроводник. Поради това той кара топлинната енергия да напуска тялото ви много по-бързо.

​Конвекцияе форма на топлообмен, който се получава в газове или течности. Газовете и в по-малка степен течностите изпитват промени в плътността си с температурата. Обикновено колкото по-топли са, толкова по-малко плътни са. Поради това и тъй като молекулите в газовете и течностите се движат свободно, ако долната част се загрее, тя ще се разшири и следователно ще се издигне до върха поради по-ниската си плътност.

Ако поставите съд с вода върху печката, например, водата на дъното на тигана се затопля, разширява и се издига нагоре, докато по-хладната вода потъва. След това по-хладната вода се затопля, разширява и се издига и т.н., създавайки конвекционни токове, които карат топлинната енергия да се разпръсне през системата чрез смесване на молекулите в системата (за разлика от това, че всички молекули остават приблизително на едно и също място, докато се клатят напред-назад, отскачайки във всяка други.)

Конвекцията е защо нагревателите работят най-добре за затопляне на къща, ако са поставени близо до пода. Нагревател, поставен близо до тавана, ще затопли въздуха близо до тавана, но този въздух ще остане на място.

Третата форма на топлообмен ерадиация. Радиацията е пренос на енергия чрез електромагнитни вълни. Обектите, които са топли, могат да отделят енергия под формата на електромагнитно излъчване. Ето как топлинната енергия от слънцето достига до Земята например. След като тази радиация влезе в контакт с друг обект, атомите в този обект могат да получат енергия, като я абсорбират.

Два различни материала с една и съща маса ще претърпят различни температурни промени, въпреки че имат еднаква добавена обща енергия поради разликите в нареченото количествоспецифичен топлинен капацитет. Специфичният топлинен капацитет зависи от въпросния материал. Обикновено ще търсите стойността на специфичния топлинен капацитет на даден материал в таблица.

По-формално специфичният топлинен капацитет се определя като количеството топлинна енергия, което трябва да се добави към единица маса, за да се повиши температурата с градус по Целзий. Единиците SI за специфичен топлинен капацитет, обикновено означени с° С, са J / kgK.

Помислете за това така: Да предположим, че имате две различни вещества, които тежат абсолютно еднакво и са с абсолютно еднаква температура. Първото вещество има висок специфичен топлинен капацитет, а второто вещество има нисък специфичен топлинен капацитет. Сега да предположим, че добавяте точно същото количество топлинна енергия и към двамата. Първото вещество - това с по-висок топлинен капацитет - няма да се повиши толкова много, колкото температурата на второто вещество.

Има много фактори, които влияят върху това как ще се промени температурата на дадено вещество, когато дадено количество топлинна енергия се прехвърли към него. Тези фактори включват масата на материала (по-малката маса ще претърпи по-голяма температурна промяна за дадено количество добавена топлина) и специфичния топлинен капацитет° С​.

Ако има източник на топлина, доставящ енергияP, тогава общата добавена топлина зависи отPи времеT. Тоест топлинната енергияВъпрос:ще се равняваP​ × ​T​.

Скоростта на промяна на температурата е друг интересен фактор, който трябва да се има предвид. Дали обектите променят температурите си с постоянна скорост? Оказва се, че скоростта на промяна зависи от температурната разлика между обекта и заобикалящата го среда. Законът за охлаждане на Нютон описва тази промяна. Колкото по-близо е даден обект до околната температура, толкова по-бавно се приближава до равновесие.

Формулата, която свързва изменението на температурата с масата на обекта, специфичния топлинен капацитет и добавената или отстранена топлинна енергия, е както следва:

Тази формула обаче се прилага само ако веществото не претърпява фазова промяна. Когато дадено вещество се превръща от твърдо в течно или преминава от течност в газ, се добавя топлината, добавена към него да се използва, причинявайки тази фазова промяна и няма да доведе до промяна на температурата, докато промяната на фазата не е завършен.

Обозначено количество, наречено латентна топлина на синтезL_е, описва колко топлинна енергия на единица маса е необходима, за да се промени веществото от твърдо вещество в течност. Точно както при специфичния топлинен капацитет, стойността му зависи от физическите свойства на въпросния материал и често се търси в таблици. Уравнението, което отнася топлинната енергияВъпрос:към масата на даден материалма скритата топлина на синтез е:

Същото се случва при преминаване от течност към газ. В такава ситуация се обозначава количество, наречено латентна топлина на изпаряванеL_v, описва колко енергия на единица маса трябва да се добави, за да предизвика фазовата промяна. Полученото уравнение е идентично, с изключение на индекса:

Вътрешна енергияЕ.е общата вътрешна кинетична енергия или топлинна енергия в даден материал. Ако приемем, че идеален газ, където всяка потенциална енергия между молекулите е незначителна, той се дава по формулата:

къдетоне броят на бенките,Tе температурата в Келвин и универсалната газова константаR= 8,3145 J / molK. Вътрешната енергия става 0 J при абсолютно 0 K.

В термодинамиката връзката между промените във вътрешната енергия, пренесената топлина и работата, извършена върху или от системата, са свързани чрез:

Тази връзка е известна като първия закон на термодинамиката. По същество това е изявление за запазване на енергията.