Топлина срещу температура: Какви са приликите и разликите? (с графика)

Хората понякога използват терминитетоплинаитемпературавзаимозаменяемо. Те свързват топлината с думатагорещои разбирайте температурата също като свързана с „горещината“ или „студенината“ на нещо. Може би ще кажат, че температурата през пролетен ден се чувства точно, защото е точното количество топлина.

Във физиката обаче тези две величини са доста различни помежду си. Те не са мерки за едно и също нещо и нямат едни и същи единици, въпреки че и двамата могат да информират вашето разбиране за топлинните свойства.

За да разберем топлината и температурата на основно ниво, първо е важно да разберем концепцията за вътрешна енергия. Въпреки че може да сте запознати с обекти с кинетична енергия поради тяхното движение или потенциална енергия поради тяхното положение, в рамките на даден обект, самите молекули също могат да имат форма на кинетика и потенциал енергия.

Тази молекулярна кинетична и потенциална енергия е отделна от това, което можете да видите, когато гледате, да речем, тухла. Тухла, седнала на земята, изглежда неподвижна и бихте могли да предположите, че няма свързана с нея кинетична или потенциална енергия. И наистина, това не е в смисъла на разбирането ви за основната механика.

Но самата тухла е съставена от много молекули, които поотделно са подложени на различни видове малки движения, които не можете да видите. Молекулите също могат да изпитат потенциална енергия поради близостта им до други молекули и силите, упражнявани между тях. Общата вътрешна енергия на тази тухла е сумата от кинетичната и потенциалната енергия на самите молекули.

Както вероятно сте научили, енергията се запазва. В случай, че върху даден обект не действат сили на триене или разсейване, механичната енергия също се запазва. Тоест, кинетичната енергия може да се промени в потенциална енергия и обратно, но общата сума остава постоянна. Когато обаче действа сила като триене, може да забележите, че общата механична енергия намалява. Това е така, защото енергията приема други форми като звукова енергия или топлинна енергия.

Когато разтривате ръцете си в студен ден, превръщате механичната енергия в топлинна енергия. Тоест, кинетичната енергия на вашите ръце, движещи се една срещу друга, промени формата и се превърна в кинетична енергия на молекулите във вашите ръце по отношение една на друга. Средната стойност на тази кинетична енергия в молекулите във вашите ръце е това, което учените определят като температура.

Температурата е мярка за средната кинетична енергия на молекула в дадено вещество. Обърнете внимание, че това не е същото като вътрешната енергия на веществото, тъй като не включва потенциалната енергия и не е мярка за общата енергия в веществото. Вместо това това е общата кинетична енергия, разделена на броя на молекулите. Като такова не зависи от това колко от нещо имате (като общата вътрешна енергия), а по-скоро от това колко кинетична енергия носи средната молекула в веществото.

Температурата може да се измерва в много различни единици. Сред тях са Фаренхайт, който е най-разпространен в САЩ и на няколко други места. По скалата на Фаренхайт водата замръзва при 32 градуса и кипи при 212. Друга често срещана скала е скалата на Целзий, използвана на много други места по света. На тази скала водата замръзва при 0 градуса и кипи при 100 градуса (което дава доста ясна представа за това как е създадена тази скала).

Но научният стандарт е скалата на Келвин. Докато размерът на нарастване по скалата на Келвин е същият като градус на Целзий, скалата на Келвин започва при температура, наречена абсолютна нула, където всички молекулярни движения спират. С други думи, започва при възможно най-студената температура.

Нулевите градуси по Целзий са 273,15 по скалата на Келвин. Скалата на Келвин е научен стандарт за основателна причина. Да предположим, че нещо е на 0 градуса по Целзий. Какво би означавало да се каже, че втори обект е два пъти по-висок от температурата? Дали този елемент също би бил 0 Целзий? Ами по скалата на Келвин, това понятие не създава проблеми и то точно защото започва от абсолютна нула.

Помислете за две вещества или предмети при различни температури. Какво означава това? Това означава, че средно молекулите в едно от веществата (по-високотемпературното) са движещи се с по-голяма средна кинетична енергия от молекулите в по-ниската температура вещество.

Ако тези две вещества влязат в контакт, не е изненадващо, че енергията започва да се усреднява между веществата, когато се появят микроскопични сблъсъци. Веществото, което първоначално е било с по-висока температура, ще се охлади, докато другото вещество се повиши, докато и двете са еднакви. Учените наричат ​​това окончателно състояниетермично равновесие​.

Топлинната енергия, която се прехвърля от по-топлия обект към по-хладния обект е това, което учените наричат ​​топлина. Топлината е формата на енергия, предавана между два материала, които са с различни температури. Топлината винаги преминава от материала с по-висока температура към материала с по-ниска температура, докато се постигне термично равновесие.

Тъй като топлината е форма на енергия, SI единицата за топлина е джаулът.

Както видяхте от предишните определения, топлината и температурата наистина са две отделни физически мерки. Това са само някои от разликите им:

​Те се измерват в различни единици.SI единица за температура е Келвин, а SI единица за топлина е джаул. Келвинът се счита за базова единица, което означава, че не може да бъде разделен на комбинация от други основни единици. Джоулът е еквивалентен на килограм²/с².

​Те се различават в зависимост от броя на молекулите.Температурата е мярка за средната кинетична енергия на молекула, което означава, че няма значение колко вещество имате, когато говорите за температура. Количеството топлинна енергия, което може да се прехвърли между веществата, обаче много зависи от това колко от всяко вещество имате.

​Те са различни видове променливи.Температурата е известна като променлива на състоянието. Тоест определя състоянието, в което се намира вещество или предмет. Топлината, от друга страна, е променлива на процеса. Той описва процес, който се случва - в този случай енергията, която се прехвърля. Няма смисъл да говорим за топлина, когато всичко е в равновесие.

​Те се измерват по различен начин.Температурата се измерва с термометър, който обикновено е устройство, което използва термично разширение, за да промени показанията на скалата. Топлината, от друга страна, се измерва с калориметър.

Топлината и температурата обаче не са напълно несвързани помежду си:

​И двете са важни величини в термодинамиката.Изследването на топлинната енергия разчита на способността да се измерва температурата, както и способността да се следи преноса на топлина.

​Топлопредаването се задвижва от температурните разлики.Когато два обекта са с различни температури, топлинната енергия ще се прехвърля от по-топлия към по-хладния, докато се достигне топлинно равновесие. Като такива, тези температурни разлики са движещата сила на преноса на топлина.

​Те са склонни да се увеличават и намаляват заедно.Ако към системата се добави топлина, температурата се повишава. Ако топлината се отстранява от системата, температурата намалява. (Едно изключение от това се случва с фазовите преходи, като в този случай топлинната енергия се използва, за да предизвика фазов преход вместо промяна в температурата.)

​Те са свързани помежду си чрез уравнение.Топлинна енергияВъпрос:е свързано с промяна в температуратаΔTчрез уравнението Q = mcΔT къдетоме масата на веществото и° Се неговият специфичен топлинен капацитет (т.е. мярка за количеството топлинна енергия, необходимо за повишаване на единица маса с градус по Келвин за определено вещество.)

Вътрешната енергия е общата вътрешна кинетична и потенциална енергия или топлинна енергия в даден материал. За идеален газ, при който потенциалната енергия между молекулите е незначителна, вътрешна енергияЕ.се дава от формулата E = 3 / 2nRT къдетоне броят на моловете на газа и универсалната газова константаR= 8,3145 J / molK.

Връзката между вътрешната енергия и температурата показва, че не е изненадващо, че с повишаване на температурата топлинната енергия се увеличава. Вътрешната енергия също става 0 при абсолютно 0 Келвина.

Топлината се появява в картината, когато започнете да разглеждате промените във вътрешната енергия. Първият закон на термодинамиката дава следната връзка:

къдетоВъпрос:е топлината, добавена към системата иWе работата, извършена от системата. По същество това е изявление за запазване на енергията. Когато добавите топлинна енергия, вътрешната енергия се увеличава. Ако системата работи върху заобикалящата я среда, вътрешната енергия намалява.

Както беше споменато по-горе, добавената към системата топлинна енергия обикновено води до съответно повишаване на температурата, освен ако системата не претърпява фазова промяна. За да разгледаме това по-отблизо, помислете за блок лед, който започва под нулата, тъй като топлинната енергия се добавя с постоянна скорост.

Ако топлинната енергия се добавя непрекъснато, докато леденият блок се затопля до замръзване, претърпява фазова промяна, за да стане вода и след това продължава да се затопля, докато достигне кипене, където претърпява друга фазова промяна, за да стане пара, графиката на температурата vs. топлината ще изглежда по следния начин:

Докато ледът е под нулата, има линейна връзка между топлинната енергия и температурата. Това не е изненадващо, както би трябвало да се има предвид уравнението Q = mcΔT. След като ледът достигне температурата на замръзване, обаче, всяка добавена топлинна енергия трябва да се използва, за да му помогне да промени фазата. Температурата остава постоянна, въпреки че все още се добавя топлина. Уравнението, което свързва топлинната енергия с масата по време на фазова промяна от твърдо в течно състояние, е следното:

къдетоL_ее скритата топлина на синтез - константа, отнасяща се до това колко енергия е необходима на единица маса, за да предизвика промяната от твърдо към течно.

Така че, докато количество топлина се равнява намл_ее добавен, температурата остава постоянна.

След като целият лед се разтопи, температурата отново се повишава линейно, докато достигне точката на кипене. Тук отново настъпва фазова промяна, този път от течност към газ. Уравнението, отнасящо се до топлината към масата по време на тази фазова промяна, е много подобно:

къдетоL_vе латентната топлина на изпаряване - константа, отнасяща се до това колко енергия е необходима на единица маса, за да се превърне от течност в газ. Така температурата отново остава постоянна, докато не се добави достатъчно топлинна енергия. Имайте предвид, че това време остава постоянно за по-дълго време. Това е такаL_vобикновено е по-висока отL_еза вещество.

Последната част на графиката отново показва същата линейна връзка като преди.