Ze zkušenosti víte, že když hodnota na teploměru indikuje teplota zvyšuje, okolní podmínky se oteplují. Když tato hodnota poklesne, okolní podmínky se ochladí. Pravděpodobně jste si také vědomi, že k přesné kvantifikaci tohoto jevu se používá několik běžných teplotních stupnic.
Pokud změny teploty nějakým způsobem naznačují zisk nebo ztrátu teplo v blízkém okolí, existuje nějaký způsob, jak zachytit korelaci? Lze tedy danou změnu teploty (řekněme ve stupních Celsia nebo ° C) korelovat s daným ziskem nebo ztrátou tepla - za předpokladu, že „teplo“ je vůbec věc, kterou lze ve fyzice přesně měřit?
Opravdu je možné korelovat změny teploty se zisky nebo ztrátami tepla v užitečných tepelných jednotkách, jako jsou kilojouly (kJ) - pokud doslova víte, s čím máte co do činění.
Teplota a její stupnice
Teplota je veličina měřená zařízením zvaným teploměr. Matematicky je odvozena z průměrné kinetické energie částic (atomů a molekul) v systému, jako je uzavřená nádoba nebo místnost.
Kinetická energie je energie pohybu. Když drobné částice projdou vzduchem, srazí se navzájem a srážky uvolňují teplo. Čím vyšší je průměrná rychlost částic v systému, tím více se srazí a tím více tepla se uvolní, což zvýší naměřenou teplotu.
Jednotkou teploty SI je Kelvin (K). Nejedná se o titul, a proto nemá žádný přidružený symbol, na rozdíl od případu stupňů Celsia a Fahrenheita. K a ° C však mají stejnou velikost v tom smyslu, že zvýšení o 1 K a zvýšení o 1 ° C představují stejnou fyzickou změnu. Váhy jsou ale posunuty tak, že ° C = -273,15 K a minimální teoretická hodnota K je 0.
Navíc (9/5) ° C + 32 = ° F.
Energie, teplo a jejich jednotky
Tento pojem bezpochyby znáte kalorie jako jeden z mnoha způsobů, jak měřit, co jídlo, které jíte, dodává buněčnému stroji vašeho systému. Některé zdroje tvrdí, že kalorie má jednotky energie; jiní říkají, že to vyžaduje jednotky tepla. Ve skutečnosti jsou obě tvrzení pravdivá, protože teplo je jedním z různých podtypů „oficiálního“ - i když spíše nepolapitelného - množství ve fyzice známého jako energie.
Zatímco kalorie (kal) je základem většiny veřejných rozhovorů v USA o energii poskytované potravinami, nejedná se o jednotku používanou v učebnicích a časopisech o fyzice. Standardní mezinárodní (SI) jednotka energie, a tedy tepla, je joule (J).
1 kalorie = 4,18 J, ale „kalorie“, kterou vidíte na etiketách potravin, je ve skutečnosti kilokalorie (kcal) nebo 1 000 skutečných kalorií. Tedy 1 „kalorie“ na nutriční označení je ve skutečnosti 4 180 joulů, tedy 4,18 kJ.
Jak souvisí teplo a teplota?
Viděli jste, jak teplota souvisí s teplem. Jak ale byla na prvním místě určena velikost „jednoho stupně“? Lidé museli mít způsob, jak označovat skvrny na teplotní stupnici mezi „zamrznutými“ a „uvařenými“ a přiřazovat čísla k těmto intervalům.
Pokud k tomu přidáte dané množství tepla (Q) v joulech k systému nebo odebrání tepla z tohoto systému, můžete určit, jak moc se teplota systému změní (.T) ve stupních Celsia, pokud znáte hmotnost systému (často vzorek vody) m v gramech a jeho měrné teplo c, který se liší od látky k látce:
Q = mc (∆T)
Pro vodu c = 1 cal / (g) (° C) = 4,186 J / (g) (° C).
Příklad: Pokud máte 1-litrový vzorek vody o hmotnosti 1 000 g, kolik energie v kJ je potřeba k zahřátí vzorku o 1 ° C?
Q = mc (∆T) = (1 000 g) (4,186 J / g ° C) (1 ° C) = 4 186 = 4,186 kJ.
Připomeňme, že se jedná o množství energie v jedné „kalorii“ jídla. To je zvláštní, když vezmete v úvahu, že například 1 litr slazené sody má asi 400násobek tohoto množství, ale tělo zachází s „kalorií“ mnohem jinak než s jednoduchou nádobou s vodou.