Pravděpodobně jste obeznámeni s teploměry a měřením teplot, pocitem tepla a chladu a tím, co je zapotřebí k vaření vody. Nyní je čas rozšířit své intuitivní chápání tepla a teploty a naučit se, jak to fyzici dělají.
V tomto úvodu do tepelné fyziky se dozvíte, co je teplo a teplota a jaké jevy, na které se toto odvětví fyziky vztahuje.
Studium tepla a teploty
Tepelná fyzika je studium teplo a teplota. Teplo je definováno jako energie, která se přenáší mezi dvěma objekty různých teplot - pohybem od teplejšího objektu k chladnějšímu objektu.
Teplo je druh tepelné energie. Tepelná energie je energie spojená s molekulárním pohybem v objektu. Uvnitř jakéhokoli objektu molekuly nestojí jednoduše na místě; i když pohyb nevidíte viditelně, všichni kolem sebe kolísají a poskakují.
Teplota je míra průměrné kinetické energie na molekulu. Možná jste obeznámeni s měřením ve stupních Fahrenheita nebo dokonce ve stupních Celsia, ale jednotka SI, kterou vědci preferují, je Kelvin.
Celkem vnitřní energie předmět má, závisí na jeho hmotnosti, teplotě a
Přenos tepla
Teplo se může přenášet z jednoho objektu na druhý třemi primárními způsoby. Tyto jsou:
- Vedení
- Proudění
- Záření
Ve vedení jsou oba objekty ve fyzickém kontaktu a tepelná energie se pohybuje z teplejšího objektu do chladnějšího objektu přímými kolizemi mezi molekulami v objektech.
V konvekci se teplo přenáší konvekčními proudy. K tomu dochází, když vaříte vodu na sporáku. Voda ve spodní části pánve se nejprve zahřeje a jak se ohřívá, expanduje a je méně hustá. Protože je méně hustý, stoupá k horní části pánve, jak chladnější voda klesá a poté se zahřívá.
V záření se tepelná energie přenáší elektromagnetickým zářením. Takto získáte energii ze slunce. Tato energie prochází vakuem vesmíru jako záření, které poté zahřívá Zemi, když k nám dorazí.
Fázové změny
Když se do materiálů přidává tepelná energie, zvyšuje se jejich teplota. V určitých bodech tzv fázové přechody, fáze změn materiálu. Materiály se mohou měnit z pevné látky na kapalinu a z kapaliny na plyn, a dokonce i z plynu na plazmu.
Teploty, při kterých dochází k fázové změně, závisí na samotném materiálu a podmínkách tlaku. Toto je studováno pomocí fázového diagramu.
Množství energie potřebné ke změně fáze materiálu závisí na latentním teple tohoto materiálu. Latentní teplo fúze materiálu je množství tepelné energie potřebné ke změně jednotkové hmotnosti této látky z pevné látky na kapalinu. Latentní teplo odpařování materiálu je množství tepelné energie potřebné k jeho přeměně z kapaliny na plyn.
Termodynamika
Tepelná fyzika nakonec vede ke studiu termodynamiky, což je odvětví fyziky, které studuje měnící se tepelné systémy pomocí kinetické teorie a statistické mechaniky.
Existují tři zákony termodynamiky, které řídí termodynamické procesy. Říká se jim jednoduše první zákon termodynamiky, druhý zákon termodynamiky a třetí zákon termodynamiky. Když se poprvé dozvíte o těchto zákonech, obvykle se naučíte, jak se vztahují na ideální plyn, a využijete zákon o ideálním plynu.
Termodynamika vám pomůže pochopit, jak fungují parní stroje, chladničky, tepelná čerpadla a další podobné položky.