Teplo (fyzika): Definice, vzorec a příklady

Každý je obeznámen s konceptem, že je v horkém dni příliš teplo nebo příliš chladno, nebo cítit teplo ze slunce, ale co konkrétně znamená slovo „teplo“? Je to vlastnost něčeho „horkého?“ Je to totéž jako teplota? Ukázalo se, že teplo je měřitelné množství, které fyzici přesně definovali.

Teplo je to, co vědci nazývají formou energie, která se přenáší mezi dvěma materiály o různé teplotě. K tomuto přenosu energie dochází z důvodu rozdílů v průměrné translační kinetické energii na molekulu ve dvou materiálech. Teplo proudí z materiálu s vyšší teplotou do materiálu s nižší teplotou, dokud není dosaženo tepelné rovnováhy. SI jednotka tepla je joule, kde 1 joule = 1 newton × metr.

Abyste lépe pochopili, co se děje, když k tomuto přenosu energie dojde, představte si následující scénář: Dva různé kontejnery jsou naplněny malými gumovými kuličkami, které se odrážejí všude kolem. V jednom z kontejnerů je průměrná rychlost koulí (a tedy jejich průměrná kinetická energie) mnohem větší než průměrná rychlost koulí ve druhém kontejner (i když rychlost kteréhokoli jednotlivého míčku může být kdykoli cokoli, protože tolik kolizí způsobí neustálý přenos energie mezi koule.)

Pokud umístíte tyto kontejnery tak, aby se jejich strany dotýkaly, a poté odstraníte stěny oddělující jejich obsah, co byste očekávali?

Míčky z prvního kontejneru začnou interagovat s míčky z druhého kontejneru. Jak dochází ke stále více kolizím mezi koulemi, postupně se průměrné rychlosti koulí z obou kontejnerů stávají stejné. Část energie z koulí z první nádoby se přenáší na koule ve druhé nádobě, dokud není dosaženo této nové rovnováhy.

To se v podstatě děje na mikroskopické úrovni, když se navzájem dostanou do kontaktu dva objekty o různé teplotě. Energie z objektu při vyšší teplotě se přenáší ve formě tepla do objektu s nižší teplotou.

Teplota je měřítkem průměrné translační kinetické energie na molekulu v látce. V analogii koule v kontejneru je to míra průměrné kinetické energie na míč v dané nádobě. Na molekulární úrovni všechny atomy a molekuly vibrují a třesou se kolem. Tento pohyb nevidíte, protože k němu dochází v tak malém měřítku.

Běžné teplotní stupnice jsou Fahrenheit, Celsius a Kelvin, přičemž Kelvin je vědecký standard. Stupnice Fahrenheita je nejběžnější ve Spojených státech. V tomto měřítku voda zamrzá při 32 stupních a vaří při 212 stupních. Na stupnici Celsia, která je běžná na většině ostatních míst na světě, voda zamrzá při 0 stupních a vaří při 100 stupních.

Vědeckým standardem je však Kelvinova stupnice. Zatímco velikost přírůstku na Kelvinově stupnici je stejná jako velikost stupně na stupnici Celsia, jeho hodnota 0 je nastavena na jiném místě. 0 Kelvinů se rovná -273,15 stupňů Celsia.

Proč tak zvláštní volba pro 0? Ukázalo se, že jde o mnohem menší lichou volbu než nulová hodnota stupnice Celsia. 0 Kelvinů je teplota, při které se zastaví veškerý molekulární pohyb. Teoreticky je to absolutně nejchladnější teplota.

V tomto světle má Kelvinova stupnice mnohem větší smysl než stupnice Celsia. Zamyslete se například nad tím, jak se měří vzdálenost. Bylo by divné vytvořit stupnici vzdálenosti, kde by hodnota 0 odpovídala značce 1 m. Co by v takovém měřítku znamenalo, že by něco mělo dvojnásobnou délku než něco jiného?

Celková vnitřní energie látky je součtem kinetických energií všech jejích molekul. Závisí to na teplotě látky (průměrná kinetická energie na molekulu) a celkovém množství látky (počet molekul).

Je možné, že dva objekty budou mít stejnou celkovou vnitřní energii a budou mít zcela odlišné teploty. Například chladnější objekt bude mít nižší průměrnou kinetickou energii na molekulu, ale pokud počet molekuly jsou velké, pak může skončit se stejnou celkovou vnitřní energií teplejšího objektu s menším počtem molekuly.

Překvapivým výsledkem tohoto vztahu mezi celkovou vnitřní energií a teplotou je skutečnost, že velká blok ledu může skončit s větší energií než zapálená zápalková hlavice, i když je zápalová hlava tak horká, že je zapnutá oheň!

Existují tři hlavní metody, kterými se tepelná energie přenáší z jednoho objektu do druhého. Jsou to vedení, konvekce a záření.

​Vedenínastává, když se energie přenáší přímo mezi dvěma materiály v tepelném kontaktu. Toto je typ přenosu, ke kterému dochází v analogii s gumovou koulí popsanou dříve v tomto článku. Když jsou dva objekty v přímém kontaktu, energie se přenáší prostřednictvím srážek mezi jejich molekulami. Tato energie se pomalu dostává z bodu dotyku ke zbytku původně chladnějšího objektu, dokud není dosaženo tepelné rovnováhy.

Ne všechny předměty nebo látky však takto vedou energii stejně dobře. Některé materiály, nazývané dobré tepelné vodiče, mohou přenášet tepelnou energii snadněji než jiné materiály, nazývané dobré tepelné izolátory.

Pravděpodobně jste s takovými vodiči a izolátory měli ve svém každodenním životě zkušenosti. Jak je v chladném zimním ránu srovnání šlapání naboso na dlážděnou podlahu ve srovnání s šlapáním naboso na koberec? Pravděpodobně se zdá, že koberec je nějak teplejší, ale není tomu tak. Obě patra mají pravděpodobně stejnou teplotu, ale taška je mnohem lepší tepelný vodič. Z tohoto důvodu způsobuje, že tepelná energie opouští vaše tělo mnohem rychleji.

​Prouděníje forma přenosu tepla, ke které dochází v plynech nebo tekutinách. Plyny, a v menší míře i tekutiny, podléhají změnám v hustotě s teplotou. Obvykle jsou teplejší, tím jsou méně husté. Z tohoto důvodu a protože se molekuly v plynech a tekutinách mohou volně pohybovat, pokud se spodní část zahřeje, bude se rozpínat a tím stoupat nahoru kvůli své nižší hustotě.

Pokud například umístíte pánev s vodou na sporák, voda na dně pánve se ohřívá, rozšiřuje a stoupá nahoru, jak chladnější voda klesá. Chladnější voda se poté ohřívá, rozpíná a stoupá atd. A vytváří konvekční proudy, které způsobují disperzi tepelné energie systémem mícháním molekul v systému (na rozdíl od molekul, které zůstávají zhruba na stejném místě, kde se pohybují sem a tam a odrážejí se do každé jiný.)

Konvekce je důvodem, proč topná tělesa nejlépe fungují k vytápění domu, pokud jsou umístěna v blízkosti podlahy. Ohřívač umístěný v blízkosti stropu by ohříval vzduch u stropu, ale ten by zůstal na místě.

Třetí forma přenosu tepla jezáření. Záření je přenos energie elektromagnetickými vlnami. Předměty, které jsou teplé, mohou vydávat energii ve formě elektromagnetického záření. Takto se například na Zemi dostává tepelná energie ze slunce. Jakmile toto záření přijde do kontaktu s jiným objektem, atomy v tomto objektu mohou získat energii jeho absorpcí.

Dva různé materiály stejné hmotnosti projdou různými teplotními změnami, přestože mají stejnou celkovou energii přidanou kvůli rozdílům v volaném množstvíspecifická tepelná kapacita. Specifická tepelná kapacita závisí na daném materiálu. Hodnotu specifické tepelné kapacity materiálu obvykle vyhledáte v tabulce.

Formálněji je specifická tepelná kapacita definována jako množství tepelné energie, které musí být přidáno na jednotku hmotnosti, aby se teplota zvýšila o stupeň Celsia. Jednotky SI pro měrnou tepelnou kapacitu, obvykle označenéC, jsou J / kgK.

Přemýšlejte o tom takto: Předpokládejme, že máte dvě různé látky, které váží přesně stejně a mají přesně stejnou teplotu. První látka má vysokou měrnou tepelnou kapacitu a druhá látka má nízkou měrnou tepelnou kapacitu. Nyní předpokládejme, že do obou přidáte přesně stejné množství tepelné energie. První látka - látka s vyšší tepelnou kapacitou - nebude mít takovou teplotu jako druhá látka.

Existuje mnoho faktorů, které ovlivňují, jak se bude teplota látky měnit, když se na ni přenese dané množství tepelné energie. Mezi tyto faktory patří hmotnost materiálu (u menší hmoty dojde k větší změně teploty pro dané množství přidaného tepla) a měrná tepelná kapacitaC​.

Pokud existuje zdroj tepla dodávající energiiP, pak celkové přidané teplo závisí naPa čast. To znamená tepelná energieQbude se rovnatP​ × ​t​.

Rychlost změny teploty je dalším zajímavým faktorem, který je třeba vzít v úvahu. Mění objekty své teploty konstantní rychlostí? Ukazuje se, že rychlost změny závisí na teplotním rozdílu mezi objektem a jeho okolím. Newtonův zákon chlazení tuto změnu popisuje. Čím blíže je objekt okolní teplotě, tím pomaleji se přibližuje k rovnováze.

Vzorec, který souvisí se změnou teploty s hmotou objektu, měrnou tepelnou kapacitou a přidanou nebo odebranou tepelnou energií, je následující:

Tento vzorec se však použije, pouze pokud látka neprochází fázovou změnou. Když se látka mění z pevné látky na kapalinu nebo z kapaliny na plyn, teplo, které se k ní přidává, se vloží použít způsobující tuto fázovou změnu a nebude mít za následek změnu teploty, dokud nedojde k fázové změně kompletní.

Množství zvané latentní teplo fúze, označenéL_F, popisuje, kolik tepelné energie na jednotku hmotnosti je zapotřebí ke změně látky z pevné látky na kapalinu. Stejně jako u specifické tepelné kapacity závisí její hodnota na fyzikálních vlastnostech daného materiálu a je často vyhledávána v tabulkách. Rovnice, která souvisí s tepelnou energiíQna hmotu materiáluma latentní teplo fúze je:

Totéž se děje při přechodu z kapaliny na plyn. V takové situaci se označuje množství nazývané latentní teplo odpařováníL_proti, popisuje, kolik energie na jednotku hmotnosti je třeba přidat, aby došlo k fázové změně. Výsledná rovnice je stejná s výjimkou dolního indexu:

Vnitřní energieEje celková vnitřní kinetická energie neboli tepelná energie v materiálu. Za předpokladu ideálního plynu, kde je potenciální energie mezi molekulami zanedbatelná, je dána vzorcem:

kdenje počet krtků,Tje teplota v Kelvinech a univerzální plynová konstantaR= 8,3 145 J / molK. Vnitřní energie se stane 0 J při absolutní 0 K.

V termodynamice je vztah mezi změnami vnitřní energie, přenášeného tepla a prací provedenou na systému nebo systémem souvisí prostřednictvím:

Tento vztah je znám jako první zákon termodynamiky. V podstatě se jedná o prohlášení o zachování energie.