Teplo vs. teplota: Jaké jsou podobnosti a rozdíly? (s grafem)

Lidé někdy používají tyto výrazyteploateplotazaměnitelně. Spojují teplo se slovemhorkýa chápat teplotu také ve vztahu k „horkosti“ nebo „chladu“ něčeho. Možná si řeknou, že teplota v jarní den je správná, protože je to správné množství tepla.

Ve fyzice se však tyto dvě veličiny od sebe zcela liší. Nejedná se o měřítka stejné věci a nemají stejné jednotky, i když oba mohou informovat vaše chápání tepelných vlastností.

Abychom pochopili teplo a teplotu na základní úrovni, je nejprve důležité porozumět pojmu vnitřní energie. I když možná znáte objekty, které mají kinetickou energii kvůli jejich pohybu nebo potenciální energii kvůli jejich poloha v daném objektu může mít samotné molekuly také formu kinetiky a potenciálu energie.

Tato molekulární kinetická a potenciální energie je oddělená od toho, co vidíte při pohledu na cihlu. Cihla sedící na zemi se zdá být nehybná a můžete předpokládat, že s ní není spojena žádná kinetická ani potenciální energie. A ve skutečnosti to není ve smyslu vašeho porozumění základní mechanice.

Samotná cihla se ale skládá z mnoha molekul, které jednotlivě procházejí různými typy malých pohybů, které nevidíte. Molekuly mohou také zažít potenciální energii kvůli jejich blízkosti k jiným molekulám a silám vyvíjeným mezi nimi. Celková vnitřní energie této cihly je součtem kinetických a potenciálních energií samotných molekul.

Jak jste se pravděpodobně dozvěděli, energie se šetří. V případě, že na předmět nepůsobí žádné třecí nebo disipativní síly, je také zachována mechanická energie. To znamená, že kinetická energie se může změnit na potenciální energii a naopak, ale celková zůstává konstantní. Když však působí síla jako tření, můžete si všimnout, že celková mechanická energie klesá. Je to proto, že energie měla jiné formy, jako je zvuková energie nebo tepelná energie.

Když si v chladném dni potřete ruce, přeměňujete mechanickou energii na energii tepelnou. To znamená, že kinetická energie vašich rukou pohybujících se proti sobě změnila formu a stala se kinetickou energií molekul ve vašich rukou vůči sobě navzájem. Průměr této kinetické energie v molekulách ve vašich rukou je to, co vědci definují jako teplotu.

Teplota je měřítkem průměrné kinetické energie na molekulu v látce. Všimněte si, že to není stejné jako vnitřní energie látky, protože nezahrnuje potenciální energii a také to není míra celkové energie v látce. Místo toho je to celková kinetická energie dělená počtem molekul. Nezáleží na tom, kolik z něčeho máte (jako celková vnitřní energie), ale spíše na tom, kolik kinetické energie přenáší průměrná molekula v látce.

Teplota může být měřena v mnoha různých jednotkách. Mezi ně patří Fahrenheit, který je nejběžnější v USA a na několika dalších místech. Na stupnici Fahrenheita voda zamrzá při 32 stupních a vaří při 212 ° C. Další běžnou stupnicí je stupnice Celsia, která se používá na mnoha dalších místech světa. V této stupnici voda zamrzá při 0 stupních a vaří při 100 stupních (což dává docela jasnou představu o tom, jak byla tato stupnice navržena).

Vědeckým standardem je ale Kelvinova stupnice. Zatímco velikost přírůstku na Kelvinově stupnici je stejná jako stupeň Celsia, Kelvinova stupnice začíná při teplotě zvané absolutní nula, kde se zastaví veškerý molekulární pohyb. Jinými slovy, začíná při nejchladnější možné teplotě.

Nula stupňů Celsia je 273,15 na Kelvinově stupnici. Kelvinova stupnice je vědecký standard z dobrého důvodu. Předpokládejme, že něco má teplotu 0 stupňů Celsia. Co by to znamenalo říci, že druhý objekt má dvojnásobnou teplotu? Byla by tato položka také 0 stupňů Celsia? Na Kelvinově stupnici tato představa nezpůsobuje žádné problémy a je to právě proto, že začíná na absolutní nule.

Vezměte v úvahu dvě látky nebo předměty při různých teplotách. Co to znamená? To znamená, že v průměru jsou molekuly v jedné z látek (vyšší teplota) pohybující se kolem s větší průměrnou kinetickou energií než molekuly při nižší teplotě látka.

Pokud tyto dvě látky přijdou do kontaktu, není divu, že se energie začne průměrovat mezi látkami, jakmile dojde k mikroskopickým srážkám. Látka, která byla zpočátku na vyšší teplotě, bude ochlazovat, jak teplota jiné látky stoupá, dokud nebudou obě stejné teploty. Vědci tomu říkají konečný stavtepelná rovnováha​.

Vědci nazývají teplo tepelnou energií, která se přenáší z teplejšího objektu do chladnějšího. Teplo je forma energie přenášené mezi dvěma materiály, které mají různé teploty. Teplo vždy proudí z materiálu s vyšší teplotou do materiálu s nižší teplotou, dokud není dosaženo tepelné rovnováhy.

Protože teplo je forma energie, jednotka tepla SI je joule.

Jak jste viděli v předchozích definicích, teplo a teplota jsou skutečně dvě odlišná fyzikální opatření. Zde jsou jen některé z jejich rozdílů:

​Měří se v různých jednotkách.Jednotka SI pro teplotu je Kelvin a jednotka SI pro teplo je joule. Kelvin je považován za základní jednotku, což znamená, že jej nelze rozdělit na kombinaci dalších základních jednotek. Joule je ekvivalentní kgm²/ s².

​Liší se v závislosti na počtu molekul.Teplota je měřítkem průměrné kinetické energie na molekulu, což znamená, že nezáleží na tom, kolik látky máte, když mluvíte o teplotě. Množství tepelné energie, které může být přenášeno mezi látkami, však velmi závisí na tom, kolik z každé látky máte.

​Jsou to různé typy proměnných.Teplota je známá jako stavová proměnná. To znamená, že definuje stav, ve kterém se látka nebo předmět nachází. Na druhé straně je teplo proměnná procesu. Popisuje probíhající proces - v tomto případě přenášená energie. Nemá smysl mluvit o teple, když je vše v rovnováze.

​Jsou měřeny odlišně.Teplota se měří teploměrem, což je obvykle zařízení, které využívá tepelnou roztažnost ke změně odečtu na stupnici. Na druhé straně se teplo měří kalorimetrem.

Teplo a teplota navzájem zcela nesouvisí, nicméně:

​Oba jsou důležitými veličinami v termodynamice.Studium tepelné energie se opírá o schopnost měřit teplotu a také schopnost sledovat přenosy tepla.

​Přenos tepla je řízen teplotními rozdíly.Když mají dva objekty různé teploty, bude se tepelná energie přenášet z teplejšího do chladnějšího, dokud nebude dosaženo tepelné rovnováhy. Tyto teplotní rozdíly jsou tedy hybnou silou přenosu tepla.

​Mají tendenci se společně zvyšovat a snižovat.Pokud je do systému přidáno teplo, teplota stoupá. Pokud je ze systému odstraněno teplo, teplota klesá. (Jedna výjimka z toho nastává u fázových přechodů, kdy se místo změny teploty použije tepelná energie k vyvolání fázového přechodu.)

​Vztahují se k sobě rovnicí.Tepelná energieQsouvisí se změnou teplotyΔTpomocí rovnice Q = mcΔT kdemje hmotnost látky aCje jeho měrná tepelná kapacita (tj. míra množství tepelné energie potřebné ke zvýšení jednotkové hmotnosti o stupeň Kelvina pro konkrétní látku.)

Vnitřní energie je celková vnitřní kinetická a potenciální energie nebo tepelná energie v materiálu. Pro ideální plyn, ve kterém je potenciální energie mezi molekulami zanedbatelná, vnitřní energieEje dáno vzorcem E = 3 / 2nRT kdenje počet molů plynu a univerzální plynová konstantaR= 8,3 145 J / molK.

Vztah mezi vnitřní energií a teplotou ukazuje, že nepřekvapuje, že s rostoucí teplotou se zvyšuje tepelná energie. Vnitřní energie se také stane 0 při absolutní 0 Kelvinech.

Když se začnete dívat na změny vnitřní energie, do obrazu se dostane teplo. První zákon termodynamiky dává následující vztah:

kdeQje teplo přidané do systému aŽje práce odvedená systémem. V podstatě se jedná o prohlášení o zachování energie. Když přidáte tepelnou energii, vnitřní energie se zvýší. Pokud systém pracuje na svém okolí, vnitřní energie klesá.

Jak již bylo zmíněno dříve, tepelná energie přidaná do systému obvykle vede k odpovídajícímu zvýšení teploty, pokud systém nepodléhá fázové změně. Chcete-li se na to podívat blíže, zvažte blok ledu, který začíná pod bodem mrazu, protože tepelná energie se přidává konstantní rychlostí.

Pokud se tepelná energie přidává nepřetržitě, zatímco se blok ledu zahřívá na bod mrazu, prochází fázovou změnou, aby se z ní stala voda a poté pokračuje v zahřívání, dokud nedosáhne bodu varu, kde prochází další fázovou změnou na páru, graf teploty vs. teplo bude vypadat takto:

Zatímco led je pod bodem mrazu, existuje lineární vztah mezi tepelnou energií a teplotou. To není překvapivé, jak by mělo být, vzhledem k rovnici Q = mcΔT. Jakmile led dosáhne teploty mrazu, musí se použít jakákoli přidaná tepelná energie, která mu pomůže změnit fázi. Teplota zůstává konstantní, i když se teplo stále přidává. Rovnice, která spojuje tepelnou energii s hmotou během fázové změny z pevné látky na kapalinu, je následující:

kdeL_Fje latentní teplo fúze - konstanta vztahující se k tomu, kolik energie je zapotřebí na jednotku hmotnosti k tomu, aby došlo k přechodu z pevné látky na kapalinu.

Takže, dokud se množství tepla nebude rovnatml_Fpřidána, teplota zůstává konstantní.

Jakmile se veškerý led roztaví, teplota opět lineárně stoupá, dokud nedosáhne bodu varu. I zde dochází k fázové změně, tentokrát z kapaliny na plyn. Rovnice týkající se tepla s hmotou během této fázové změny je velmi podobná:

kdeL_protije latentní výparné teplo - konstanta vztahující se k tomu, kolik energie je zapotřebí na jednotku hmotnosti k tomu, aby došlo k přechodu z kapaliny na plyn. Takže teplota opět zůstává konstantní, dokud není přidáno dostatečné množství tepelné energie. Všimněte si, že tentokrát zůstane konstantní po delší dobu. To je ProtožeL_protije obvykle vyšší nežL_Fpro látku.

Poslední část grafu opět ukazuje stejný lineární vztah jako dříve.