Du er sandsynligvis fortrolig med termometre og temperaturer, føler dig varm og kold, og hvad der kræves for at koge vand. Nu er det tid til at udvide din intuitive forståelse af varme og temperatur og lære, hvordan fysikerne gør det.
I denne introduktion til termisk fysik lærer du, hvad varme og temperatur er, samt hvilke fænomener denne gren af fysikken gælder for.
Undersøgelsen af varme og temperatur
Termisk fysik er studiet af varme og temperatur. Varme defineres som energi, der overføres mellem to objekter med forskellige temperaturer - bevæger sig fra den varmere genstand til den køligere genstand.
Varme er en type termisk energi. Termisk energi er den energi, der er forbundet med den molekylære bevægelse i et objekt. Inde i ethvert objekt står molekylerne ikke bare stille; selvom du ikke synligt kan se bevægelsen, pifler de alle rundt og hopper ind i hinanden.
Temperatur er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi pr. molekyle. Du er måske bekendt med at måle det i grader Fahrenheit eller endda Celsius, men den SI-enhed, som forskere foretrækker, er Kelvin.
Det samlede antal intern energi et objekt har, afhænger af dets masse, temperatur og specifik varmekapacitet. Specifik varmekapacitet er et mål for, hvor meget varmeenergi der kræves for at hæve temperaturen på en enhedsmasse med 1 grad. Forskellige materialer har forskellige specifikke varmekapaciteter, og varmekapaciteten for ethvert bestemt materiale kan normalt slås op i en tabel.
Overførsel af varme
Varme kan overføres fra et objekt til et andet på tre primære måder. Disse er:
- Ledning
- Konvektion
- Stråling
Under ledning er de to objekter i fysisk kontakt, og varmeenergien bevæger sig fra den varmere genstand til den køligere genstand ved direkte sammenstød mellem molekyler i genstandene.
I konvektion overføres varme med konvektionsstrømme. Dette sker, når du koger vand på komfuret. Vandet i bunden af gryden opvarmes først, og når det varmer, udvides det og bliver mindre tæt. Da den er mindre tæt, stiger den op til toppen af gryden, når det køligere vand synker og derefter varmer op.
I stråling overføres varmeenergi via elektromagnetisk stråling. Sådan får du energi fra solen. Den energi bevæger sig gennem rumets vakuum som stråling, som derefter varmer jorden, når den når os.
Faseændringer
Når varmeenergi tilføjes materialer, øges de i temperatur. På visse punkter kaldes faseovergange, materialet skifter fase. Materialer kan skifte fra fast til væske og fra væske til gas og endda fra gas til plasma.
Temperaturerne, ved hvilke en faseændring opstår, afhænger af selve materialet og trykforholdene. Dette undersøges ved hjælp af et fasediagram.
Mængden af energi, der kræves for at ændre fasen af et materiale, afhænger af materialets latente varme. Den latente fusionsvarme af et materiale er den mængde varmeenergi, der kræves for at ændre en enhedsmasse af dette stof fra fast til væske. Den latente fordampningsvarme af et materiale er den mængde varmeenergi, der kræves for at ændre det fra en væske til en gas.
Termodynamik
Termisk fysik fører til sidst til studiet af termodynamik, som er den gren af fysikken, der studerer skiftende termiske systemer ved hjælp af kinetisk teori og statistisk mekanik.
Der er tre love om termodynamik, der styrer termodynamiske processer. Disse kaldes simpelthen den første lov om termodynamik, den anden lov om termodynamik og den tredje lov om termodynamik. Når du først lærer om disse love, vil du typisk lære, hvordan de gælder for en ideel gas og gøre brug af den ideelle gaslov.
Termodynamik kan hjælpe dig med at forstå, hvordan dampmaskiner, køleskabe, varmepumper og andre lignende ting fungerer.