Varme (fysik): definition, formel og eksempler

Alle er fortrolige med begrebet at være for varmt eller for koldt eller føle varme fra solen på en varm dag, men hvad betyder ordet "varme" specifikt? Er det en egenskab ved noget "varmt?" Er det det samme som temperatur? Det viser sig, at varme er en målbar størrelse, som fysikere har defineret nøjagtigt.

Varme er, hvad forskere kalder den form for energi, der overføres mellem to materialer med forskellig temperatur. Denne overførsel af energi sker på grund af forskelle i den gennemsnitlige translationelle kinetiske energi pr. Molekyle i de to materialer. Varme strømmer fra materialet med højere temperatur til materialet med lavere temperatur, indtil termisk ligevægt er nået. SI-enheden for varme er joule, hvor 1 joule = 1 newton × meter.

For at forstå bedre, hvad der sker, når denne energioverførsel sker, forestil dig følgende scenarie: To forskellige beholdere er fyldt med små gummikugler, der hopper rundt. I en af ​​beholderne er kuglernes gennemsnitlige hastighed (og dermed deres gennemsnitlige kinetiske energi) meget større end kuglernes gennemsnitlige hastighed i den anden beholder (skønt hastigheden på en hvilken som helst bold kan være hvad som helst på et hvilket som helst tidspunkt, da så mange kollisioner forårsager en kontinuerlig overførsel af energi mellem bolde.)

Hvis du placerer disse containere, så siderne rører ved hinanden, fjerner du væggene, der adskiller deres indhold, hvad ville du forvente at ske?

Kuglerne fra den første container begynder at interagere med kuglerne fra den anden container. Da flere og flere kollisioner mellem kuglerne opstår, bliver kuglernes gennemsnitlige hastighed fra begge containere gradvist den samme. Noget af energien fra kuglerne fra den første beholder overføres til kuglerne i den anden beholder, indtil denne nye ligevægt er nået.

Dette er i det væsentlige hvad der sker på et mikroskopisk niveau, når to objekter med forskellig temperatur kommer i kontakt med hinanden. Energi fra objektet ved højere temperatur overføres i form af varme til objektet med lavere temperatur.

Temperatur er et mål for den gennemsnitlige translationelle kinetiske energi pr. Molekyle i et stof. I kugler-i-beholder-analogien er det et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi pr. Kugle i en given beholder. På molekylært niveau vibrerer atomer og molekyler og vrir sig rundt. Du kan ikke se denne bevægelse, fordi den sker i en så lille skala.

Almindelige temperaturskalaer er Fahrenheit, Celsius og Kelvin, hvor Kelvin er den videnskabelige standard. Fahrenheit-skalaen er mest almindelig i USA. På denne skala fryser vand ved 32 grader og koger ved 212 grader. På Celsius-skalaen, som er almindelig de fleste andre steder i verden, fryser vand ved 0 grader og koger ved 100 grader.

Den videnskabelige standard er dog Kelvin-skalaen. Mens størrelsen på en forøgelse på Kelvin-skalaen er den samme som størrelsen på en grad på Celsius-skalaen, indstilles dens 0-værdi et andet sted. 0 Kelvin er lig med -273,15 grader Celsius.

Hvorfor et så mærkeligt valg for 0? Det viser sig, at dette er meget mindre af et underligt valg end Celsius-skalaens nulværdi. 0 Kelvin er den temperatur, hvor al molekylær bevægelse stopper. Det er den absolut koldeste temperatur teoretisk muligt.

I dette lys giver Kelvin-skalaen meget mere mening end Celsius-skalaen. Tænk f.eks. På, hvordan afstand måles. Det ville være underligt at oprette en afstandsskala, hvor 0-værdien svarede til 1 m-mærket. På en sådan skala, hvad ville det betyde, at noget skulle være dobbelt så langt som noget andet?

Den samlede indre energi af et stof er den samlede kinetiske energi af alle dets molekyler. Det afhænger af stoffets temperatur (den gennemsnitlige kinetiske energi pr. Molekyle) og den samlede mængde af stoffet (antallet af molekyler).

Det er muligt for to objekter at have den samme samlede interne energi, mens de har helt forskellige temperaturer. For eksempel vil et køligere objekt have en lavere gennemsnitlig kinetisk energi pr. Molekyle, men hvis antallet af molekyler er store, så kan det stadig ende med den samme samlede indre energi af et varmere objekt med færre molekyler.

Et overraskende resultat af dette forhold mellem total intern energi og temperatur er det faktum, at en stor isblok kan ende med mere energi end et tændt tændstikhoved, selvom tændstikhovedet er så varmt, at det er tændt ild!

Der er tre hovedmetoder, hvormed varmeenergi overføres fra et objekt til et andet. De er ledning, konvektion og stråling.

​Ledningopstår, når energi overføres direkte mellem to materialer i termisk kontakt med hinanden. Dette er den type overførsel, der forekommer i gummikugeanalogen, der er beskrevet tidligere i denne artikel. Når to objekter er i direkte kontakt, overføres energi via kollisioner mellem deres molekyler. Denne energi går langsomt fra kontaktpunktet til resten af ​​det oprindeligt køligere objekt, indtil termisk ligevægt er opnået.

Ikke alle genstande eller stoffer leder imidlertid energi på denne måde lige så godt. Nogle materialer, kaldet gode termiske ledere, kan overføre varmeenergi lettere end andre materialer, kaldet gode varmeisolatorer.

Du har sandsynligvis haft erfaring med sådanne ledere og isolatorer i dit daglige liv. På en kold vintermorgen, hvordan kan man træde barfodet på et flisegulv sammenlignet med at træde barfodet på tæppet? Det ser sandsynligvis ud til at tæppet på en eller anden måde er varmere, men dette er ikke tilfældet. Begge etager har sandsynligvis den samme temperatur, men flisen er en meget bedre varmeleder. På grund af dette får det varmeenergien til at forlade din krop meget hurtigere.

​Konvektioner en form for varmeoverførsel, der forekommer i gasser eller væsker. Gasser og i mindre grad væsker oplever ændringer i deres tæthed med temperaturen. Normalt jo varmere de er, jo mindre tæt er de. På grund af dette, og fordi molekylerne i gasser og væsker er frie til at bevæge sig, hvis den nederste del bliver varm, vil den ekspandere og dermed stige til toppen på grund af dens lavere densitet.

Hvis du f.eks. Placerer en vandpande på komfuret, opvarmes vandet i bunden af ​​panden, udvides og stiger til toppen, når det køligere vand synker. Det køligere vand opvarmes derefter, udvides og stiger osv., Hvilket skaber konvektionsstrømme, der får varmeenergien til at sprede sig gennem systemet via blanding af molekylerne i systemet (i modsætning til, at molekylerne alle forbliver omtrent det samme sted, som de jiggler frem og tilbage og hopper ind i hver Andet.)

Konvektion er grunden til, at varmeovne fungerer bedst for at varme et hus op, hvis de placeres nær gulvet. Et varmelegeme placeret tæt på loftet ville varme luften tæt på loftet, men den luft ville forblive sat.

Den tredje form for varmeoverførsel erstråling. Stråling er overførsel af energi via elektromagnetiske bølger. Genstande, der er varme, kan afgive energi i form af elektromagnetisk stråling. Dette er f.eks. Hvordan varmeenergi fra solen når jorden. Når strålingen kommer i kontakt med en anden genstand, kan atomerne i den genstand få energi ved at absorbere den.

To forskellige materialer med samme masse vil gennemgå forskellige temperaturændringer på trods af at de har tilføjet den samme samlede energi på grund af forskelle i en kaldet mængdespecifik varmekapacitet. Specifik varmekapacitet afhænger af det pågældende materiale. Du vil typisk slå værdien af ​​et materiales specifikke varmekapacitet op i en tabel.

Mere formelt defineres specifik varmekapacitet som den mængde varmeenergi, der skal tilføjes pr. Masseenhed for at hæve temperaturen med en grad Celsius. SI-enhederne til specifik varmekapacitet, normalt betegnet medc, er J / kgK.

Tænk over det sådan: Antag at du har to forskellige stoffer, der vejer nøjagtigt det samme og har nøjagtigt den samme temperatur. Det første stof har en høj specifik varmekapacitet, og det andet stof har en lav specifik varmekapacitet. Antag nu, at du tilføjer nøjagtig den samme mængde varmeenergi til dem begge. Det første stof - det med den højere varmekapacitet - stiger ikke så meget i temperatur som det andet stof.

Der er mange faktorer, der påvirker, hvordan temperaturen på et stof vil ændre sig, når en given mængde varmeenergi overføres til det. Disse faktorer inkluderer materialets masse (en mindre masse gennemgår en større temperaturændring for en given mængde tilsat varme) og den specifikke varmekapacitetc​.

Hvis der er en varmekilde, der leverer strømP, afhænger den samlede tilsatte varme afPog tidt. Det vil sige varmeenergienQvil svareP​ × ​t​.

Temperaturændringshastigheden er en anden interessant faktor at overveje. Ændrer objekter deres temperaturer konstant? Det viser sig, at ændringshastigheden afhænger af temperaturforskellen mellem objektet og dets omgivelser. Newtons kølingslov beskriver denne ændring. Jo tættere et objekt er på den omgivende temperatur, jo langsommere nærmer det sig ligevægt.

Formlen, der relaterer temperaturændringen til et objekts masse, specifik varmekapacitet og tilføjet eller fjernet varmeenergi er som følger:

Denne formel gælder kun, hvis stoffet ikke gennemgår en faseændring. Når et stof skifter fra fast til væske eller skifter fra væske til gas, sættes den varme, der tilsættes det brug, der forårsager denne faseændring og vil ikke resultere i en temperaturændring, før faseændringen er komplet.

En mængde kaldet den latente fusionsvarme, betegnetL_f, beskriver hvor meget varmeenergi pr. masseenhed der kræves for at ændre et stof fra et fast stof til en væske. Ligesom med specifik varmekapacitet afhænger dens værdi af det pågældende materiales fysiske egenskaber og bliver ofte slået op i tabeller. Ligningen, der relaterer varmeenergiQtil massen af ​​et materialemog den latente fusionsvarme er:

Det samme sker, når der skiftes fra væske til gas. I en sådan situation betegnes en mængde kaldet den latente fordampningsvarmeL_v, beskriver hvor meget energi pr. masseenhed der skal tilføjes for at forårsage faseændringen. Den resulterende ligning er identisk bortset fra abonnement:

Intern energiEer den samlede indre kinetiske energi eller termiske energi i et materiale. Under forudsætning af en ideel gas, hvor enhver potentiel energi mellem molekyler er ubetydelig, er den givet med formlen:

hvorner antallet af mol,Ter temperatur i Kelvin og den universelle gaskonstantR= 8,3145 J / molK. Den indre energi bliver 0 J ved absolut 0 K.

I termodynamik er forholdet mellem ændringer i intern energi, overført varme og arbejde udført på eller af et system relateret til:

Dette forhold er kendt som den første lov om termodynamik. I det væsentlige er det en erklæring om bevarelse af energi.