Sie wissen aus Erfahrung, dass wenn der Wert auf einem Thermometer Temperatur steigt, die Umgebungsbedingungen werden wärmer. Sinkt dieser Wert, werden die Umgebungsbedingungen kühler. Sie wissen wahrscheinlich auch, dass mehrere gängige Temperaturskalen verwendet werden, um dieses Phänomen genau zu quantifizieren.
Wenn Temperaturänderungen in irgendeiner Weise auf eine Zunahme oder Abnahme von Hitze Gibt es in der Nähe eine Möglichkeit, die Korrelation zu erfassen? Das heißt, kann eine gegebene Temperaturänderung (z. B. in Grad Celsius oder °C) mit einem gegebenen Wärmegewinn oder -verlust korreliert werden – vorausgesetzt, dass "Wärme" in der Physik überhaupt genau messbar ist?
Tatsächlich ist es möglich, Temperaturänderungen mit Wärmegewinnen oder -verlusten in hilfreichen Wärmeeinheiten wie Kilojoule (kJ) zu korrelieren – solange Sie buchstäblich wissen, womit Sie es zu tun haben.
Temperatur und ihre Skalen
Temperatur ist eine Größe, die von einem als Thermometer bezeichneten Gerät gemessen wird. Sie wird mathematisch aus der durchschnittlichen kinetischen Energie von Partikeln (Atomen und Molekülen) in einem System, wie einem geschlossenen Behälter oder Raum, abgeleitet.
Kinetische Energie ist Bewegungsenergie. Wenn winzige Partikel durch die Luft sausen, kollidieren sie miteinander und die Kollisionen setzen Wärme frei. Je höher die Durchschnittsgeschwindigkeit der Partikel im System ist, desto mehr kollidieren sie und desto mehr Wärme wird freigesetzt, wodurch die gemessene Temperatur steigt.
Die SI-Einheit der Temperatur ist die Kelvin (K). Dies ist kein Grad und hat daher kein zugehöriges Symbol, im Gegensatz zu Grad Celsius und Fahrenheit. K und °C haben jedoch die gleiche Größe in dem Sinne, dass eine Zunahme von 1 K und eine Zunahme von 1 °C dieselbe physikalische Änderung darstellen. Die Skalen sind jedoch so versetzt, dass °C = -273,15 K ist und der minimale theoretische Wert von K 0 ist.
Zusätzlich (9/5)°C + 32 = °F.
Energie, Wärme und ihre Einheiten
Du kennst den Begriff bestimmt Kalorie als eine von vielen Möglichkeiten zu messen, was die Nahrung, die Sie essen, an die Zellmaschinerie Ihres Systems liefert. Einige Quellen behaupten, dass die Kalorien Energieeinheiten haben; andere sagen, es braucht Wärmeeinheiten. Tatsächlich sind beide Behauptungen wahr, denn Wärme ist eine von verschiedenen Unterarten der „offiziellen“ – wenn auch schwer zu fassenden – Größe in der Physik, die als Energie bekannt ist.
Während die Kalorie (cal) die Grundlage für die meisten öffentlichen Diskussionen in den USA über die von Lebensmitteln bereitgestellte Energie ist, ist dies nicht die Einheit, die in Physiklehrbüchern und -zeitschriften verwendet wird. Die internationale Standardeinheit (SI) für Energie und damit für Wärme ist die Joule (J).
1 Kalorie = 4,18 J, aber die "Kalorie", die Sie auf den Lebensmitteletiketten sehen, ist tatsächlich eine Kilokalorie (kcal) oder 1.000 echte Kalorien. Somit entspricht 1 „Kalorie“ pro Nährwertkennzeichnung tatsächlich 4.180 Joule oder 4,18 kJ.
Wie hängen Hitze und Temperatur zusammen?
Sie haben gesehen, wie die Temperatur mit der Wärme zusammenhängt. Aber wie wurde die Größe von „einem Grad“ überhaupt bestimmt? Die Menschen mussten eine Möglichkeit haben, die Stellen auf der Temperaturskala zwischen „eingefroren“ und „weggekocht“ zu markieren und diesen Intervallen Zahlen zuzuordnen.
Wenn Sie eine bestimmte Wärmemenge hinzufügen (Q) in Joule an ein System abgeben oder Wärme von diesem System abführen, können Sie bestimmen, wie stark sich die Temperatur des Systems ändert (T) in Celsius, solange Sie die Masse des Systems kennen (oft eine Wasserprobe) ich in Gramm und seine spezifische Wärme c, die von Substanz zu Substanz unterschiedlich ist:
Q = mc(∆T)
Für Wasser ist c = 1 cal/(g)(°C) = 4,186 J/(g)(°C).
Beispiel: Wenn Sie eine 1-Liter-Wasserprobe mit einer Masse von 1.000 g haben, wie viel Energie in kJ wird benötigt, um die Probe um 1 °C zu erwärmen?
Q = mc(∆T) = (1.000 g) (4,186 J/g °C)(1 °C) = 4,186 = 4,186 kJ.
Denken Sie daran, dass dies die Energiemenge in einer einzelnen "Kalorie" einer Nahrung ist. Das ist seltsam, wenn man bedenkt, dass beispielsweise 1 Liter gesüßte Limonade etwa das 400-fache dieser Menge hat, aber der Körper mit "Kalorien" ganz anders umgeht als ein einfacher Glas Wasser.