Sie sind wahrscheinlich mit Thermometern und dem Messen von Temperaturen vertraut, fühlen sich heiß und kalt und was es braucht, um Wasser zu kochen. Jetzt ist es an der Zeit, Ihr intuitives Verständnis von Wärme und Temperatur zu erweitern und zu lernen, wie die Physiker es tun.
In dieser Einführung in die thermische Physik erfahren Sie, was Wärme und Temperatur sind und auf welche Phänomene sich dieser Teilbereich der Physik bezieht.
Das Studium von Wärme und Temperatur
Thermische Physik ist das Studium von Hitze und Temperatur. Wärme ist definiert als Energie, die zwischen zwei Objekten unterschiedlicher Temperatur übertragen wird – vom wärmeren Objekt zum kühleren Objekt.
Hitze ist eine Art von Wärmeenergie. Thermische Energie ist die Energie, die mit der molekularen Bewegung innerhalb eines Objekts verbunden ist. In jedem Objekt stehen die Moleküle nicht einfach still; Auch wenn Sie die Bewegung nicht sichtbar sehen können, wackeln sie alle herum und hüpfen ineinander.
Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie pro Molekül. Sie sind vielleicht mit der Messung in Grad Fahrenheit oder sogar Celsius vertraut, aber die von Wissenschaftlern bevorzugte SI-Einheit ist Kelvin.
Die Summe innere Energie ein Objekt hat abhängig von seiner Masse, Temperatur und spezifische Wärmekapazität. Die spezifische Wärmekapazität ist ein Maß dafür, wie viel Wärmeenergie erforderlich ist, um die Temperatur einer Masseeinheit um 1 Grad zu erhöhen. Unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche spezifische Wärmekapazitäten, und die Wärmekapazität eines bestimmten Materials kann normalerweise in einer Tabelle nachgeschlagen werden.
Wärmeübertragung
Wärme kann auf drei Arten von einem Objekt auf ein anderes übertragen werden. Diese sind:
- Leitung
- Konvektion
- Strahlung
Bei der Leitung stehen die beiden Objekte in physischem Kontakt, und die Wärmeenergie bewegt sich durch direkte Kollisionen zwischen Molekülen in den Objekten vom wärmeren Objekt zum kühleren Objekt.
Bei der Konvektion wird Wärme durch Konvektionsströme übertragen. Dies geschieht, wenn Sie Wasser auf dem Herd kochen. Das Wasser am Boden der Pfanne erwärmt sich zuerst und dehnt sich beim Erwärmen aus und wird weniger dicht. Da es weniger dicht ist, steigt es zum oberen Rand der Pfanne auf, wenn das kühlere Wasser absinkt und sich dann erwärmt.
Bei der Strahlung wird Wärmeenergie über elektromagnetische Strahlung übertragen. So gewinnen Sie Energie aus der Sonne. Diese Energie wandert als Strahlung durch das Vakuum des Weltraums, die dann die Erde erwärmt, wenn sie uns erreicht.
Phasenänderungen
Wenn den Materialien Wärmeenergie zugeführt wird, erhöht sich ihre Temperatur. An bestimmten Stellen, genannt Phasenübergänge, die Materialwechselphase. Materialien können von fest zu flüssig und von flüssig zu gasförmig und sogar von Gas zu Plasma wechseln.
Die Temperaturen, bei denen eine Phasenänderung stattfindet, hängen vom Material selbst und den Druckbedingungen ab. Dies wird anhand eines Phasendiagramms untersucht.
Die Energiemenge, die erforderlich ist, um die Phase eines Materials zu ändern, hängt von der latenten Wärme dieses Materials ab. Die latente Schmelzwärme eines Materials ist die Menge an Wärmeenergie, die erforderlich ist, um eine Masseneinheit dieses Stoffes von fest in flüssig zu ändern. Die latente Verdampfungswärme eines Materials ist die Menge an Wärmeenergie, die erforderlich ist, um es von einer Flüssigkeit in ein Gas umzuwandeln.
Thermodynamik
Thermische Physik führt schließlich zum Studium der Thermodynamik, dem Zweig der Physik, der sich ändernde thermische Systeme unter Verwendung der kinetischen Theorie und der statistischen Mechanik untersucht.
Es gibt drei Gesetze der Thermodynamik, die thermodynamische Prozesse regeln. Diese werden einfach der erste Hauptsatz der Thermodynamik, der zweite Hauptsatz der Thermodynamik und der dritte Hauptsatz der Thermodynamik genannt. Wenn Sie diese Gesetze zum ersten Mal kennen lernen, werden Sie in der Regel lernen, wie sie auf ein ideales Gas zutreffen und das Gesetz des idealen Gases anwenden.
Thermodynamik kann Ihnen helfen zu verstehen, wie Dampfmaschinen, Kühlschränke, Wärmepumpen und andere ähnliche Elemente funktionieren.
