Γνωρίζετε από την εμπειρία ότι όταν η τιμή δείχνει ένα θερμόμετρο θερμοκρασία αυξάνεται, οι συνθήκες περιβάλλοντος γίνονται πιο ζεστές. Όταν μειώνεται αυτή η τιμή, οι συνθήκες περιβάλλοντος γίνονται πιο δροσερές. Πιθανότατα γνωρίζετε επίσης ότι χρησιμοποιούνται πολλές κοινές κλίμακες θερμοκρασίας για την ακριβή ποσοτικοποίηση αυτού του φαινομένου.
Εάν οι αλλαγές στη θερμοκρασία δείχνουν κατά κάποιο τρόπο κέρδος ή απώλεια θερμότητα στην περιοχή, υπάρχει κάποιος τρόπος για να καταγράψετε τη συσχέτιση; Δηλαδή, μπορεί μια δεδομένη αλλαγή στη θερμοκρασία (ας πούμε, σε βαθμούς Κελσίου, ή ° C) να συσχετιστεί με ένα δεδομένο κέρδος ή απώλεια θερμότητας - υποθέτοντας ότι η "θερμότητα" είναι ακόμη και ένα πράγμα που μπορεί να μετρηθεί επακριβώς στη φυσική;
Πράγματι, η συσχέτιση των αλλαγών στη θερμοκρασία με κέρδη ή απώλειες θερμότητας, σε χρήσιμες μονάδες θερμότητας όπως τα κιλόζες (kJ), είναι δυνατή - αρκεί να γνωρίζετε κυριολεκτικά τι αντιμετωπίζετε.
Θερμοκρασία και κλίμακες
Η θερμοκρασία είναι μια ποσότητα που μετράται από μια συσκευή που ονομάζεται θερμόμετρο. Προέρχεται μαθηματικά από τη μέση κινητική ενέργεια σωματιδίων (ατόμων και μορίων) σε ένα σύστημα, όπως κλειστό δοχείο ή δωμάτιο.
Η κινητική ενέργεια είναι ενέργεια κίνησης. Όταν μικροσκοπικά σωματίδια φερμουάρ στον αέρα, συγκρούονται μεταξύ τους και οι συγκρούσεις απελευθερώνουν θερμότητα. Όσο γρηγορότερη είναι η μέση ταχύτητα των σωματιδίων στο σύστημα, τόσο περισσότερο θα συγκρούονται και τόσο περισσότερη θερμότητα θα απελευθερώνεται, αυξάνοντας τη μετρούμενη θερμοκρασία.
Η μονάδα θερμοκρασίας SI είναι η Κέλβιν (Κ). Αυτό δεν είναι πτυχίο και ως εκ τούτου δεν έχει σχετικό σύμβολο, σε αντίθεση με την περίπτωση των βαθμών Κελσίου και Φαρενάιτ. Ωστόσο, τα K και ° C έχουν το ίδιο μέγεθος με την έννοια ότι μια αύξηση 1 K και μια αύξηση 1 ° C αντιπροσωπεύουν την ίδια φυσική αλλαγή. Αλλά οι κλίμακες είναι μετατοπισμένες έτσι ώστε ° C = -273,15 K, και η ελάχιστη θεωρητική τιμή του K είναι 0.
Επιπλέον, (9/5) ° C + 32 = ° F.
Ενέργεια, θερμότητα και οι μονάδες τους
Αναμφίβολα γνωρίζετε τον όρο θερμίδα ως ένας από τους πολλούς τρόπους για να μετρήσετε τι προσφέρει η τροφή που καταναλώνετε στα κυτταρικά μηχανήματα του συστήματός σας. Ορισμένες πηγές ισχυρίζονται ότι η θερμίδα έχει μονάδες ενέργειας. άλλοι λένε ότι χρειάζεται μονάδες θερμότητας. Στην πραγματικότητα, και οι δύο ισχυρισμοί είναι αληθινοί, καθώς η θερμότητα είναι ένας από τους διάφορους υποτύπους του «επίσημου» - αν μάλλον δυσνόητου να προσδιοριστεί - η ποσότητα στη φυσική γνωστή ως ενέργεια.
Ενώ η θερμίδα (cal) είναι η βάση για τις περισσότερες δημόσιες συζητήσεις στις ΗΠΑ σχετικά με την ενέργεια που παρέχεται από τα τρόφιμα, αυτή δεν είναι η μονάδα που χρησιμοποιείται σε εγχειρίδια και περιοδικά φυσικής. Η τυπική διεθνής μονάδα ενέργειας (SI), και επομένως της θερμότητας, είναι η μονάδα ενέργειας ή έργου (Ι).
1 θερμίδα = 4,18 J, αλλά η "θερμίδα" που βλέπετε στις ετικέτες των τροφίμων είναι στην πραγματικότητα μια κιλοκαλori (kcal) ή 1.000 αληθινές θερμίδες. Έτσι, 1 «θερμίδα» ανά ετικέτα διατροφής είναι στην πραγματικότητα 4.180 joules ή 4.18 kJ.
Πώς σχετίζονται η θερμότητα και η θερμοκρασία;
Έχετε δει πώς η θερμοκρασία σχετίζεται με τη θερμότητα. Αλλά πώς καθορίστηκε πρώτα το μέγεθος του "ενός βαθμού"; Οι άνθρωποι έπρεπε να έχουν έναν τρόπο να επισημάνουν τα σημεία στην κλίμακα θερμοκρασίας μεταξύ «κατεψυγμένων» και «βρασμένων» και να ορίσουν αριθμούς σε αυτά τα διαστήματα.
Όπως συμβαίνει, εάν προσθέσετε μια δεδομένη ποσότητα θερμότητας (Ερ) σε joules σε ένα σύστημα ή αφαίρεση θερμότητας από αυτό το σύστημα, μπορείτε να προσδιορίσετε πόσο θα αλλάξει η θερμοκρασία του συστήματος (ΔΤ) σε Κελσίου αρκεί να γνωρίζετε τη μάζα του συστήματος (συχνά ένα δείγμα νερού) Μ σε γραμμάρια και του ειδική θερμότητα γ, η οποία ποικίλλει από ουσία σε ουσία:
Q = mc (ΔT)
Για νερό, c = 1 cal / (g) (° C) = 4,186 J / (g) (° C).
Παράδειγμα: Εάν έχετε δείγμα νερού 1 λίτρου, το οποίο έχει μάζα 1.000 g, πόση ενέργεια σε kJ απαιτείται για τη θέρμανση του δείγματος κατά 1 ° C;
Q = mc (ΔT) = (1.000 g) (4.186 J / g ° C) (1 ° C) = 4.186 = 4.186 kJ.
Θυμηθείτε ότι αυτή είναι η ποσότητα ενέργειας σε μία μόνο «θερμίδα» τροφής. Αυτό είναι περίεργο όταν θεωρείτε ότι, για παράδειγμα, 1 λίτρο γλυκαντικής σόδας έχει περίπου 400 φορές αυτήν την ποσότητα, αλλά το σώμα χειρίζεται τις "θερμίδες" πολύ διαφορετικά από ένα απλό βάζο με νερό.