Είναι πιθανό να εξοικειωθείτε με τα θερμόμετρα και να παίρνετε θερμοκρασίες, να αισθάνεστε ζεστά και κρύα και τι χρειάζεται για να βράσετε νερό. Τώρα ήρθε η ώρα να επεκταθείτε στη διαισθητική κατανόηση της θερμότητας και της θερμοκρασίας και να μάθετε πώς το κάνουν οι φυσικοί.
Σε αυτήν την εισαγωγή στη θερμική φυσική θα μάθετε σε τι είναι η θερμότητα και η θερμοκρασία καθώς και σε ποια φαινόμενα εφαρμόζεται αυτός ο κλάδος της φυσικής.
Η μελέτη της θερμότητας και της θερμοκρασίας
Η θερμική φυσική είναι η μελέτη του θερμότητα και θερμοκρασία. Η θερμότητα ορίζεται ως ενέργεια που μεταφέρεται μεταξύ δύο αντικειμένων διαφορετικών θερμοκρασιών - μετακίνηση από το θερμότερο αντικείμενο στο ψυχρότερο αντικείμενο.
Θερμότητα είναι ένας τύπος θερμικής ενέργειας. Η θερμική ενέργεια είναι η ενέργεια που σχετίζεται με τη μοριακή κίνηση μέσα σε ένα αντικείμενο. Μέσα σε οποιοδήποτε αντικείμενο, τα μόρια δεν στέκονται απλά. παρόλο που δεν μπορείτε να δείτε την κίνηση ορατά, όλοι τρελαίνονται και αναπηδούν μεταξύ τους.
Θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας ανά μόριο. Ίσως να είστε εξοικειωμένοι με τη μέτρησή του σε βαθμούς Φαρενάιτ ή ακόμα και Κελσίου, αλλά η μονάδα SI που προτιμούν οι επιστήμονες είναι το Kelvin.
Η συνολική εσωτερική ενέργεια ένα αντικείμενο εξαρτάται από τη μάζα, τη θερμοκρασία και ειδική θερμοχωρητικότητα. Η ειδική θερμική ικανότητα είναι ένα μέτρο του πόσο θερμική ενέργεια απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας μίας μάζας μονάδας κατά 1 βαθμό. Διαφορετικά υλικά έχουν διαφορετικές ειδικές θερμικές ικανότητες και η θερμική ικανότητα οποιουδήποτε συγκεκριμένου υλικού μπορεί συνήθως να αναζητηθεί σε έναν πίνακα.
Μεταφορά θερμότητας
Η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί από το ένα αντικείμενο στο άλλο με τρεις βασικούς τρόπους. Αυτά είναι:
- Μεταβίβαση
- Μεταγωγή
- Ακτινοβολία
Κατά την αγωγιμότητα, τα δύο αντικείμενα βρίσκονται σε φυσική επαφή και η θερμική ενέργεια κινείται από το θερμότερο αντικείμενο στο ψυχρότερο αντικείμενο με άμεσες συγκρούσεις μεταξύ μορίων στα αντικείμενα.
Κατά τη μεταφορά, η θερμότητα μεταφέρεται με ρεύματα μεταφοράς. Αυτό συμβαίνει όταν βράζετε νερό στη σόμπα. Το νερό στο κάτω μέρος του ταψιού θερμαίνεται πρώτα και καθώς ζεσταίνεται, διαστέλλεται, γίνεται λιγότερο πυκνό. Όντας λιγότερο πυκνό, ανεβαίνει στην κορυφή του τηγανιού καθώς το ψυχρότερο νερό βυθίζεται και στη συνέχεια θερμαίνεται.
Στην ακτινοβολία, η θερμική ενέργεια μεταφέρεται μέσω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Έτσι παίρνετε ενέργεια από τον ήλιο. Αυτή η ενέργεια ταξιδεύει μέσα από το κενό του διαστήματος ως ακτινοβολία, που στη συνέχεια θερμαίνει τη Γη όταν φτάνει σε μας.
Αλλαγές φάσης
Καθώς η θερμική ενέργεια προστίθεται στα υλικά, αυξάνεται η θερμοκρασία. Σε ορισμένα σημεία, που ονομάζεται μεταβάσεις φάσης, το υλικό αλλάζει φάση. Τα υλικά μπορούν να αλλάξουν από στερεό σε υγρό και από υγρό σε αέριο, ακόμη και από αέριο σε πλάσμα.
Οι θερμοκρασίες στις οποίες συμβαίνει μια αλλαγή φάσης εξαρτώνται από το ίδιο το υλικό και τις συνθήκες πίεσης. Αυτό μελετάται χρησιμοποιώντας ένα διάγραμμα φάσης.
Η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την αλλαγή της φάσης ενός υλικού εξαρτάται από την λανθάνουσα θερμότητα αυτού του υλικού. Η λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης ενός υλικού είναι η ποσότητα θερμικής ενέργειας που απαιτείται για να αλλάξει μια μονάδα μάζας αυτής της ουσίας από στερεό σε υγρό. Η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης ενός υλικού είναι η ποσότητα θερμικής ενέργειας που απαιτείται για να το αλλάξει από ένα υγρό σε ένα αέριο.
Θερμοδυναμική
Η θερμική φυσική οδηγεί τελικά στη μελέτη της θερμοδυναμικής, που είναι ο κλάδος της φυσικής που μελετά την αλλαγή θερμικών συστημάτων χρησιμοποιώντας κινητική θεωρία και στατιστική μηχανική.
Υπάρχουν τρεις νόμοι της θερμοδυναμικής που διέπουν τις θερμοδυναμικές διαδικασίες. Αυτά ονομάζονται, απλά, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής και ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής. Όταν μαθαίνετε για πρώτη φορά αυτούς τους νόμους, συνήθως θα μάθετε πώς εφαρμόζονται σε ένα ιδανικό αέριο και κάνουν χρήση του ιδανικού νόμου περί φυσικού αερίου.
Η θερμοδυναμική μπορεί να σας βοηθήσει να καταλάβετε πώς λειτουργούν οι ατμομηχανές, τα ψυγεία, οι αντλίες θερμότητας και άλλα παρόμοια είδη.