Θερμότητα (Φυσική): Ορισμός, τύπος και παραδείγματα

Ο καθένας είναι εξοικειωμένος με την έννοια του να είναι πολύ ζεστό ή πολύ κρύο ή να αισθάνεται ζέστη από τον ήλιο σε μια ζεστή μέρα, αλλά τι σημαίνει συγκεκριμένα η λέξη "θερμότητα"; Είναι ιδιοκτησία κάτι "ζεστό;" Είναι το ίδιο πράγμα με τη θερμοκρασία; Αποδεικνύεται ότι η θερμότητα είναι μια μετρήσιμη ποσότητα που έχουν προσδιορίσει με ακρίβεια οι φυσικοί.

Η θερμότητα είναι αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν τη μορφή ενέργειας που μεταφέρεται μεταξύ δύο υλικών διαφορετικής θερμοκρασίας. Αυτή η μεταφορά ενέργειας συμβαίνει λόγω των διαφορών στη μέση κινητική ενέργεια μετάφρασης ανά μόριο στα δύο υλικά. Η θερμότητα ρέει από το υλικό με υψηλότερη θερμοκρασία στο υλικό με χαμηλότερη θερμοκρασία έως ότου επιτευχθεί θερμική ισορροπία. Η μονάδα θερμότητας SI είναι η joule, όπου 1 joule = 1 newton × meter.

Για να κατανοήσετε καλύτερα τι συμβαίνει όταν συμβαίνει αυτή η μεταφορά ενέργειας, φανταστείτε το ακόλουθο σενάριο: Δύο διαφορετικά δοχεία γεμίζουν με μικροσκοπικές λαστιχένιες μπάλες που αναπηδούν παντού. Σε ένα από τα δοχεία, η μέση ταχύτητα των σφαιρών (και συνεπώς η μέση κινητική τους ενέργεια) είναι πολύ μεγαλύτερη από τη μέση ταχύτητα των σφαιρών στο δεύτερο δοχείο (αν και η ταχύτητα οποιασδήποτε μεμονωμένης μπάλας μπορεί να είναι οτιδήποτε ανά πάσα στιγμή, καθώς τόσες πολλές συγκρούσεις προκαλούν συνεχή μεταφορά ενέργειας μεταξύ του μπάλες.)

Εάν τοποθετήσετε αυτά τα δοχεία έτσι ώστε να αγγίζουν τις πλευρές τους και μετά να αφαιρέσετε τους τοίχους που χωρίζουν το περιεχόμενό τους, τι θα περίμενε κανείς να συμβεί;

Οι μπάλες από το πρώτο δοχείο θα αρχίσουν να αλληλεπιδρούν με τις μπάλες από το δεύτερο δοχείο. Καθώς όλο και περισσότερες συγκρούσεις μεταξύ των σφαιρών συμβαίνουν, σταδιακά οι μέσες ταχύτητες των σφαιρών και από τα δύο δοχεία γίνονται οι ίδιες. Μέρος της ενέργειας από τις μπάλες από το πρώτο δοχείο μεταφέρεται στις μπάλες στο δεύτερο δοχείο έως ότου επιτευχθεί αυτή η νέα ισορροπία.

Αυτό ουσιαστικά συμβαίνει σε μικροσκοπικό επίπεδο όταν δύο αντικείμενα διαφορετικής θερμοκρασίας έρχονται σε επαφή μεταξύ τους. Η ενέργεια από το αντικείμενο σε υψηλότερη θερμοκρασία μεταφέρεται με τη μορφή θερμότητας στο αντικείμενο χαμηλότερης θερμοκρασίας.

Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης μεταφραστικής κινητικής ενέργειας ανά μόριο σε μια ουσία. Στην αναλογία μπάλες σε δοχείο, είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας ανά μπάλα σε ένα δεδομένο δοχείο. Στο μοριακό επίπεδο, τα άτομα και τα μόρια δονούνται και κουνιέται. Δεν μπορείτε να δείτε αυτήν την κίνηση επειδή συμβαίνει σε τόσο μικρή κλίμακα.

Οι κοινές κλίμακες θερμοκρασίας είναι Fahrenheit, Celsius και Kelvin, με τον Kelvin να είναι το επιστημονικό πρότυπο. Η κλίμακα Fahrenheit είναι πιο συχνή στις Ηνωμένες Πολιτείες. Σε αυτήν την κλίμακα, το νερό παγώνει στους 32 βαθμούς και βράζει στους 212 βαθμούς. Στην κλίμακα Κελσίου, η οποία είναι συχνή στα περισσότερα άλλα μέρη του κόσμου, το νερό παγώνει στους 0 βαθμούς και βράζει στους 100 βαθμούς.

Το επιστημονικό πρότυπο, ωστόσο, είναι η κλίμακα Kelvin. Ενώ το μέγεθος μιας αύξησης στην κλίμακα Kelvin είναι το ίδιο με το μέγεθος ενός βαθμού στην κλίμακα Κελσίου, η τιμή του 0 ορίζεται σε διαφορετικό μέρος. 0 Kelvin ισούται με -273,15 βαθμούς Κελσίου.

Γιατί μια τόσο περίεργη επιλογή για 0; Αποδεικνύεται ότι αυτό είναι πολύ λιγότερο περίεργο από το μηδέν τιμή της κλίμακας Κελσίου. 0 Kelvin είναι η θερμοκρασία στην οποία σταματά όλη η μοριακή κίνηση. Θεωρητικά είναι η απόλυτη ψυχρότερη θερμοκρασία.

Σε αυτό το φως, η κλίμακα Kelvin έχει πολύ μεγαλύτερη σημασία από την κλίμακα Κελσίου. Σκεφτείτε πώς μετράται η απόσταση, για παράδειγμα. Θα ήταν παράξενο να δημιουργήσετε μια κλίμακα απόστασης όπου η τιμή 0 ήταν ισοδύναμη με το σήμα 1 m. Σε τέτοια κλίμακα, τι θα σήμαινε κάτι που να έχει διπλάσιο μήκος από κάτι άλλο;

Η συνολική εσωτερική ενέργεια μιας ουσίας είναι το σύνολο των κινητικών ενεργειών όλων των μορίων της. Εξαρτάται από τη θερμοκρασία της ουσίας (τη μέση κινητική ενέργεια ανά μόριο) και τη συνολική ποσότητα της ουσίας (ο αριθμός των μορίων).

Είναι πιθανό δύο αντικείμενα να έχουν την ίδια συνολική εσωτερική ενέργεια ενώ έχουν εντελώς διαφορετικές θερμοκρασίες. Για παράδειγμα, ένα ψυχρότερο αντικείμενο θα έχει χαμηλότερη μέση κινητική ενέργεια ανά μόριο, αλλά εάν ο αριθμός είναι τα μόρια είναι μεγάλα, τότε μπορεί ακόμα να καταλήξει με την ίδια συνολική εσωτερική ενέργεια ενός θερμότερου αντικειμένου με λιγότερη μόρια.

Ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα αυτής της σχέσης μεταξύ της συνολικής εσωτερικής ενέργειας και της θερμοκρασίας είναι το γεγονός ότι ένα μεγάλο Το μπλοκ πάγου μπορεί να καταλήξει με περισσότερη ενέργεια από μια αναμμένη κεφαλή, παρόλο που η κεφαλή του αγώνα είναι τόσο ζεστή Φωτιά!

Υπάρχουν τρεις κύριες μέθοδοι με τις οποίες η θερμική ενέργεια μεταφέρεται από το ένα αντικείμενο στο άλλο. Είναι αγωγιμότητα, μεταφορά και ακτινοβολία.

​Μεταβίβασησυμβαίνει όταν η ενέργεια μεταφέρεται απευθείας μεταξύ δύο υλικών σε θερμική επαφή μεταξύ τους. Αυτός είναι ο τύπος μεταφοράς που εμφανίζεται στην αναλογία λαστιχένιας σφαίρας που περιγράφεται παραπάνω σε αυτό το άρθρο. Όταν δύο αντικείμενα βρίσκονται σε άμεση επαφή, η ενέργεια μεταφέρεται μέσω συγκρούσεων μεταξύ των μορίων τους. Αυτή η ενέργεια κινείται αργά από το σημείο επαφής στο υπόλοιπο του αρχικά πιο ψυχρού αντικειμένου έως ότου επιτευχθεί θερμική ισορροπία.

Όμως, όλα τα αντικείμενα ή οι ουσίες δεν ασκούν ενέργεια με τον ίδιο τρόπο, ωστόσο. Ορισμένα υλικά, που καλούνται καλοί θερμικοί αγωγοί, μπορούν να μεταφέρουν θερμική ενέργεια πιο εύκολα από άλλα υλικά, που καλούνται καλοί θερμικοί μονωτές.

Είχατε πιθανώς εμπειρία με τέτοιους αγωγούς και μονωτές στην καθημερινή σας ζωή. Σε ένα κρύο χειμωνιάτικο πρωί, πώς συγκρίνεται το ξυπόλυτο στο πάτωμα με πλακάκια με το να περπατάτε χωρίς παπούτσια στο χαλί; Μάλλον φαίνεται ότι το χαλί είναι κάπως πιο ζεστό, ωστόσο αυτό δεν συμβαίνει. Και τα δύο δάπεδα έχουν την ίδια θερμοκρασία, αλλά το πλακίδιο είναι πολύ καλύτερο θερμικό αγωγό. Λόγω αυτού, προκαλεί τη θερμική ενέργεια να αφήσει το σώμα σας πολύ πιο γρήγορα.

​Μεταγωγήείναι μια μορφή μεταφοράς θερμότητας που συμβαίνει σε αέρια ή υγρά. Τα αέρια και, σε μικρότερο βαθμό, τα υγρά, βιώνουν αλλαγές στην πυκνότητά τους με τη θερμοκρασία. Συνήθως όσο πιο ζεστό είναι, τόσο λιγότερο πυκνό είναι. Εξαιτίας αυτού, και επειδή τα μόρια στα αέρια και τα υγρά είναι ελεύθερα να κινούνται, εάν το κάτω μέρος θερμανθεί, θα επεκταθεί και ως εκ τούτου θα ανέβει στην κορυφή λόγω της χαμηλότερης πυκνότητάς του.

Εάν τοποθετήσετε μια κατσαρόλα νερού στη σόμπα, για παράδειγμα, το νερό στο κάτω μέρος της κατσαρόλας θερμαίνεται, διαστέλλεται και ανεβαίνει στην κορυφή καθώς το ψυχρότερο νερό βυθίζεται. Στη συνέχεια, το ψυχρότερο νερό θερμαίνεται, διαστέλλεται και ανεβαίνει και ούτω καθεξής, δημιουργώντας ρεύματα μεταφοράς που προκαλούν τη διασπορά της θερμικής ενέργειας μέσω του συστήματος μέσω ανάμιξης των μορίων μέσα στο σύστημα (σε αντίθεση με τα μόρια όλα που παραμένουν περίπου στο ίδιο μέρος με ταλαντεύονται μπρος-πίσω, αναπηδώντας σε κάθε άλλα.)

Το Convection είναι ο λόγος για τον οποίο οι θερμαντήρες λειτουργούν καλύτερα για τη θέρμανση ενός σπιτιού εάν τοποθετηθούν κοντά στο πάτωμα. Ένας θερμαντήρας τοποθετημένος κοντά στην οροφή θα ζεσταίνει τον αέρα κοντά στην οροφή, αλλά αυτός ο αέρας θα μείνει.

Η τρίτη μορφή μεταφοράς θερμότητας είναιακτινοβολία. Η ακτινοβολία είναι η μεταφορά ενέργειας μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Αντικείμενα που είναι ζεστά μπορούν να εκπέμπουν ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Έτσι, η θερμική ενέργεια από τον ήλιο φτάνει στη Γη, για παράδειγμα. Μόλις η ακτινοβολία έρθει σε επαφή με ένα άλλο αντικείμενο, τα άτομα σε αυτό το αντικείμενο μπορούν να κερδίσουν ενέργεια απορροφώντας το.

Δύο διαφορετικά υλικά της ίδιας μάζας θα υποστούν διαφορετικές αλλαγές θερμοκρασίας παρά το ότι έχουν την ίδια συνολική ενέργεια προστιθέμενη λόγω των διαφορών σε μια ποσότητα που ονομάζεταιειδική θερμοχωρητικότητα. Η ειδική θερμική ικανότητα εξαρτάται από το εν λόγω υλικό. Συνήθως θα αναζητήσετε την τιμή της ειδικής θερμικής ικανότητας ενός υλικού σε έναν πίνακα.

Πιο τυπικά, η ειδική θερμική ικανότητα ορίζεται ως η ποσότητα θερμικής ενέργειας που πρέπει να προστεθεί ανά μονάδα μάζας για να αυξηθεί η θερμοκρασία κατά έναν βαθμό Κελσίου. Οι μονάδες SI για συγκεκριμένη χωρητικότητα θερμότητας, συνήθως συμβολίζονται μεντο, είναι J / kgK.

Σκεφτείτε το έτσι: Ας υποθέσουμε ότι έχετε δύο διαφορετικές ουσίες που ζυγίζουν ακριβώς το ίδιο και έχουν ακριβώς την ίδια θερμοκρασία. Η πρώτη ουσία έχει υψηλή ειδική θερμική ικανότητα και η δεύτερη ουσία έχει χαμηλή ειδική θερμική ικανότητα. Ας υποθέσουμε ότι προσθέτετε ακριβώς την ίδια ποσότητα θερμικής ενέργειας και στα δύο. Η πρώτη ουσία - αυτή με την υψηλότερη θερμική ικανότητα - δεν θα ανεβεί τόσο σε θερμοκρασία όσο η δεύτερη ουσία.

Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο η θερμοκρασία μιας ουσίας θα αλλάξει όταν μια δεδομένη ποσότητα θερμικής ενέργειας μεταφέρεται σε αυτήν. Αυτοί οι παράγοντες περιλαμβάνουν τη μάζα του υλικού (μια μικρότερη μάζα θα υποστεί μεγαλύτερη αλλαγή θερμοκρασίας για μια δεδομένη ποσότητα προστιθέμενης θερμότητας) και τη συγκεκριμένη θερμική ικανότηταντο​.

Εάν υπάρχει πηγή τροφοδοσίας θερμότηταςΠ, τότε η συνολική προστιθέμενη θερμότητα εξαρτάται απόΠκαι ώρατ. Δηλαδή, η θερμική ενέργειαΕρθα είναι ίσοΠ​ × ​τ​.

Ο ρυθμός αλλαγής θερμοκρασίας είναι ένας άλλος ενδιαφέρων παράγοντας που πρέπει να λάβετε υπόψη. Τα αντικείμενα αλλάζουν τη θερμοκρασία τους με σταθερό ρυθμό; Αποδεικνύεται ότι ο ρυθμός αλλαγής εξαρτάται από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του αντικειμένου και του περιβάλλοντός του. Ο νόμος ψύξης του Νεύτωνα περιγράφει αυτήν την αλλαγή. Όσο πιο κοντά ένα αντικείμενο βρίσκεται στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, τόσο πιο αργά πλησιάζει η ισορροπία.

Ο τύπος που συσχετίζει τη μεταβολή της θερμοκρασίας με τη μάζα ενός αντικειμένου, την ειδική θερμική χωρητικότητα και τη θερμική ενέργεια που προστίθεται ή αφαιρείται έχει ως εξής:

Αυτός ο τύπος ισχύει, ωστόσο, εάν η ουσία δεν υποβάλλεται σε αλλαγή φάσης. Όταν μια ουσία αλλάζει από στερεό σε υγρό ή αλλάζει από υγρό σε αέριο, τοποθετείται η θερμότητα που προστίθεται για χρήση προκαλώντας αυτήν την αλλαγή φάσης και δεν θα οδηγήσει σε αλλαγή θερμοκρασίας μέχρι να αλλάξει η φάση πλήρης.

Μια ποσότητα που ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης, συμβολίζεταιμεγάλο_φά, περιγράφει πόση θερμική ενέργεια ανά μονάδα μάζας απαιτείται για να αλλάξει μια ουσία από ένα στερεό σε ένα υγρό. Όπως και με τη συγκεκριμένη θερμική χωρητικότητα, η τιμή του εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες του εν λόγω υλικού και συχνά αναζητάται σε πίνακες. Η εξίσωση που σχετίζεται με τη θερμική ενέργειαΕρστη μάζα ενός υλικούΜκαι η λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης είναι:

Το ίδιο συμβαίνει όταν αλλάζουμε από υγρό σε αέριο. Σε μια τέτοια κατάσταση, υποδηλώνεται μια ποσότητα που ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισηςμεγάλο_β, περιγράφει πόση ενέργεια ανά μονάδα μάζας πρέπει να προστεθεί για να προκαλέσει την αλλαγή φάσης. Η προκύπτουσα εξίσωση είναι ίδια εκτός από τη συνδρομή:

Εσωτερική ενέργειαμιείναι η συνολική εσωτερική κινητική ενέργεια, ή θερμική ενέργεια, σε ένα υλικό. Υποθέτοντας ένα ιδανικό αέριο όπου οποιαδήποτε πιθανή ενέργεια μεταξύ των μορίων είναι αμελητέα, δίνεται από τον τύπο:

όπουνείναι ο αριθμός των γραμμομορίων,Τείναι η θερμοκρασία στο Kelvin και η γενική σταθερά αερίουΡ= 8.3145 J / molK. Η εσωτερική ενέργεια γίνεται 0 J σε απόλυτο 0 K.

Στη θερμοδυναμική, η σχέση μεταξύ αλλαγών στην εσωτερική ενέργεια, της μεταφοράς θερμότητας και της εργασίας που πραγματοποιείται σε ή από ένα σύστημα σχετίζονται μέσω:

Αυτή η σχέση είναι γνωστή ως ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής. Στην ουσία είναι μια δήλωση εξοικονόμησης ενέργειας.