Θερμότητα έναντι θερμοκρασίας: Ποιες είναι οι ομοιότητες και οι διαφορές; (w / γράφημα)

Οι άνθρωποι μερικές φορές χρησιμοποιούν τους όρουςθερμότητακαιθερμοκρασίαεναλλακτικά. Συνδέουν τη θερμότητα με τη λέξηζεστόκαι να κατανοήσουμε τη θερμοκρασία που σχετίζεται επίσης με την «ζεστασιά» ή την «κρύα» του κάτι. Ίσως θα πουν ότι η θερμοκρασία σε μια ανοιξιάτικη μέρα αισθάνεται σωστή επειδή είναι ακριβώς η σωστή ποσότητα θερμότητας.

Στη φυσική, ωστόσο, αυτές οι δύο ποσότητες είναι αρκετά διαφορετικές μεταξύ τους. Δεν είναι μέτρα του ίδιου πράγματος, και δεν έχουν τις ίδιες μονάδες, αν και και οι δύο μπορούν να ενημερώσουν την κατανόησή σας για τις θερμικές ιδιότητες.

Για να κατανοήσουμε τη θερμότητα και τη θερμοκρασία σε θεμελιώδες επίπεδο, είναι πρώτα σημαντικό να κατανοήσουμε την έννοια της εσωτερικής ενέργειας. Ενώ μπορεί να είστε εξοικειωμένοι με αντικείμενα που έχουν κινητική ενέργεια λόγω της κίνησής τους ή πιθανή ενέργεια λόγω Η θέση τους, μέσα σε ένα δεδομένο αντικείμενο, τα μόρια μπορούν επίσης να έχουν μια μορφή κινητικής και δυναμικού ενέργεια.

Αυτή η μοριακή κινητική και πιθανή ενέργεια είναι ξεχωριστή από αυτή που μπορείτε να δείτε όταν κοιτάτε, ας πούμε, ένα τούβλο. Ένα τούβλο που κάθεται στο έδαφος φαίνεται να είναι ακίνητο και μπορεί να υποθέσετε ότι δεν έχει καμία κινητική ή πιθανή ενέργεια που να σχετίζεται με αυτό. Και πράγματι, δεν έχει την έννοια της κατανόησής σας για τους βασικούς μηχανικούς.

Αλλά το ίδιο το τούβλο αποτελείται από πολλά μόρια τα οποία υποβάλλονται ξεχωριστά σε διαφορετικούς τύπους μικρών κινήσεων που δεν μπορείτε να δείτε. Τα μόρια μπορεί επίσης να βιώσουν πιθανή ενέργεια λόγω της εγγύτητάς τους με άλλα μόρια και των δυνάμεων που ασκούνται μεταξύ τους. Η συνολική εσωτερική ενέργεια αυτού του τούβλου είναι το άθροισμα των κινητικών και πιθανών ενεργειών των ίδιων των μορίων.

Όπως έχετε μάθει, η ενέργεια εξοικονομείται. Σε περίπτωση που καμία δύναμη τριβής ή διασποράς δεν δρα σε ένα αντικείμενο, η μηχανική ενέργεια διατηρείται επίσης. Δηλαδή, η κινητική ενέργεια μπορεί να αλλάξει σε δυνητική ενέργεια και το αντίστροφο, αλλά το σύνολο παραμένει σταθερό. Όταν μια δύναμη όπως η τριβή δρα, ωστόσο, μπορεί να παρατηρήσετε ότι η συνολική μηχανική ενέργεια μειώνεται. Αυτό συμβαίνει επειδή η ενέργεια πήρε άλλες μορφές όπως η ηχητική ή η θερμική ενέργεια.

Όταν τρίβετε τα χέρια σας μαζί σε μια κρύα ημέρα, μετατρέπετε τη μηχανική ενέργεια σε θερμική ενέργεια. Δηλαδή, η κινητική ενέργεια των χεριών σας που κινείται μεταξύ τους άλλαξε μορφή και έγινε κινητική ενέργεια των μορίων στα χέρια σας σε σχέση μεταξύ τους. Ο μέσος όρος αυτής της κινητικής ενέργειας στα μόρια στα χέρια σας είναι αυτό που οι επιστήμονες ορίζουν ως θερμοκρασία.

Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας ανά μόριο σε μια ουσία. Σημειώστε ότι δεν είναι η ίδια με την εσωτερική ενέργεια της ουσίας, διότι δεν περιλαμβάνει την πιθανή ενέργεια και επίσης δεν αποτελεί μέτρο της συνολικής ενέργειας στην ουσία. Αντ 'αυτού, είναι η συνολική κινητική ενέργεια διαιρούμενη με τον αριθμό των μορίων. Ως εκ τούτου, δεν εξαρτάται από το πόσο κάτι έχετε (όπως η συνολική εσωτερική ενέργεια) αλλά από το πόσο κινητική ενέργεια μεταφέρει το μέσο μόριο στην ουσία.

Η θερμοκρασία μπορεί να μετρηθεί σε πολλές διαφορετικές μονάδες. Μεταξύ αυτών είναι το Fahrenheit, το οποίο είναι πιο συνηθισμένο στις ΗΠΑ και σε μερικά άλλα μέρη. Στην κλίμακα Fahrenheit, το νερό παγώνει στους 32 βαθμούς και βράζει στους 212. Μια άλλη κοινή κλίμακα είναι η κλίμακα Κελσίου, που χρησιμοποιείται σε πολλά άλλα μέρη του κόσμου. Σε αυτήν την κλίμακα, το νερό παγώνει στους 0 βαθμούς και βράζει στους 100 βαθμούς (που δίνει μια αρκετά σαφή ιδέα για το πώς επινοήθηκε αυτή η κλίμακα).

Αλλά το επιστημονικό πρότυπο είναι η κλίμακα Kelvin. Ενώ το μέγεθος μιας αύξησης στην κλίμακα Kelvin είναι το ίδιο με έναν βαθμό Κελσίου, η κλίμακα Kelvin ξεκινά σε μια θερμοκρασία που ονομάζεται απόλυτο μηδέν, εκεί όπου σταματά όλη η μοριακή κίνηση. Με άλλα λόγια, ξεκινά στην ψυχρότερη δυνατή θερμοκρασία.

Οι μηδενικοί βαθμοί Κελσίου είναι 273,15 στην κλίμακα Kelvin. Η κλίμακα Kelvin είναι το επιστημονικό πρότυπο για καλό λόγο. Ας υποθέσουμε ότι κάτι είναι στους 0 βαθμούς Κελσίου. Τι θα σήμαινε να πούμε ότι ένα δεύτερο αντικείμενο είναι διπλάσιο της θερμοκρασίας; Θα ήταν επίσης 0 βαθμοί Κελσίου; Λοιπόν, στην κλίμακα Kelvin, αυτή η ιδέα δεν προκαλεί προβλήματα και είναι ακριβώς επειδή ξεκινά απόλυτα μηδέν.

Εξετάστε δύο ουσίες ή αντικείμενα σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Τι σημαίνει αυτό? Αυτό σημαίνει ότι, κατά μέσο όρο, τα μόρια σε μία από τις ουσίες (η υψηλότερη θερμοκρασία) είναι κινούνται με μεγαλύτερη μέση κινητική ενέργεια από τα μόρια στην χαμηλότερη θερμοκρασία ουσία.

Εάν αυτές οι δύο ουσίες έρθουν σε επαφή, δεν προκαλεί έκπληξη, η ενέργεια αρχίζει να μετριέται μεταξύ των ουσιών καθώς εμφανίζονται μικροσκοπικές συγκρούσεις. Η ουσία που ήταν αρχικά στην υψηλότερη θερμοκρασία θα κρυώσει καθώς η άλλη ουσία αυξάνεται σε θερμοκρασία μέχρι να είναι και οι δύο η ίδια θερμοκρασία. Οι επιστήμονες αποκαλούν αυτήν την τελική κατάστασηθερμική ισορροπία​.

Η θερμική ενέργεια που μεταφέρεται από το θερμότερο αντικείμενο στο ψυχρότερο αντικείμενο είναι αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν θερμότητα. Η θερμότητα είναι η μορφή ενέργειας που μεταφέρεται μεταξύ δύο υλικών που βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Η θερμότητα ρέει πάντα από το υλικό με υψηλότερη θερμοκρασία στο υλικό με χαμηλότερη θερμοκρασία έως ότου επιτευχθεί θερμική ισορροπία.

Δεδομένου ότι η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας, η μονάδα θερμότητας SI είναι η joule.

Όπως έχετε δει από τους προηγούμενους ορισμούς, η θερμότητα και η θερμοκρασία είναι πράγματι δύο ξεχωριστά φυσικά μέτρα. Αυτές είναι μερικές από τις διαφορές τους:

​Μετρώνται σε διαφορετικές μονάδες.Η μονάδα SI για τη θερμοκρασία είναι η Kelvin και η μονάδα SI για τη θερμότητα είναι η joule. Το Kelvin θεωρείται βασική μονάδα, που σημαίνει ότι δεν μπορεί να χωριστεί σε συνδυασμό άλλων θεμελιωδών μονάδων. Το joule ισοδυναμεί με kgm²/μικρό².

​Διαφέρουν ως προς την εξάρτησή τους από τον αριθμό των μορίων.Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας ανά μόριο, πράγμα που σημαίνει ότι δεν έχει σημασία πόση ουσία έχετε όταν μιλάτε για θερμοκρασία. Η ποσότητα της θερμικής ενέργειας που μπορεί να μεταφερθεί μεταξύ των ουσιών, ωστόσο, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το ποσό κάθε ουσίας που έχετε.

​Είναι διαφορετικοί τύποι μεταβλητών.Η θερμοκρασία είναι γνωστή ως μεταβλητή κατάστασης. Δηλαδή, καθορίζει την κατάσταση στην οποία βρίσκεται μια ουσία ή αντικείμενο. Η θερμότητα, από την άλλη πλευρά, είναι μια μεταβλητή διαδικασίας. Περιγράφει μια διαδικασία που συμβαίνει - σε αυτήν την περίπτωση, η ενέργεια που μεταφέρεται. Δεν έχει νόημα να μιλάμε για θερμότητα όταν όλα είναι σε ισορροπία.

​Μετρώνται διαφορετικά.Η θερμοκρασία μετριέται με ένα θερμόμετρο, το οποίο είναι συνήθως μια συσκευή που κάνει χρήση θερμικής διαστολής για να αλλάξει την ένδειξη σε κλίμακα. Η θερμότητα, από την άλλη πλευρά, μετριέται με ένα θερμιδόμετρο.

Η θερμότητα και η θερμοκρασία δεν σχετίζονται εντελώς μεταξύ τους, ωστόσο:

​Και οι δύο είναι σημαντικές ποσότητες θερμοδυναμικής.Η μελέτη της θερμικής ενέργειας βασίζεται στην ικανότητα μέτρησης της θερμοκρασίας καθώς και στην ικανότητα παρακολούθησης της μεταφοράς θερμότητας.

​Η μεταφορά θερμότητας οφείλεται σε διαφορές θερμοκρασίας.Όταν δύο αντικείμενα βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, η θερμική ενέργεια θα μεταφερθεί από το θερμότερο στο ψυχρότερο έως ότου επιτευχθεί θερμική ισορροπία. Ως τέτοιες, αυτές οι διαφορές θερμοκρασίας είναι ο μοχλός της μεταφοράς θερμότητας.

​Τείνουν να αυξάνονται και να μειώνονται μαζί.Εάν προστεθεί θερμότητα σε ένα σύστημα, η θερμοκρασία αυξάνεται. Εάν η θερμότητα αφαιρεθεί από ένα σύστημα, η θερμοκρασία μειώνεται. (Μία εξαίρεση σε αυτό συμβαίνει με τις μεταβάσεις φάσης, οπότε η θερμική ενέργεια χρησιμοποιείται για να προκαλέσει μετάβαση φάσης αντί για αλλαγή θερμοκρασίας.)

​Συνδέονται μεταξύ τους με μια εξίσωση.ΘερμότηταΕρσχετίζεται με αλλαγή θερμοκρασίαςΔΤμέσω της εξίσωσης Q = mcΔT όπουΜείναι η μάζα της ουσίας καιντοείναι η ειδική θερμική χωρητικότητά του (δηλαδή, ένα μέτρο της ποσότητας θερμικής ενέργειας που απαιτείται για την αύξηση της μονάδας μάζας κατά βαθμό Kelvin για μια συγκεκριμένη ουσία.)

Η εσωτερική ενέργεια είναι η συνολική εσωτερική κινητική και δυνητική ενέργεια, ή η θερμική ενέργεια σε ένα υλικό. Για ένα ιδανικό αέριο, στο οποίο η δυνητική ενέργεια μεταξύ των μορίων είναι αμελητέα, εσωτερική ενέργειαμιδίνεται από τον τύπο E = 3 / 2nRT όπουνείναι ο αριθμός γραμμομορίων του αερίου και η σταθερά καθολικού αερίουΡ= 8.3145 J / molK.

Η σχέση μεταξύ της εσωτερικής ενέργειας και της θερμοκρασίας δείχνει ότι, δεν προκαλεί έκπληξη, καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η θερμική ενέργεια αυξάνεται. Η εσωτερική ενέργεια γίνεται επίσης 0 σε απόλυτο 0 Kelvin.

Η θερμότητα έρχεται στην εικόνα όταν αρχίζετε να βλέπετε αλλαγές στην εσωτερική ενέργεια. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δίνει την ακόλουθη σχέση:

όπουΕρείναι η θερμότητα που προστίθεται στο σύστημα καιΔείναι η δουλειά που γίνεται από το σύστημα. Στην ουσία, αυτή είναι μια δήλωση εξοικονόμησης ενέργειας. Όταν προσθέτετε θερμική ενέργεια, η εσωτερική ενέργεια αυξάνεται. Εάν το σύστημα λειτουργεί στο περιβάλλον του, η εσωτερική ενέργεια μειώνεται.

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η θερμική ενέργεια που προστίθεται σε ένα σύστημα συνήθως οδηγεί σε αντίστοιχη αύξηση της θερμοκρασίας εκτός εάν το σύστημα υποβάλλεται σε αλλαγή φάσης. Για να το εξετάσετε πιο προσεκτικά, σκεφτείτε ένα κομμάτι πάγου που ξεκινά κάτω από το πάγωμα καθώς η θερμική ενέργεια προστίθεται με σταθερό ρυθμό.

Εάν η θερμική ενέργεια προστίθεται συνεχώς ενώ το μπλοκ του πάγου θερμαίνεται έως το πάγωμα, υφίσταται αλλαγή φάσης για να γίνει νερό και στη συνέχεια συνεχίζει να ζεσταίνεται μέχρι να βράσει, όπου υφίσταται μια άλλη αλλαγή φάσης για να γίνει ατμός, το γράφημα της θερμοκρασίας έναντι η θερμότητα θα μοιάζει με την ακόλουθη:

Ενώ ο πάγος είναι κάτω από την κατάψυξη, υπάρχει μια γραμμική σχέση μεταξύ θερμικής ενέργειας και θερμοκρασίας. Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη όπως θα έπρεπε, δεδομένης της εξίσωσης Q = mcΔT. Μόλις ο πάγος φτάσει στη θερμοκρασία κατάψυξης, ωστόσο, κάθε θερμική ενέργεια που προστίθεται πρέπει να χρησιμοποιηθεί για να τον βοηθήσει να αλλάξει φάση. Η θερμοκρασία παραμένει σταθερή παρόλο που η θερμότητα εξακολουθεί να προστίθεται. Η εξίσωση που σχετίζεται με τη θερμική ενέργεια με τη μάζα κατά τη διάρκεια μιας φάσης από στερεό σε υγρό είναι η ακόλουθη:

όπουμεγάλο_φάείναι η λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης - μια σταθερά που σχετίζεται με πόση ενέργεια απαιτείται ανά μονάδα μάζας για να προκαλέσει την αλλαγή από στερεό σε υγρό.

Έτσι, έως ότου μια ποσότητα θερμότητας ίση μεml_φάέχει προστεθεί, η θερμοκρασία παραμένει σταθερή.

Μόλις λιώσει όλος ο πάγος, η θερμοκρασία αυξάνεται ξανά γραμμικά μέχρι να φτάσει στο σημείο βρασμού. Εδώ και πάλι εμφανίζεται μια αλλαγή φάσης, αυτή τη φορά από υγρό σε αέριο. Η εξίσωση που σχετίζεται με τη θερμότητα με τη μάζα κατά τη διάρκεια αυτής της αλλαγής φάσης είναι πολύ παρόμοια:

όπουμεγάλο_βείναι η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης - μια σταθερά που σχετίζεται με πόση ενέργεια απαιτείται ανά μονάδα μάζας για να προκαλέσει την αλλαγή από υγρό σε αέριο. Έτσι, η θερμοκρασία παραμένει και πάλι σταθερή μέχρι να προστεθεί αρκετή θερμική ενέργεια. Σημειώστε ότι παραμένει σταθερό για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Αυτό συμβαίνει επειδήμεγάλο_βείναι συνήθως υψηλότερο απόμεγάλο_φάγια μια ουσία.

Το τελευταίο μέρος του γραφήματος δείχνει πάλι την ίδια γραμμική σχέση με πριν.