Kõigile on tuttav mõte olla liiga kuum või liiga külm või tunda sooja päikese käes sooja, kuid mida konkreetselt tähendab sõna "kuumus"? Kas see on millegi "kuuma" omadus? Kas see on sama mis temperatuur? Selgub, et soojus on mõõdetav suurus, mille füüsikud on täpselt määratlenud.
Mis on soojus?
Kuumus on see, mida teadlased nimetavad energia vormiks, mis kandub kahe erineva temperatuuriga materjali vahel. See energiaülekanne toimub kahe materjali keskmise translatsiooni kineetilise energia erinevuste tõttu. Soojus voolab kõrgema temperatuuriga materjalist madalama temperatuuriga materjalini, kuni saavutatakse termiline tasakaal. SI soojuse ühik on džaul, kus 1 džaul = 1 njuuton × meeter.
Et paremini mõista, mis toimub selle energia ülekande korral, kujutage ette järgmist stsenaariumi: Kaks erinevat konteinerit on täidetud ümberringi põrkavate pisikeste kummikuulidega. Ühes konteineris on pallide keskmine kiirus (ja seega ka keskmine kineetiline energia) palju suurem kui teises pallide keskmine kiirus konteiner (kuigi iga palli kiirus võib olla mis tahes ajahetkel ükskõik milline, kuna nii paljud kokkupõrked põhjustavad pidevat energiaülekannet pallid.)
Kui asetate need konteinerid nii, et nende küljed puutuksid kokku, eemaldaksite siis nende sisu eraldavad seinad, mida te siis loodaksite juhtuda?
Esimese konteineri pallid hakkavad suhtlema teise konteineri pallidega. Kui pallide vahel tekib järjest rohkem kokkupõrkeid, muutuvad mõlema konteineri pallide keskmised kiirused järk-järgult samaks. Osa esimese konteineri pallide energiast kandub teise konteineri pallidesse, kuni see uus tasakaal on saavutatud.
Põhimõtteliselt toimub see mikroskoopilisel tasemel, kui kaks erineva temperatuuriga objekti puutuvad üksteisega kokku. Kõrgemal temperatuuril olevast objektist saadav energia kandub soojuse kujul madalama temperatuuriga objektile.
Mis on temperatuur?
Temperatuur on keskmise translatiivse kineetilise energia mõõt aine molekuli kohta. Analoogselt pallides anumas on see keskmise kineetilise energia mõõt ühe palli kohta antud anumas. Molekulaarsel tasandil aatomid ja molekulid kõik vibreerivad ja värelevad ringi. Te ei näe seda liikumist, kuna see toimub nii väikeses mahus.
Levinud temperatuuriskaalad on Fahrenheit, Celsius ja Kelvin, kusjuures Kelvin on teaduslik standard. Fahrenheiti skaala on kõige levinum Ameerika Ühendriikides. Selles skaalas külmub vesi 32 kraadi juures ja keeb 212 kraadi juures. Celsiuse skaalal, mis on levinud enamikus mujal maailmas, külmub vesi 0 kraadi juures ja keeb 100 kraadi juures.
Teaduslik standard on siiski Kelvini skaala. Kui juurdekasvu suurus Kelvini skaalal on sama kui kraadi suurus Celsiuse skaalal, on selle väärtus 0 määratud teises kohas. 0 kelvin on võrdne –273,15 soojakraadiga.
Miks selline veider valik 0 jaoks? Tuleb välja, et see on palju vähem paaritu valik kui Celsiuse skaala nullväärtus. 0 Kelvin on temperatuur, mille juures kogu molekulaarne liikumine peatub. See on teoreetiliselt võimalik absoluutselt kõige külmem temperatuur.
Selles valguses on Kelvini skaala palju mõistlikum kui Celsiuse skaala. Mõelge näiteks sellele, kuidas kaugust mõõdetakse. Kummaline oleks luua kaugusskaala, kus 0 väärtus oleks samaväärne 1 m märgiga. Mida tähendaks sellises mõõtkavas, et miski oleks kaks korda pikem kui muu?
Temperatuur vs. Siseenergia
Aine kogu siseenergia on kõigi selle molekulide kineetiliste energiate koguarv. See sõltub aine temperatuurist (keskmine kineetiline energia molekuli kohta) ja aine üldkogusest (molekulide arvust).
Kahel objektil on võimalik sama sisemine energia, samal ajal kui neil on täiesti erinevad temperatuurid. Näiteks on jahedamal objektil keskmine kineetiline energia molekuli kohta madalam, kuid kui nende arv on molekulid on suured, siis võib see ikkagi lõppeda sama soojema objekti väiksema sisemise energiaga molekulid.
Selle sisemise energia ja temperatuuri vahelise suhte üllatav tulemus on asjaolu, et suur jääplokk võib lõppeda suurema energiaga kui süüdatud tikupea, kuigi tikupea on nii kuum, et see on sees tule!
Kuidas soojus üle kandub
On kolm peamist meetodit, kuidas soojusenergia kandub ühelt objektilt teisele. Need on juhtivus, konvektsioon ja kiirgus.
Juhtivustekib siis, kui energia kandub otse kahe termiliselt kokkupuutuva materjali vahel. Seda tüüpi ülekannet esineb kummipalli analoogias, mida on varem kirjeldatud käesolevas artiklis. Kui kaks objekti on otseses kontaktis, kandub energia nende molekulide kokkupõrgete kaudu. See energia jõuab aeglaselt kokkupuutepunktist ülejäänud algselt jahedama objektini, kuni saavutatakse termiline tasakaal.
Kõik objektid ja ained ei juhi energiat samal viisil ühtlaselt. Mõned materjalid, mida nimetatakse headeks soojusjuhtmeteks, suudavad soojusenergiat kergemini edastada kui muud materjalid, mida nimetatakse headeks soojusisolaatoriteks.
Selliste juhtide ja isolaatoritega on teil tõenäoliselt oma igapäevases elus kogemusi. Kuidas on külmal talvehommikul paljajalu astumine plaaditud põrandale võrreldav paljajalu vaibale astumisega? Tõenäoliselt tundub, et vaip on kuidagi soojem, kuid see pole nii. Mõlemal korrusel on tõenäoliselt sama temperatuur, kuid plaat on palju parem soojusjuht. Seetõttu põhjustab see soojusenergia kehast palju kiiremat lahkumist.
Konvektsioonon gaasides või vedelikes esinev soojusülekande vorm. Gaasid ja vähemal määral vedelikud kogevad temperatuuri muutusi oma tiheduses. Tavaliselt on nad soojemad, seda vähem tihedad. Selle tõttu ja kuna gaasides ja vedelikes olevad molekulid võivad vabalt liikuda, siis kui alumine osa soojeneb, siis see laieneb ja tõuseb seetõttu väiksema tiheduse tõttu üles.
Kui asetate veepanni näiteks pliidile, siis pannipõhjas olev vesi soojeneb, paisub ja tõuseb jahedama vee vajumisel üles. Seejärel jahedam vesi soojendab, paisub, tõuseb ja nii edasi, tekitades konvektsioonivoolusid, mis põhjustavad soojusenergia segunemisel süsteemi kaudu hajutamist molekule süsteemis (erinevalt molekulidest, mis jäävad kõik umbes samasse kohta, kui nad edasi-tagasi žigutavad, põrkuvad igasse muu.)
Konvektsioon on põhjus, miks kütteseadmed töötavad maja soojendamiseks kõige paremini, kui need on põranda lähedal. Lakke lähedale pandud kütteseade soojendaks lae lähedal olevat õhku, kuid see õhk püsiks paigal.
Kolmas soojusülekande vorm onkiirgus. Kiirgus on energia ülekandmine elektromagnetlainete kaudu. Soojad esemed võivad energiat eraldada elektromagnetilise kiirguse kujul. Nii jõuab päikesest saadud soojusenergia näiteks Maale. Kui see kiirgus on teise objektiga kokku puutunud, võivad selle objekti aatomid seda neelates energiat saada.
Spetsiifiline soojusvõimsus
Kaks sama massiga erinevat materjali läbivad erinevaid temperatuuri muutusi, vaatamata sellele, et kutsutud koguse erinevuste tõttu lisatakse sama summaarne energiaerisoojusvõimsus. Spetsiifiline soojusvõimsus sõltub kõnealusest materjalist. Materjali spetsiifilise soojusvõimsuse väärtuse otsite tavaliselt tabelist.
Formaalsemalt on spetsiifiline soojusmahtuvus määratletud kui soojusenergia kogus, mis tuleb lisada massiühiku kohta, et temperatuuri Celsiuse kraadi võrra tõsta. Spetsiifilise soojusvõimsuse SI ühikud, mida tavaliselt tähistataksecon J / kgK.
Mõelge sellele nii: Oletame, et teil on kaks erinevat ainet, mis kaaluvad täpselt sama ja on täpselt samal temperatuuril. Esimesel ainel on kõrge erisoojusvõime ja teisel ainel on väike erisoojusvõime. Oletame, et lisate mõlemale täpselt sama koguse soojusenergiat. Esimene aine - suurema soojusvõimega aine - ei tõuse temperatuuril sama palju kui teine aine.
Temperatuuri muutust mõjutavad tegurid
On palju tegureid, mis mõjutavad aine temperatuuri muutumist, kui talle antakse teatud kogus soojusenergiat. Need tegurid hõlmavad materjali massi (väiksema massi korral muutub teatava koguse soojuse korral suurem temperatuuri muutus) ja erisoojusvõimsustc.
Kui on olemas toiteallikat soojusallikasP, siis sõltub kogu lisatud soojusPja aegt. See tähendab soojusenergiatQvõrdubP × t.
Temperatuurimuutuse kiirus on veel üks huvitav tegur, mida tuleb arvestada. Kas esemed muudavad oma temperatuuri ühtlase kiirusega? Selgub, et muutumiskiirus sõltub objekti ja selle ümbruse temperatuuride erinevusest. Newtoni jahutusseadus kirjeldab seda muutust. Mida lähemal on objekt ümbritsevale temperatuurile, seda aeglasemalt läheneb see tasakaalule.
Temperatuuri muutused ja faasimuutused
Valem, mis seob temperatuuri muutuse objekti massiga, erisoojusvõimsusega ja lisatud või eemaldatud soojusenergiaga, on järgmine:
Q = mc \ Delta T.
See valem kehtib siiski ainult siis, kui aine faasimuutust ei toimu. Kui aine muutub tahkest vedelaks või muutub vedelast gaasiks, pannakse sellele lisatud soojus kasutada seda faasimuutust põhjustavat temperatuuri muutust enne faasimuutust täielik.
Kogus, mida nimetatakse varjatud termotuumasünteesiksLfkirjeldab, kui palju soojusenergiat massiühiku kohta on vaja aine muutmiseks tahkest aineks vedelaks. Nii nagu konkreetse soojusvõimsuse puhul, sõltub ka selle väärtus kõnealuse materjali füüsikalistest omadustest ja seda vaadatakse sageli tabelites. Soojusenergiat seostav võrrandQmaterjali massinimja varjatud termotuumasüntees on:
Q = ml_f
Sama asi toimub vedelalt gaasile üleminekul. Sellises olukorras tähistatakse kogust, mida nimetatakse varjatud aurustumissoojuseksLv, kirjeldab, kui palju energiat massiühiku kohta tuleb lisada faasimuutuse tekitamiseks. Saadud võrrand on identne, välja arvatud alaindeks:
Q = ml_v
Soojus, töö ja siseenergia
Sisemine energiaEon materjali kogu sisemine kineetiline energia ehk soojusenergia. Eeldades ideaalset gaasi, kus potentsiaalne molekulidevaheline energia on tühine, annab see valemi:
E = \ frac {3} {2} nRT
kusnon moolide arv,Ton temperatuur kelvinites ja universaalne gaasikonstantR= 8,3145 J / molK. Sisemisest energiast saab absoluutsel 0 K korral 0 J.
Termodünaamikas on seos siseenergia muutuste, ülekantava soojuse ja süsteemis või süsteemi poolt tehtud töö vahel seotud järgmiselt:
\ Delta E = Q-W
Seda suhet tuntakse termodünaamika esimese seadusena. Sisuliselt on see energia säästmise avaldus.