Tunnet todennäköisesti lämpömittarit, lämpötilamittarit, kuuman ja kylmän tunnelman sekä veden kiehumisen. Nyt on aika laajentaa intuitiivista ymmärrystäsi lämmöstä ja lämpötilasta ja oppia, miten fyysikot tekevät sen.
Tässä lämpöfysiikan johdannossa opit mitä lämpö ja lämpötila ovat sekä mihin ilmiöihin tämä fysiikan haara liittyy.
Lämmön ja lämpötilan tutkimus
Lämpöfysiikka on tutkimus lämpö ja lämpötila. Lämpö määritellään energiana, joka siirtyy kahden eri lämpötilan kohteen välillä siirtymällä lämpimästä kohteesta viileämpään esineeseen.
Lämpö on eräänlainen lämpöenergia. Lämpöenergia on objektin molekyyliliikkeeseen liittyvä energia. Minkä tahansa esineen sisällä molekyylit eivät yksinkertaisesti pysy paikallaan; vaikka et näe näkyvästi liikettä, ne kaikki heiluttavat ympäriinsä ja pomppivat toisiinsa.
Lämpötila on keskimääräisen kineettisen energian mitta molekyyliä kohti. Saatat olla perehtynyt sen mittaamiseen Fahrenheit- tai jopa Celsius-asteina, mutta tutkijoiden suosima SI-yksikkö on Kelvin.
Yhteensä sisäinen energia esine riippuu sen massasta, lämpötilasta ja ominaislämpökapasiteetti. Ominaislämpökapasiteetti on mitta, kuinka paljon lämpöenergiaa tarvitaan yksikön lämpötilan nostamiseksi yhdellä asteella. Eri materiaaleilla on erilaiset lämpökapasiteetit, ja minkä tahansa materiaalin lämpökapasiteetti voidaan yleensä etsiä taulukosta.
Lämmönsiirto
Lämpö voi siirtyä esineestä toiseen kolmella ensisijaisella tavalla. Nämä ovat:
- Johtuminen
- Konvektio
- Säteily
Johtamisen aikana nämä kaksi esinettä ovat fyysisessä kontaktissa, ja lämpöenergia siirtyy lämpimästä kohteesta viileämpään esineeseen esineissä olevien molekyylien suorilla törmäyksillä.
Konvektiossa lämpö siirtyy konvektiovirroilla. Tämä tapahtuu, kun keität vettä liedellä. Pannun pohjassa oleva vesi lämpenee ensin, ja lämmetessään se laajenee ja muuttuu vähemmän tiheäksi. Koska se on vähemmän tiheää, se nousee pannun yläosaan, kun viileämpi vesi uppoaa ja lämpenee.
Säteilyssä lämpöenergia siirtyy sähkömagneettisen säteilyn kautta. Näin saat energiaa auringosta. Tuo energia kulkee avaruuden tyhjiön läpi säteilynä, joka sitten lämmittää maapallon, kun se saavuttaa meidät.
Vaihemuutokset
Kun materiaaleihin lisätään lämpöenergiaa, niiden lämpötila nousee. Tietyissä kohdissa, kutsutaan vaihesiirtymät, materiaali vaihtuu. Materiaalit voivat muuttua kiinteistä nestemäisiksi ja nestemäisistä kaasuiksi ja jopa kaasuista plasmaksi.
Lämpötilat, joissa vaihemuutos tapahtuu, riippuvat itse materiaalista ja paineolosuhteista. Tätä tutkitaan vaihekaavion avulla.
Materiaalin vaiheen muuttamiseen tarvittava energiamäärä riippuu materiaalin piilevästä lämmöstä. Materiaalin piilevä fuusiolämpö on lämpöenergian määrä, joka tarvitaan aineen massayksikön muuttamiseksi kiinteästä nestemäiseksi. Materiaalin piilevä höyrystyslämpö on lämpöenergian määrä, joka tarvitaan sen muuttamiseksi nesteestä kaasuksi.
Termodynamiikka
Lämpöfysiikka johtaa lopulta termodynamiikan tutkimukseen, joka on fysiikan osa, joka tutkii muuttuvia lämpöjärjestelmiä kineettisen teorian ja tilastollisen mekaniikan avulla.
Termodynaamisia prosesseja hallitsee kolme termodynamiikan lakia. Näitä kutsutaan yksinkertaisesti ensimmäiseksi termodynamiikan laiksi, toiseksi termodynamiikan ja kolmanneksi termodynamiikan laiksi. Kun opit ensin näistä laeista, opit yleensä, miten ne soveltuvat ihanteelliseen kaasuun ja hyödyntävät ihanteellista kaasulakia.
Termodynamiikka voi auttaa sinua ymmärtämään, miten höyrykoneet, jääkaapit, lämpöpumput ja muut vastaavat osat toimivat.