Kaikille on tuttu käsite olla liian kuuma tai liian kylmä tai tuntea auringon lämpöä lämpimänä päivänä, mutta mitä nimenomaan tarkoittaa sana "lämpö"? Onko se jotain "kuumaa"? Onko se sama asia kuin lämpötila? On käynyt ilmi, että lämpö on mitattava määrä, jonka fyysikot ovat tarkasti määrittäneet.
Mikä on lämpö?
Lämpö on sitä, mitä tutkijat kutsuvat energiamuodoksi, joka siirtyy kahden eri lämpötilan materiaalin välillä. Tämä energiansiirto tapahtuu, koska molempien materiaalien keskimääräisessä translaatiokineettisessä energiassa on eroja molekyyliä kohti. Lämpö virtaa korkeamman lämpötilan materiaalista matalamman lämpötilan materiaaliin, kunnes saavutetaan terminen tasapaino. SI-lämpöyksikkö on joule, jossa 1 joule = 1 newton × metri.
Kuvittele seuraava skenaario ymmärtääksesi paremmin, mitä tapahtuu, kun tämä energiansiirto tapahtuu: Kaksi erilaista astiaa on täynnä pieniä kumipalloja, jotka ympäri hyppäävät. Yhdessä säiliöstä pallojen keskinopeus (ja siten niiden keskimääräinen kineettinen energia) on paljon suurempi kuin toisten pallojen keskinopeus säiliö (vaikka minkä tahansa yksittäisen pallon nopeus voi olla mikä tahansa ajankohta, koska niin monet törmäykset aiheuttavat jatkuvan energiansiirron pallot.)
Jos asetat nämä astiat niin, että niiden sivut koskettavat toisiaan, poistat sitten seinät, jotka erottavat niiden sisällön, mitä odotat tapahtuvan?
Ensimmäisen astian pallot alkavat olla vuorovaikutuksessa toisen astian pallojen kanssa. Kun pallojen välisiä törmäyksiä esiintyy yhä enemmän, molempien astioiden pallojen keskinopeudet muuttuvat vähitellen samoiksi. Osa ensimmäisen säiliön pallojen energiasta siirtyy toisen säiliön palloihin, kunnes tämä uusi tasapaino saavutetaan.
Juuri näin tapahtuu mikroskooppisella tasolla, kun kaksi eri lämpötilaa olevaa esinettä joutuu kosketuksiin toistensa kanssa. Kohteen energia korkeammassa lämpötilassa siirtyy lämmön muodossa alemman lämpötilan esineeseen.
Mikä on lämpötila?
Lämpötila on aineen keskimääräisen translatiivisen kineettisen energian mitta molekyyliä kohti. Pallot säiliössä-analogiassa se on keskimääräisen kineettisen energian mitta palloa kohti tietyssä säiliössä. Molekyylitasolla atomit ja molekyylit kaikki värisevät ja heiluttavat ympäriinsä. Et voi nähdä tätä liikettä, koska se tapahtuu niin pienessä mittakaavassa.
Yleiset lämpötila-asteikot ovat Fahrenheit, Celsius ja Kelvin, Kelvin on tieteellinen standardi. Fahrenheit-asteikko on yleisin Yhdysvalloissa. Tässä asteikossa vesi jäätyy 32 astetta ja kiehuu 212 astetta. Celsius-asteikolla, joka on yleinen useimmissa muissa paikoissa maailmassa, vesi jäätyy 0 astetta ja kiehuu 100 astetta.
Tieteellinen standardi on kuitenkin Kelvin-asteikko. Vaikka lisäyksen koko Kelvin-asteikolla on sama kuin asteen koko Celsius-asteikolla, sen 0-arvo asetetaan eri kohtaan. 0 Kelvin on yhtä suuri kuin -273,15 celsiusastetta.
Miksi niin outo valinta 0: lle? On käynyt ilmi, että tämä on paljon pienempi valinta kuin Celsius-asteikon nolla-arvo. 0 Kelvin on lämpötila, jossa kaikki molekyyliliikkeet pysähtyvät. Se on teoreettisesti mahdollinen kylmin lämpötila.
Tässä valossa Kelvin-asteikko on paljon järkevämpi kuin Celsius-asteikko. Ajattele esimerkiksi kuinka etäisyys mitataan. Olisi outoa luoda etäisyysasteikko, jossa 0-arvo vastasi 1 m -merkkiä. Mitä tarkoittaisi tällaisessa mittakaavassa, että jokin olisi kaksinkertainen jonkin muun pituuteen?
Lämpötila vs. Sisäinen energia
Aineen sisäinen kokonaisenergia on kaikkien sen molekyylien kineettisten energioiden summa. Se riippuu aineen lämpötilasta (keskimääräinen kineettinen energia molekyyliä kohden) ja aineen kokonaismäärästä (molekyylien lukumäärä).
On mahdollista, että kahdella esineellä on sama sisäinen kokonaisenergia, samalla kun niiden lämpötilat ovat täysin erilaiset. Esimerkiksi viileämmällä esineellä on pienempi keskimääräinen kineettinen energia molekyyliä kohden, mutta jos niiden lukumäärä on molekyylit ovat suuria, silloin se voi silti päätyä saman lämpimän kohteen, jossa on vähemmän, sisäiseen kokonaisenergiaan molekyylejä.
Yllättävä tulos tästä sisäisen kokonaisenergian ja lämpötilan välisestä suhteesta on se, että suuri jään lohko voi saada enemmän energiaa kuin sytytetty ottelupää, vaikka ottelupää on niin kuuma, että se on päällä antaa potkut!
Kuinka lämmönsiirrot
On kolme päämenetelmää, joilla lämpöenergia siirtyy esineestä toiseen. Ne ovat johtuminen, konvektio ja säteily.
Johtuminentapahtuu, kun energia siirtyy suoraan kahden lämpökosketuksessa olevan materiaalin välillä. Tämän tyyppinen siirto tapahtuu aiemmin tässä artikkelissa kuvatussa kumipallon analogiassa. Kun kaksi kohdetta on suorassa kosketuksessa, energia siirtyy niiden molekyylien välisten törmäysten kautta. Tämä energia kulkee hitaasti kosketuspisteestä muuhun alun perin viileämpään esineeseen, kunnes saavutetaan terminen tasapaino.
Kaikki esineet tai aineet eivät kuitenkaan johda energiaa tällä tavoin yhtä hyvin. Jotkut materiaalit, joita kutsutaan hyviksi lämpöjohtimiksi, voivat siirtää lämpöenergian helpommin kuin muut materiaalit, joita kutsutaan hyviksi lämpöeristimiksi.
Sinulla on todennäköisesti kokemusta tällaisista johtimista ja eristeistä jokapäiväisessä elämässäsi. Kuinka paljain jaloin astuminen laattalattialle vertaa kylmänä talviaamuna paljain jaloin matolle astumiseen? Vaikuttaa siltä, että matto on jotenkin lämpimämpi, mutta näin ei ole. Molemmissa kerroksissa on todennäköisesti sama lämpötila, mutta laatta on paljon parempi lämpöjohdin. Tämän vuoksi lämpöenergia lähtee kehosta paljon nopeammin.
Konvektioon eräänlainen lämmönsiirto, jota esiintyy kaasuissa tai nesteissä. Kaasujen ja vähemmässä määrin nesteiden tiheys muuttuu lämpötilan mukaan. Yleensä mitä lämpimämpiä ne ovat, sitä vähemmän tiheitä he ovat. Tämän vuoksi ja koska kaasuissa ja nesteissä olevat molekyylit voivat liikkua vapaasti, jos pohjaosa lämpenee, se laajenee ja nousee siten ylöspäin pienemmän tiheytensä vuoksi.
Jos laitat vesipannun esimerkiksi uuniin, pannun pohjassa oleva vesi lämpenee, laajenee ja nousee ylös, kun viileämpi vesi uppoaa. Viileämpi vesi lämpenee, laajenee ja nousee ja niin edelleen ja luo konvektiovirtoja, jotka aiheuttavat lämpöenergian leviämisen järjestelmän läpi sekoittamalla järjestelmän sisällä olevista molekyyleistä (toisin kuin molekyylit pysyvät suurin piirtein samassa paikassa, kun he heiluttavat edestakaisin, pomppivat kumpaankin muu.)
Konvektio on, miksi lämmittimet toimivat parhaiten talon lämmittämisessä, jos ne sijoitetaan lattian lähelle. Kattoon sijoitettu lämmitin lämmittäisi katon lähellä olevaa ilmaa, mutta se pysyisi paikallaan.
Kolmas lämmönsiirtomuoto onsäteily. Säteily on energian siirtoa sähkömagneettisten aaltojen kautta. Lämpimät esineet voivat antaa energiaa sähkömagneettisen säteilyn muodossa. Näin aurinkoenergia saavuttaa esimerkiksi Maan. Kun säteily on kosketuksessa toisen kohteen kanssa, objektin atomit voivat saada energiaa absorboimalla sitä.
Ominaislämpökapasiteetti
Kaksi erilaista samaa massaa olevaa materiaalia käyvät läpi erilaiset lämpötilamuutokset huolimatta siitä, että niihin lisätään sama kokonaisenergia johtuen kutsutun määrän eroistaominaislämpökapasiteetti. Ominaislämpökapasiteetti riippuu kyseessä olevasta materiaalista. Yleensä etsit materiaalin ominaislämpötehon arvoa taulukosta.
Muodollisemmin erityinen lämpökapasiteetti määritellään lämpöenergian määräksi, joka on lisättävä massayksikköä kohti lämpötilan nostamiseksi celsiusasteella. Ominaislämpökapasiteetin SI-yksiköt, yleensä merkittycovat J / kgK.
Ajattele sitä näin: Oletetaan, että sinulla on kaksi erilaista ainetta, jotka painavat täsmälleen saman ja ovat tarkalleen samassa lämpötilassa. Ensimmäisellä aineella on korkea ominaislämpökapasiteetti ja toisella aineella on alhainen ominaislämpökapasiteetti. Oletetaan, että lisäät tarkalleen saman määrän lämpöenergiaa molempiin. Ensimmäinen aine - suurempi lämpökapasiteetti - ei nouse lämpötilassa yhtä paljon kuin toinen aine.
Lämpötilan muutokseen vaikuttavat tekijät
On monia tekijöitä, jotka vaikuttavat siihen, miten aineen lämpötila muuttuu, kun tietty määrä lämpöenergiaa siirretään sille. Näitä tekijöitä ovat materiaalin massa (pienemmässä massassa tapahtuu suurempi lämpötilan muutos tietyllä lisättyä lämpöä kohden) ja ominaislämpökapasiteettic.
Jos lämmönlähde syöttää virtaaP, sitten lisätty kokonaislämpö riippuuPja aikaat. Eli lämpöenergiaQon yhtä suuriP × t.
Lämpötilan muutosnopeus on toinen mielenkiintoinen huomioitava tekijä. Muuttavatko kohteet lämpötilojaan tasaisella nopeudella? On käynyt ilmi, että muutosnopeus riippuu kohteen ja sen ympäristön välisestä lämpötilaerosta. Newtonin jäähdytyslaki kuvaa tätä muutosta. Mitä lähempänä esine on ympäröivään lämpötilaan, sitä hitaammin se lähestyy tasapainoa.
Lämpötilan muutokset ja vaihemuutokset
Kaava, joka suhteuttaa lämpötilan muutoksen kohteen massaan, ominaislämpökapasiteettiin ja lisättyyn tai poistettuun lämpöenergiaan, on seuraava:
Q = mc \ Delta T
Tätä kaavaa sovelletaan kuitenkin vain, jos aineessa ei tapahdu vaihemuutosta. Kun aine muuttuu kiinteästä nestemäiseksi tai muuttuu nestemäisestä kaasuksi, siihen lisätty lämpö laitetaan käyttää tätä vaihemuutosta aiheuttavaa lämpötilamuutosta ennen vaihemuutosta saattaa loppuun.
Määrä, jota kutsutaan piileväksi fuusiolämmöksi, merkittyLf, kuvaa kuinka paljon lämpöenergiaa massayksikköä kohti tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä aineesta nestemäiseksi. Aivan kuten spesifisen lämpökapasiteetin kohdalla, sen arvo riippuu kyseisen materiaalin fysikaalisista ominaisuuksista ja sitä etsitään usein taulukoista. Yhtälö, joka liittyy lämpöenergiaanQmateriaalin massaanmja piilevä fuusiolämpö on:
Q = ml_f
Sama tapahtuu vaihdettaessa nestemäisestä kaasuksi. Tällaisessa tilanteessa määrä, jota kutsutaan piileväksi höyrystymislämmöksi, merkitäänLv, kuvaa kuinka paljon energiaa massayksikköä kohti on lisättävä vaihemuutoksen aikaansaamiseksi. Tuloksena oleva yhtälö on identtinen, paitsi alaindeksi:
Q = ml_v
Lämpö, työ ja sisäinen energia
Sisäinen energiaEon materiaalin koko sisäinen kineettinen energia tai lämpöenergia. Oletetaan, että ihanteellinen kaasu, jossa mahdollinen molekyylien välinen energia on merkityksetön, saadaan kaavalla:
E = \ frac {3} {2} nRT
missänon moolien lukumäärä,Ton lämpötila kelvineinä ja yleinen kaasuvakioR= 8,3145 J / molK. Sisäisestä energiasta tulee 0 J absoluuttisella 0 K.
Termodynamiikassa sisäisen energian muutosten, siirretyn lämmön ja järjestelmässä tehdyn työn välillä on yhteys:
\ Delta E = Q-W
Tämä suhde tunnetaan nimellä ensimmäinen termodynamiikan laki. Pohjimmiltaan se on lausunto energiansäästöstä.