Ihmiset käyttävät joskus termejälämpöäjalämpötilakeskenään. He yhdistävät lämpöä sanaankuumaja ymmärrä lämpötila liittyvänä myös jonkin "kuumuuteen" tai "kylmyyteen". Ehkä he sanovat, että kevätpäivän lämpötila tuntuu oikealta, koska se on juuri oikea määrä lämpöä.
Fysiikassa nämä kaksi määrää ovat kuitenkin hyvin erillisiä toisistaan. Ne eivät ole saman asian mittareita, eikä niillä ole samoja yksiköitä, vaikka ne molemmat voivat kertoa ymmärryksestäsi lämpöominaisuuksista.
Sisäinen energia
Lämmön ja lämpötilan ymmärtämiseksi perustasolla on ensin tärkeää ymmärtää sisäisen energian käsite. Vaikka saatat olla perehtynyt kohteisiin, joilla on liike- tai liikeenergiaa niiden liikkeen vuoksi, tai potentiaalienergian vuoksi molekyyleillä itsellään voi myös olla kineettinen muoto ja potentiaali tietyssä objektissa energiaa.
Tämä molekyylikineettinen ja potentiaalinen energia on erillinen siitä, mitä näet, kun katsot esimerkiksi tiiliä. Maalla istuva tiili näyttää olevan liikkumaton, ja saatat olettaa, että siihen ei liity kineettistä tai potentiaalista energiaa. Ja se ei todellakaan ole ymmärrystä perusmekaniikasta.
Mutta tiili itsessään koostuu monista molekyyleistä, jotka erikseen käyvät läpi erityyppisiä pieniä liikkeitä, joita et voi nähdä. Molekyylit voivat kokea myös potentiaalista energiaa, koska ne ovat lähellä muita molekyylejä ja niiden välillä kohdistuvia voimia. Tämän tiilen kokonaissisäinen energia on itse molekyylien kineettisten ja potentiaalienergioiden summa.
Kuten olet todennäköisesti oppinut, energiaa säästyy. Siinä tapauksessa, että esineeseen ei vaikuta kitkaa tai haihtumisvoimia, myös mekaaninen energia säilyy. Toisin sanoen kineettinen energia voi muuttua potentiaaliseksi energiaksi ja päinvastoin, mutta kokonaismäärä pysyy vakiona. Kun kitkan kaltainen voima vaikuttaa, saatat huomata, että mekaaninen kokonaisenergia pienenee. Tämä johtuu siitä, että energia otti muita muotoja, kuten äänienergia tai lämpöenergia.
Kun hierot kätesi yhteen kylmänä päivänä, muutat mekaanisen energian lämpöenergiaksi. Toisin sanoen toisiasi vasten liikkuvien kätesi kineettinen energia muutti muotoa ja siitä tuli kädessä olevien molekyylien kineettinen energia toistensa suhteen. Tämän kineettisen energian keskiarvo kädessäsi olevissa molekyyleissä on se, mitä tutkijat määrittelevät lämpötilaksi.
Määritelmä Lämpötila
Lämpötila on aineen keskimääräisen kineettisen energian mitta molekyyliä kohti. Huomaa, että se ei ole sama kuin aineen sisäinen energia, koska se ei sisällä potentiaalista energiaa eikä myöskään mittaa aineen kokonaisenergiaa. Sen sijaan se on kineettinen kokonaisenergia jaettuna molekyylien lukumäärällä. Sellaisena se ei riipu siitä, kuinka paljon jotain sinulla on (kuten sisäinen kokonaisenergia), vaan pikemminkin siitä, kuinka paljon kineettistä energiaa aineen keskimääräinen molekyyli kuljettaa ympäriinsä.
Lämpötila voidaan mitata monilla eri yksiköillä. Näihin kuuluu Fahrenheit, joka on yleisin Yhdysvalloissa ja muutamissa muissa paikoissa. Fahrenheit-asteikolla vesi jäätyy 32 astetta ja kiehuu 212. Toinen yleinen asteikko on Celsius-asteikko, jota käytetään monissa muissa paikoissa maailmassa. Tässä asteikossa vesi jäätyy 0 astetta ja kiehuu 100 astetta (mikä antaa melko selkeän kuvan siitä, miten tämä asteikko on suunniteltu).
Mutta tieteellinen standardi on Kelvin-asteikko. Vaikka lisäyksen koko Kelvin-asteikolla on sama kuin Celsius-aste, Kelvin-asteikko alkaa lämpötilasta, jota kutsutaan absoluuttiseksi nollaksi, missä kaikki molekyyliliikkeet pysähtyvät. Toisin sanoen se alkaa kylmimmästä mahdollisesta lämpötilasta.
Nolla celsiusastetta on 273,15 Kelvin-asteikolla. Kelvin-asteikko on tieteellinen standardi hyvästä syystä. Oletetaan, että jokin lämpötila on 0 astetta. Mitä tarkoittaisi sanoa, että toinen esine on kaksinkertainen lämpötilaan? Olisiko kyseisen kohteen arvo myös 0 celsiusta? Kelvin-asteikolla tämä käsitys ei aiheuta ongelmia, ja se johtuu juuri siitä, että se alkaa absoluuttisesta nollasta.
Määritelmä lämpö
Tarkastellaan kahta ainetta tai esinettä eri lämpötiloissa. Mitä tämä tarkoittaa? Tämä tarkoittaa, että keskimäärin jonkin aineen (korkeamman lämpötilan) molekyylit ovat liikkuu suuremmalla keskimääräisellä kineettisellä energialla kuin alemman lämpötilan molekyylit aine.
Jos nämä kaksi ainetta joutuvat kosketuksiin, ei ole yllättävää, että energia alkaa keskimäärin pienentyä aineiden välillä mikroskooppisten törmäysten tapahtuessa. Alun perin korkeammassa lämpötilassa oleva aine jäähtyy, kun toinen aine nousee lämpötilassa, kunnes molemmat ovat saman lämpötilan. Tutkijat kutsuvat tätä lopulliseksi tilaksiterminen tasapaino.
Lämpöenergiasta, joka siirtyy lämpimästä kohteesta viileämpään esineeseen, tutkijat kutsuvat lämpöksi. Lämpö on energiamuoto, joka siirtyy kahden eri lämpötilassa olevan materiaalin välillä. Lämpö virtaa aina korkeamman lämpötilan materiaalista alhaisemman lämpötilan materiaaliin, kunnes lämpö tasapaino saavutetaan.
Koska lämpö on energiamuoto, SI-lämpöyksikkö on joule.
Lämmön ja lämpötilan erot
Kuten aikaisemmat määritelmät ovat nähneet, lämpö ja lämpötila ovat todellakin kaksi erillistä fyysistä mittausta. Nämä ovat vain joitain niiden eroista:
Ne mitataan eri yksikköinä.Lämpötilan SI-yksikkö on Kelvin ja lämmön SI-yksikkö on joule. Kelviniä pidetään perusyksikkönä, joten sitä ei voida jakaa muihin perusyksiköihin. Joule vastaa kilogrammaa2/ s2.
Ne eroavat toisistaan riippuvuudestaan molekyylien lukumäärästä.Lämpötila on keskimääräisen kineettisen energian mitta molekyyliä kohti, mikä tarkoittaa, että ei ole väliä kuinka paljon ainetta sinulla on, kun puhut lämpötilaa. Lämpöenergian määrä, joka saattaa siirtyä aineiden välillä, riippuu kuitenkin suuresti siitä, kuinka paljon kutakin ainetta sinulla on.
Ne ovat erityyppisiä muuttujia.Lämpötila tunnetaan tilamuuttujana. Toisin sanoen se määrittää tilan, jossa aine tai esine on. Lämpö on toisaalta prosessimuuttuja. Se kuvaa prosessia, joka tapahtuu - tässä tapauksessa siirrettävää energiaa. Ei ole järkevää puhua lämmöstä, kun kaikki on tasapainossa.
Ne mitataan eri tavalla.Lämpötila mitataan lämpömittarilla, joka on tyypillisesti laite, joka käyttää lämpölaajenemista muuttamaan lukemaa asteikolla. Lämpö puolestaan mitataan kalorimetrillä.
Lämmön ja lämpötilan yhtäläisyydet ja suhteet.
Lämpö ja lämpötila eivät kuitenkaan ole täysin riippumattomia toisistaan:
Ne ovat molemmat tärkeitä määriä termodynamiikassa.Lämpöenergian tutkimus perustuu kykyyn mitata lämpötilaa sekä kykyyn seurata lämmönsiirtoja.
Lämmönsiirtoa ohjaavat lämpötilaerot.Kun kaksi kohdetta on eri lämpötiloissa, lämpöenergia siirtyy lämpimämmästä viileämpään, kunnes saavutetaan terminen tasapaino. Sellaiset lämpötilaerot ovat sinänsä lämmönsiirron ajureita.
Niillä on taipumus kasvaa ja laskea yhdessä.Jos järjestelmään lisätään lämpöä, lämpötila nousee. Jos lämpö poistetaan järjestelmästä, lämpötila laskee. (Yksi poikkeus tähän tapahtuu vaihesiirtymissä, jolloin lämpöenergiaa käytetään aiheuttamaan vaihemuutos lämpötilan muutoksen sijaan.)
Ne liittyvät toisiinsa yhtälöllä.LämpöenergiaQliittyy lämpötilan muutokseenΔTyhtälön Q = mcΔT kautta missämon aineen massa jacon sen ominaislämpökapasiteetti (eli mittaa lämpöenergian määrää, joka tarvitaan massayksikön nostamiseksi Kelvin-asteella tietylle aineelle.)
Lämpö, lämpötila ja sisäinen kokonaisenergia
Sisäinen energia on materiaalin sisäinen kineettinen ja potentiaalinen energia tai lämpöenergia. Ihanteelliselle kaasulle, jossa potentiaalinen energia molekyylien välillä on merkityksetön, sisäinen energiaEsaadaan kaavalla E = 3 / 2nRT missänon kaasun moolien lukumäärä ja yleinen kaasuvakioR= 8,3145 J / molK.
Sisäisen energian ja lämpötilan suhde osoittaa, että ei ole yllättävää, että lämpötilan noustessa lämpöenergia kasvaa. Sisäisestä energiasta tulee myös 0 absoluuttisella 0 Kelvinillä.
Lämpö tulee kuvaan, kun alat tarkastella sisäisen energian muutoksia. Termodynamiikan ensimmäinen laki antaa seuraavan suhteen:
\ Delta E = Q - W
missäQon järjestelmään lisätty lämpö jaWon järjestelmän tekemä työ. Pohjimmiltaan tämä on lausunto energiansäästöstä. Kun lisäät lämpöenergiaa, sisäinen energia kasvaa. Jos järjestelmä toimii ympäristössä, sisäinen energia vähenee.
Lämpötila lämpöenergian funktiona
Kuten aiemmin mainittiin, järjestelmään lisätty lämpöenergia johtaa tyypillisesti vastaavaan lämpötilan nousuun, ellei järjestelmässä tapahdu vaihemuutosta. Tarkastellaksesi tätä tarkemmin, harkitse jääpalaa, joka alkaa pakkasen alapuolella, kun lämpöenergiaa lisätään tasaisella nopeudella.
Jos lämpöenergiaa lisätään jatkuvasti jääpalan lämmetessä jäätymiseen, tapahtuu vaihemuutos vedeksi ja sitten lämpenee edelleen, kunnes se saavuttaa kiehumisen, missä se käy läpi toisen vaihemuutoksen höyryksi, lämpötilakaavio vs. lämpö näyttää tältä:
Vaikka jää on pakkasen alapuolella, lämpöenergian ja lämpötilan välillä on lineaarinen suhde. Tämä ei ole yllättävää, koska sen pitäisi olla, kun otetaan huomioon yhtälö Q = mcΔT. Kun jää on saavuttanut jäätymislämpötilan, lisättyä lämpöenergiaa on käytettävä sen vaiheen muuttamiseen. Lämpötila pysyy vakiona, vaikka lämpöä lisätään edelleen. Yhtälö, joka suhteuttaa lämpöenergian massaan vaiheen vaihtuessa kiinteästä nestemäiseksi, on seuraava:
Q = ml_f
missäLfon piilevä fuusiolämpö - vakio, joka kertoo kuinka paljon energiaa tarvitaan massayksikköä kohti muutoksen muuttamiseksi kiinteästä nestemäiseksi.
Joten, kunnes lämmön määrä on yhtä suuri kuinmlfon lisätty, lämpötila pysyy vakiona.
Kun kaikki jää on sulanut, lämpötila nousee jälleen lineaarisesti, kunnes se saavuttaa kiehumispisteen. Tässäkin tapahtuu vaihemuutos, tällä kertaa nestemäisestä kaasuksi. Lämmön ja massan yhtälö tämän vaihemuutoksen aikana on hyvin samanlainen:
missäLvon piilevä höyrystyslämpö - vakio, joka kertoo kuinka paljon energiaa tarvitaan massayksikköä kohti muutoksen aikaansaamiseksi nesteestä kaasuksi. Joten lämpötila pysyy jälleen vakiona, kunnes tarpeeksi lämpöenergiaa on lisätty. Huomaa, että se pysyy vakiona pidempään. Siksi koskaLvon tyypillisesti suurempi kuinLfaineelle.
Kaavion viimeinen osa näyttää jälleen saman lineaarisen suhteen kuin aiemmin.
