Iz iskustva znate da kada vrijednost na termometru pokazuje temperatura povećava se, uvjeti okoline postaju topliji. Kad ova vrijednost padne, uvjeti okoline postaju hladniji. Vjerojatno ste svjesni i da se koristi više uobičajenih temperaturnih ljestvica za precizno kvantificiranje ovog fenomena.
Ako promjene temperature na neki način ukazuju na dobitak ili gubitak toplina u blizini, postoji li način da se uhvati korelacija? Odnosno, može li se zadana promjena temperature (recimo, u Celzijevim stupnjevima ili ° C) dovesti u korelaciju s danim dobitkom ili gubitkom topline - pod pretpostavkom da je "toplina" uopće stvar koja se može precizno izmjeriti u fizici?
Zapravo je moguće koreliranje promjena temperature s dobicima ili gubicima topline u korisnim jedinicama topline poput kilodžula (kJ) - sve dok doslovno znate s čim imate posla.
Temperatura i njene ljestvice
Temperatura je veličina koju mjeri uređaj koji se naziva termometar. Matematički je izveden iz prosječne kinetičke energije čestica (atoma i molekula) u sustavu, poput zatvorene posude ili prostorije.
Kinetička energija je energija kretanja. Kad sitne čestice prođu kroz zrak, sudaraju se jedna s drugom i sudari oslobađaju toplinu. Što je prosječna brzina čestica u sustavu brža, to će se više sudariti i osloboditi više topline, podižući izmjerenu temperaturu.
SI jedinica temperature je Kelvin (K). To nije stupanj i stoga nema pridruženi simbol, za razliku od slučaja Celzijusa i Fahrenheita. Međutim, K i ° C imaju jednaku veličinu u smislu da porast od 1 K i porast od 1 ° C predstavljaju istu fizičku promjenu. Ali vage su pomaknute tako da ° C = -273,15 K, a minimalna teoretska vrijednost K je 0.
Uz to, (9/5) ° C + 32 = ° F.
Energija, toplina i njihove jedinice
Nesumnjivo ste upoznati s tim pojmom kalorija kao jedan od mnogih načina za mjerenje onoga što hrana koju jedete isporučuje staničnim strojevima vašeg sustava. Neki izvori tvrde da kalorija ima jedinice energije; drugi kažu da su potrebne jedinice topline. Zapravo su obje tvrdnje istinite, jer je toplina jedna od raznih podvrsta "službene" - iako prilično neuhvatljive - veličine u fizici poznate kao energija.
Iako je kalorija (cal) osnova za većinu javnih razgovora u SAD-u o energiji koju daju namirnice, to nije jedinica koja se koristi u udžbenicima i časopisima fizike. Standardna međunarodna (SI) jedinica energije, a time i topline je džul (J).
1 kalorija = 4,18 J, ali "kalorija" koju vidite na etiketama hrane zapravo je kilokalorija (kcal) ili 1.000 istinskih kalorija. Tako 1 "kalorija" po označavanju nutricionističkih vrijednosti zapravo iznosi 4.180 džula ili 4.18 kJ.
Kako su povezani toplina i temperatura?
Vidjeli ste kako se temperatura odnosi na toplinu. Ali kako je uopće određena veličina "jednog stupnja"? Ljudi su morali imati način označavanja mjesta na temperaturnoj skali između "smrznutog" i "prokuhanog" i dodjeljivanja brojeva tim intervalima.
Kao što se događa, ako dodate zadanu količinu topline (P) u džulima na sustav ili uklonite toplinu iz tog sustava, možete odrediti koliko će se temperatura sustava promijeniti (∆T) u Celzijusu sve dok znate masu sustava (često uzorak vode) m u gramima i njegova specifična toplina c, koji se razlikuje od supstance do supstance:
Q = mc (∆T)
Za vodu, c = 1 kal / (g) (° C) = 4.186 J / (g) (° C).
Primjer: Ako imate uzorak vode od 1 litre, koji ima masu 1.000 g, koliko je energije u kJ potrebno da se uzorak zagrije za 1 ° C?
Q = mc (∆T) = (1.000 g) (4.186 J / g ° C) (1 ° C) = 4.186 = 4.186 kJ.
Prisjetimo se da je to količina energije u jednoj "kaloriji" hrane. To je neobično kad uzmete u obzir da, recimo, 1 L zaslađene sode sadrži oko 400 puta veću količinu od ove količine, ali tijelo s "kalorijama" postupa daleko drugačije nego s običnom staklenkom vode.