Vjerojatno su vam poznati termometri i mjerenje temperatura, osjećaj vrućine i hladnoće i što je potrebno za ključanje vode. Sada je vrijeme da proširite svoje intuitivno razumijevanje topline i temperature i naučite kako to rade fizičari.
U ovom uvodu u toplinsku fiziku naučit ćete što su toplina i temperatura, kao i na koje pojave se odnosi ova grana fizike.
Proučavanje topline i temperature
Termalna fizika je proučavanje topline i temperature. Toplina se definira kao energija koja se prenosi između dva objekta različitih temperatura - prelazeći s toplijeg na hladniji objekt.
Toplina je vrsta toplinske energije. Toplinska energija je energija povezana s molekularnim kretanjem unutar objekta. Unutar bilo kojeg predmeta, molekule ne stoje mirno; iako ne možete vidljivo vidjeti kretanje, svi se vrckaju i poskakuju.
Temperatura je mjera prosječne kinetičke energije po molekuli. Možda vam je poznato mjerenje u stupnjevima Fahrenheita ili čak Celzijusa, ali SI jedinica koju znanstvenici preferiraju je Kelvin.
Ukupno unutarnja energija koji objekt ima ovisi o njegovoj masi, temperaturi i specifični toplinski kapacitet. Specifični toplinski kapacitet mjeri koliko je toplinske energije potrebno za povišenje temperature jedinice mase za 1 stupanj. Različiti materijali imaju različite specifične toplinske kapacitete, a toplinski kapacitet bilo kojeg određenog materijala obično se može potražiti u tablici.
Prijenos topline
Toplina se s jednog predmeta na drugi može prenijeti na tri primarna načina. Ovi su:
- Kondukcija
- Konvekcija
- Radijacija
Tijekom provođenja, dva su predmeta u fizičkom kontaktu, a toplinska energija kreće se od toplijeg do hladnijeg predmeta izravnim sudarima između molekula u objektima.
U konvekciji se toplina prenosi konvekcijskim strujama. To se događa kada vodu kuhate na štednjaku. Voda na dnu posude najprije se zagrije, a zagrijavanjem se širi i postaje manje gusta. Budući da je manje gust, podiže se na vrh posude dok hladnija voda tone, a zatim se zagrijava.
U zračenju se toplinska energija prenosi elektromagnetskim zračenjem. Tako dobivate energiju od sunca. Ta energija putuje kroz vakuum svemira kao zračenje, koje zatim zagrijava Zemlju kad stigne do nas.
Fazne promjene
Kako se materijalima dodaje toplinska energija, oni povećavaju temperaturu. U određenim točkama, tzv fazni prijelazi, faza promjene materijala. Materijali se mogu mijenjati iz krutine u tekućinu i iz tekućine u plin, pa čak i iz plina u plazmu.
Temperature na kojima dolazi do promjene faze ovise o samom materijalu i uvjetima tlaka. To se proučava pomoću faznog dijagrama.
Količina energije potrebna za promjenu faze materijala ovisi o latentnoj toplini tog materijala. Latentna toplina fuzije materijala je količina toplinske energije potrebna za promjenu jedinične mase te tvari iz čvrste u tekuću. Latentna toplina isparavanja materijala je količina toplinske energije potrebna da se iz tekućine pretvori u plin.
Termodinamika
Termalna fizika na kraju dovodi do proučavanja termodinamike, što je grana fizike koja proučava promjenu toplinskih sustava pomoću kinetičke teorije i statističke mehanike.
Postoje tri zakona termodinamike koja upravljaju termodinamičkim procesima. Oni se jednostavno nazivaju prvi zakon termodinamike, drugi zakon termodinamike i treći zakon termodinamike. Kad prvi put naučite o tim zakonima, obično ćete naučiti kako se oni primjenjuju na idealan plin i iskoristiti zakon o idealnom plinu.
Termodinamika vam može pomoći da shvatite kako rade parni strojevi, hladnjaci, dizalice topline i drugi slični predmeti.