Svima je poznat pojam da je prevruće ili prehladno ili da se topli dan osjeća vrućina od sunca, ali što konkretno znači riječ "vrućina"? Je li to svojstvo nečega "vrućeg?" Je li to ista stvar kao i temperatura? Ispada da je toplina mjerljiva veličina koju su fizičari točno definirali.
Što je toplina?
Toplina je ono što znanstvenici nazivaju oblikom energije koja se prenosi između dva materijala različite temperature. Do ovog prijenosa energije dolazi zbog razlika u prosječnoj translacijskoj kinetičkoj energiji po molekuli u dva materijala. Toplina teče od materijala s višom temperaturom do materijala s nižom temperaturom dok se ne postigne toplinska ravnoteža. SI jedinica topline je džul, gdje je 1 džul = 1 njuton × metar.
Da biste bolje razumjeli što se događa kada se dogodi taj prijenos energije, zamislite sljedeći scenarij: Dvije različite posude napunjene su sitnim gumenim kuglicama koje se poskakuju. U jednom od spremnika prosječna brzina kuglica (a time i njihova prosječna kinetička energija) mnogo je veća od prosječne brzine kuglica u drugom kontejner (premda brzina bilo koje pojedinačne kugle može biti bilo koja u bilo kojem trenutku vremena jer toliko sudara uzrokuje kontinuirani prijenos energije između kuglice.)
Ako ove spremnike postavite tako da im se strane dodiruju, a zatim uklonite zidove koji odvajaju njihov sadržaj, što biste očekivali?
Kuglice iz prvog spremnika započet će interakciju s kuglicama iz drugog spremnika. Kako se događa sve više sudara između kuglica, postupno prosječne brzine kuglica iz oba spremnika postaju jednake. Dio energije iz kuglica iz prvog spremnika prenosi se na kuglice u drugom spremniku dok se ne postigne nova ravnoteža.
To se u osnovi događa na mikroskopskoj razini kada dva predmeta različite temperature dođu u kontakt jedni s drugima. Energija iz predmeta pri višoj temperaturi prenosi se u obliku topline u objekt niže temperature.
Što je temperatura?
Temperatura je mjera prosječne translacijske kinetičke energije po molekuli u tvari. U analogiji kuglice u spremniku, to je mjera prosječne kinetičke energije po kuglici u danom spremniku. Na molekularnoj razini, atomi i molekule svi titraju i titraju. Ne možete vidjeti ovaj pokret jer se događa u tako malom opsegu.
Uobičajene temperaturne ljestvice su Fahrenheit, Celzijus i Kelvin, a Kelvin je znanstveni standard. Fahrenheitova ljestvica najčešća je u Sjedinjenim Državama. Na ovoj ljestvici voda se smrzava na 32 stupnja, a vrije na 212 stupnjeva. Na Celzijevoj skali, koja je česta u većini drugih mjesta na svijetu, voda se smrzava na 0 stupnjeva, a ključa na 100 stupnjeva.
Znanstveni standard, međutim, jest Kelvinova ljestvica. Iako je veličina prirasta na Kelvinovoj ljestvici jednaka veličini stupnja na Celzijevoj skali, njegova vrijednost 0 postavlja se na drugo mjesto. 0 Kelvina jednako je -273,15 Celzijevih stupnjeva.
Zašto tako čudan izbor za 0? Ispada da je ovo mnogo manje čudan izbor od nulte vrijednosti Celzijeve skale. 0 Kelvin je temperatura na kojoj prestaje svako molekularno gibanje. To je apsolutno najhladnija temperatura teoretski moguća.
U tom svjetlu Kelvinova ljestvica ima puno više smisla od Celzijeve ljestvice. Razmislite kako se primjerice mjeri udaljenost. Bilo bi čudno stvoriti skalu udaljenosti gdje je vrijednost 0 bila jednaka oznaci od 1 m. U takvoj ljestvici, što bi značilo da nešto bude dvostruko dulje od nečega drugog?
Temperatura vs. Unutarnja energija
Ukupna unutarnja energija tvari je ukupna kinetička energija svih njezinih molekula. Ovisi o temperaturi tvari (prosječna kinetička energija po molekuli) i ukupnoj količini tvari (broju molekula).
Moguće je da dva predmeta imaju istu ukupnu unutarnju energiju, a imaju potpuno različite temperature. Na primjer, hladniji objekt imat će nižu prosječnu kinetičku energiju po molekuli, ali ako broj molekula je velika, tada još uvijek može završiti s istom ukupnom unutarnjom energijom toplijeg objekta s manje molekule.
Iznenađujući rezultat ovog odnosa između ukupne unutarnje energije i temperature jest činjenica da je velika blok leda može završiti s više energije od upaljene glave šibice, iako je glava šibice toliko vruća da je uključena vatra!
Kako prenosi toplinu
Tri su glavne metode pomoću kojih se toplinska energija prenosi s jednog predmeta na drugi. Oni su provođenje, konvekcija i zračenje.
Kondukcijanastaje kada se energija prenosi izravno između dvaju materijala koji su međusobno u toplinskom kontaktu. Ovo je vrsta prijenosa koja se događa u analogiji s gumenom kuglicom opisanoj ranije u ovom članku. Kada su dva predmeta u izravnom kontaktu, energija se prenosi sudarima njihovih molekula. Ova energija polako se probija od točke dodira do ostatka prvotno hladnijeg objekta dok se ne postigne toplinska ravnoteža.
Međutim, svi predmeti ili tvari ne provode energiju na jednak način. Neki materijali, koji se nazivaju dobrim toplinskim vodičima, mogu prenositi toplinsku energiju brže od ostalih materijala, koji se nazivaju dobrim toplinskim izolatorima.
Vjerojatno ste u svom svakodnevnom životu imali iskustva s takvim vodičima i izolatorima. U hladnom zimskom jutru, kako se bosonogo koračanje po podu pločica uspoređuje s bosonogo koračanjem po tepihu? Vjerojatno se čini da je tepih nekako topliji, međutim to nije slučaj. Oba su kata vjerojatno iste temperature, ali pločica je puno bolji toplinski vodič. Zbog toga toplinska energija puno brže napušta vaše tijelo.
Konvekcijaje oblik prijenosa topline koji se javlja u plinovima ili tekućinama. Plinovi, a u manjoj mjeri i tekućine, doživljavaju promjene u svojoj gustoći s temperaturom. Obično su topliji, manje su gusti. Zbog toga i zbog toga što se molekule u plinovima i tekućinama mogu slobodno kretati, ako se donji dio zagrije, on će se proširiti i prema tome podići na vrh zbog svoje manje gustoće.
Ako na primjer stavite posudu s vodom na štednjak, voda se na dnu posude zagrijava, širi i podiže na vrh dok hladnija voda tone. Hladnija voda tada se zagrijava, širi i podiže i tako dalje, stvarajući konvekcijske struje koje uzrokuju miješanje toplinske energije kroz sustav miješanjem molekula u sustavu (za razliku od molekula koje ostaju otprilike na istom mjestu dok se miču naprijed-nazad, odbijajući se u svaku ostalo.)
Konvekcija je zašto grijači najbolje rade za zagrijavanje kuće ako su postavljeni blizu poda. Grijač postavljen blizu stropa zagrijavao bi zrak blizu stropa, ali taj bi zrak ostao na mjestu.
Treći oblik prijenosa topline jeradijacija. Zračenje je prijenos energije pomoću elektromagnetskih valova. Objekti koji su topli mogu odavati energiju u obliku elektromagnetskog zračenja. Tako na primjer toplinska energija sunca dolazi do Zemlje. Jednom kad to zračenje dođe u kontakt s drugim objektom, atomi u tom objektu mogu dobiti energiju upijajući ga.
Specifični toplinski kapacitet
Dva različita materijala iste mase bit će podvrgnuta različitim temperaturnim promjenama, unatoč tome što im se dodaje ista ukupna energija zbog razlika u tzv. Količinispecifični toplinski kapacitet. Specifični toplinski kapacitet ovisi o materijalu o kojem je riječ. Vrijednost specifičnog toplinskog kapaciteta materijala obično ćete potražiti u tablici.
Formalnije, specifični toplinski kapacitet definira se kao količina toplinske energije koja se mora dodati po jedinici mase kako bi se temperatura povisila za Celzijev stupanj. SI jedinice za specifični toplinski kapacitet, obično označene sac, su J / kgK.
Razmislite o ovome ovako: Pretpostavimo da imate dvije različite tvari koje su potpuno jednake i imaju potpuno istu temperaturu. Prva tvar ima visoki specifični toplinski kapacitet, a druga tvar ima mali specifični toplinski kapacitet. Sada pretpostavimo da obojici dodate točno jednaku količinu toplinske energije. Prva tvar - ona s većim toplinskim kapacitetom - neće povisiti temperaturu toliko kao druga tvar.
Čimbenici koji utječu na promjenu temperature
Mnogo je čimbenika koji utječu na to kako će se temperatura neke tvari mijenjati kada joj se prenese određena količina toplinske energije. Ti čimbenici uključuju masu materijala (manja masa će pretrpjeti veću temperaturnu promjenu za zadanu količinu dodane topline) i specifični toplinski kapacitetc.
Ako postoji izvor topline koji napaja strujuStr, tada ukupna dodana toplina ovisi oStri vrijemet. Odnosno toplinska energijaPće se izjednačitiStr × t.
Brzina promjene temperature još je jedan zanimljiv čimbenik koji treba uzeti u obzir. Mijenjaju li predmeti konstantnu temperaturu? Ispada da brzina promjene ovisi o temperaturnoj razlici između predmeta i njegove okoline. Newtonov zakon hlađenja opisuje ovu promjenu. Što je objekt bliži temperaturi u okruženju, to se sporije približava ravnoteži.
Promjene temperature i fazne promjene
Formula koja povezuje promjenu temperature s masom predmeta, specifičnim toplinskim kapacitetom i dodanom ili uklonjenom toplinskom energijom je kako slijedi:
Q = mc \ Delta T
Ova se formula, međutim, primjenjuje samo ako tvar ne prolazi faznu promjenu. Kada se tvar mijenja iz čvrste u tekuću ili iz tekuće u plinsku, dodaje joj se toplina koja joj se dodaje za upotrebu uzrokujući ovu promjenu faze i neće rezultirati promjenom temperature dok promjena faze ne bude dovršen.
Označena količina koja se naziva latentna toplina fuzijeLf, opisuje koliko je toplinske energije po jedinici mase potrebno za promjenu tvari iz čvrste u tekuću. Kao i kod specifičnog toplinskog kapaciteta, njegova vrijednost ovisi o fizičkim svojstvima predmetnog materijala i često se traži u tablicama. Jednadžba koja se odnosi na toplinsku energijuPna masu materijalama latentna toplina fuzije je:
Q = mL_f
Ista se stvar događa kod promjene tekućine u plin. U takvoj se situaciji označava količina koja se naziva latentna toplina isparavanjaLv, opisuje koliko energije po jedinici mase treba dodati da bi došlo do promjene faze. Dobivena jednadžba je identična, osim za indeks:
Q = mL_v
Toplina, rad i unutarnja energija
Unutarnja energijaEje ukupna unutarnja kinetička energija ili toplinska energija u materijalu. Pod pretpostavkom idealnog plina u kojem je bilo koja potencijalna energija između molekula zanemariva, daje se formulom:
E = \ frac {3} {2} nRT
gdjenje broj madeža,Tje temperatura u Kelvinima i univerzalna plinska konstantaR= 8,3145 J / molK. Unutarnja energija postaje 0 J u apsolutnih 0 K.
U termodinamici su odnosi između promjena unutarnje energije, prenesene topline i rada na sustavu ili od strane sustava povezani s:
\ Delta E = Q-W
Taj je odnos poznat kao prvi zakon termodinamike. U osnovi je to izjava o očuvanju energije.
