Ljudi se ponekad koriste izrazimatoplinaitemperaturanaizmjenično. S riječju povezuju toplinuvrućei shvatiti temperaturu koja je također povezana s "vrućinom" ili "hladnoćom" nečega. Možda će reći da se temperatura u proljetnom danu osjeća baš kako treba, jer je to upravo prava količina topline.
Međutim, u fizici su ove dvije veličine međusobno prilično različite. Oni nisu mjere iste stvari i nemaju iste jedinice, iako oboje mogu informirati vaše razumijevanje toplinskih svojstava.
Unutarnja energija
Da bi se toplina i temperatura razumjeli na temeljnoj razini, prvo je važno razumjeti pojam unutarnje energije. Iako su vam možda poznati objekti koji imaju kinetičku energiju zbog njihovog kretanja ili potencijalnu energiju zbog u svom položaju, unutar određenog objekta, same molekule također mogu imati oblik kinetike i potencijala energije.
Ova molekularna kinetička i potencijalna energija odvojena je od onoga što možete vidjeti gledajući, recimo, ciglu. Čini se da je cigla koja sjedi na zemlji nepomična i mogli biste pretpostaviti da s njom nije povezana kinetička ili potencijalna energija. I doista, nije u smislu vašeg razumijevanja osnovne mehanike.
Ali sama cigla sastoji se od mnogih molekula koje pojedinačno podvrgavaju različitim vrstama malih pokreta koje ne možete vidjeti. Molekule također mogu iskusiti potencijalnu energiju zbog blizine drugih molekula i sila koje djeluju između njih. Ukupna unutarnja energija ove opeke zbroj je kinetičke i potencijalne energije samih molekula.
Kao što ste vjerojatno naučili, energija se čuva. U slučaju da na objekt ne djeluju sile trenja ili rasipanja, čuva se i mehanička energija. Odnosno, kinetička energija se može promijeniti u potencijalnu energiju i obrnuto, ali ukupna količina ostaje konstantna. Međutim, kada djeluje sila poput trenja, primijetit ćete kako se ukupna mehanička energija smanjuje. To je zato što je energija poprimila druge oblike poput zvučne energije ili toplinske energije.
Kada trljate ruke hladnog dana, mehaničku energiju pretvarate u toplinsku. Odnosno, kinetička energija vaših ruku koje se kreću jedna protiv druge promijenila je oblik i postala kinetička energija molekula u vašim rukama u odnosu jedna na drugu. Prosjek ove kinetičke energije u molekulama u vašim rukama ono je što znanstvenici definiraju kao temperaturu.
Definicija temperature
Temperatura je mjera prosječne kinetičke energije po molekuli u tvari. Imajte na umu da nije isto što i unutarnja energija tvari jer ne uključuje potencijalnu energiju, a također nije mjera ukupne energije u tvari. Umjesto toga, to je ukupna kinetička energija podijeljena s brojem molekula. Kao takav, ne ovisi o tome koliko nečega imate (poput ukupne unutarnje energije), već o tome koliko kinetičke energije nosi prosječna molekula u tvari.
Temperatura se može mjeriti u više različitih jedinica. Među njima su Fahrenheit, koji je najčešći u SAD-u i na nekoliko drugih mjesta. Na Fahrenheitovoj skali voda se smrzava na 32 stupnja, a ključa na 212. Druga uobičajena ljestvica je Celzijeva ljestvica, koja se koristi na mnogim drugim mjestima u svijetu. Na ovoj ljestvici voda se smrzava na 0 stupnjeva, a ključa na 100 stupnjeva (što daje prilično jasnu predodžbu o tome kako je ova ljestvica stvorena).
Ali znanstveni standard je Kelvinova ljestvica. Iako je veličina prirasta na Kelvinovoj ljestvici jednaka Celzijevom stupnju, Kelvinova ljestvica započinje na temperaturi koja se naziva apsolutna nula, a tu prestaju sva molekularna kretanja. Drugim riječima, započinje na najhladnijoj mogućoj temperaturi.
Nula stupnjeva Celzijevih iznosi 273,15 na Kelvinovoj ljestvici. Kelvinova ljestvica znanstveni je standard s razlogom. Pretpostavimo da je nešto na 0 Celzijevih stupnjeva. Što bi značilo reći da je drugi objekt dvostruko veći od temperature? Bi li i ta stavka bila 0 Celzijusa? Pa na Kelvinovoj ljestvici, ovaj pojam ne uzrokuje probleme, i upravo zato što započinje s apsolutnom nulom.
Definicija topline
Razmotrite dvije tvari ili predmete na različitim temperaturama. Što to znači? To znači da su u prosjeku molekule jedne od tvari (one s višom temperaturom) krećući se s većom prosječnom kinetičkom energijom od molekula na nižim temperaturama supstancija.
Ako te dvije tvari dođu u kontakt, nije iznenađujuće, energija se počinje prosječno određivati između tvari kako se događaju mikroskopski sudari. Tvar koja je u početku bila na višoj temperaturi hladit će se dok druga tvar raste temperaturu sve dok obje ne budu iste temperature. Znanstvenici to nazivaju konačnim stanjemtoplinska ravnoteža.
Toplinska energija koja se prenosi s toplijeg na hladniji objekt znanstvenici nazivaju toplinom. Toplina je oblik energije koja se prenosi između dva materijala koji su na različitim temperaturama. Toplina uvijek teče od materijala s višom temperaturom do materijala s nižom temperaturom dok se ne postigne toplinska ravnoteža.
Budući da je toplina oblik energije, SI jedinica topline je džul.
Razlike između topline i temperature
Kao što ste vidjeli iz prethodnih definicija, toplina i temperatura doista su dvije različite fizičke mjere. Ovo su samo neke od njihovih razlika:
Mjere se u različitim jedinicama.SI jedinica za temperaturu je Kelvin, a SI jedinica za toplinu je džul. Kelvin se smatra osnovnom jedinicom, što znači da se ne može rastaviti na kombinaciju drugih temeljnih jedinica. Joule je ekvivalentan kgm2/ s2.
Razlikuju se u ovisnosti o broju molekula.Temperatura je mjera prosječne kinetičke energije po molekuli, što znači da nije važno koliko tvari imate kada govorite o temperaturi. Količina toplinske energije koja se može prenijeti između tvari, u velikoj mjeri ovisi o količini pojedine tvari.
To su različite vrste varijabli.Temperatura je poznata kao varijabla stanja. Odnosno, definira stanje u kojem se nalazi tvar ili predmet. S druge strane, toplina je procesna varijabla. Opisuje proces koji se događa - u ovom slučaju energija koja se prenosi. Nema smisla govoriti o toplini kad je sve u ravnoteži.
Mjere se različito.Temperatura se mjeri termometrom, koji je obično uređaj koji koristi toplinsko širenje za promjenu očitanja na skali. Toplina se, pak, mjeri kalorimetrom.
Sličnosti i odnosi između vrućine i temperature.
Toplina i temperatura nisu u potpunosti međusobno povezani, međutim:
Oboje su važne veličine u termodinamici.Proučavanje toplinske energije oslanja se na sposobnost mjerenja temperature kao i na sposobnost praćenja prijenosa topline.
Prijenos topline potaknut je temperaturnim razlikama.Kada su dva predmeta na različitim temperaturama, toplinska energija će se prenijeti s toplijeg na hladnije dok se ne postigne toplinska ravnoteža. Kao takve, ove temperaturne razlike pokretač su prijenosa topline.
Skloni su povećanju i smanjenju.Ako se sustavu doda toplina, temperatura raste. Ako se toplina uklanja iz sustava, temperatura se spušta. (Jedna iznimka od toga javlja se kod faznih prijelaza, u kojem se slučaju toplinska energija koristi za fazni prijelaz umjesto promjene temperature.)
Međusobno su povezani jednadžbom.Toplinska energijaPpovezan je s promjenom temperatureΔTputem jednadžbe Q = mcΔT gdje jemje masa tvari icje njegov specifični toplinski kapacitet (odnosno mjera količine toplinske energije potrebne za podizanje jedinice mase za stupanj Kelvina za određenu tvar.)
Toplina, temperatura i ukupna unutarnja energija
Unutarnja energija je ukupna unutarnja kinetička i potencijalna energija, odnosno toplinska energija u materijalu. Za idealan plin, u kojem je potencijalna energija između molekula zanemariva, unutarnja energijaEdaje se formulom E = 3 / 2nRT gdje jenje broj molova plina i univerzalna plinska konstantaR= 8,3145 J / molK.
Odnos između unutarnje energije i temperature pokazuje da, što nije iznenađujuće, kako se temperatura povećava, toplinska energija raste. Unutarnja energija također postaje 0 pri apsolutnih 0 Kelvina.
Toplina dolazi na sliku kad počnete promatrati promjene u unutarnjoj energiji. Prvi zakon termodinamike daje sljedeći odnos:
\ Delta E = Q - W
gdjePje toplina dodana u sustav iWje posao koji je obavio sustav. U osnovi, ovo je izjava o očuvanju energije. Kada dodate toplinsku energiju, unutarnja energija se povećava. Ako sustav radi na svojoj okolini, unutarnja energija se smanjuje.
Temperatura u funkciji toplinske energije
Kao što je prethodno spomenuto, toplinska energija dodana u sustav obično rezultira odgovarajućim porastom temperature, osim ako sustav prolazi kroz faznu promjenu. Da bismo to pobliže pogledali, razmotrite blok leda koji započinje ispod ledišta jer se toplinska energija dodaje konstantnom brzinom.
Ako se toplinska energija kontinuirano dodaje dok se ledeni blok zagrije do smrzavanja, podvrgava se faznoj promjeni da bi postala voda, a zatim nastavlja se zagrijavati dok ne dosegne vrenje, gdje se podvrgava drugoj faznoj promjeni da bi postala para, grafikon temperature vs. toplina će izgledati ovako:
Dok je led ispod leda, postoji linearni odnos između toplinske energije i temperature. To ne čudi kako bi trebalo biti, s obzirom na jednadžbu Q = mcΔT. Jednom kad led dosegne temperaturu smrzavanja, mora se koristiti bilo koja dodana toplinska energija kako bi se promijenila faza. Temperatura ostaje konstantna iako se još dodaje toplina. Jednadžba koja povezuje toplinsku energiju s masom tijekom fazne promjene iz čvrste u tekuću je sljedeća:
Q = mL_f
gdjeLfje latentna toplina topljenja - konstanta koja odnosi koliko energije je potrebno po jedinici mase da uzrokuje promjenu iz čvrste u tekuću.
Dakle, dok količina topline ne bude jednakamlfje dodana, temperatura ostaje konstantna.
Nakon što se sav led otopi, temperatura se opet linearno povećava dok ne dosegne točku vrenja. Ovdje se opet događa fazna promjena, ovaj put iz tekućine u plin. Jednadžba koja se odnosi na toplinu i masu tijekom ove fazne promjene vrlo je slična:
gdjeLvje latentna toplina isparavanja - konstanta koja odnosi koliko energije je potrebno po jedinici mase da uzrokuje promjenu tekućine u plin. Tako temperatura opet ostaje konstantna dok se ne doda dovoljno toplinske energije. Imajte na umu da ovaj put ostaje dulje. To je zato štoLvje obično veća odLfza tvar.
Posljednji dio grafikona ponovno pokazuje isti linearni odnos kao i prije.