Valószínűleg ismeri a hőmérőket, a hőmérséklet mérését, a hideg és meleg érzését, valamint a víz felforralását. Itt az ideje, hogy kibővítse a hő és a hőmérséklet intuitív megértését, és megtanulja, hogyan csinálják ezt a fizikusok.
A hőfizika e bevezetőjében megtudhatja, hogy mi a hő és a hőmérséklet, valamint hogy a fizika ezen ága milyen jelenségekre vonatkozik.
A hő és a hőmérséklet vizsgálata
A hőfizika a tanulmány hő és hőmérséklet. A hő olyan energia, amely két különböző hőmérsékletű objektum között szállítódik át - a melegebb tárgyról a hűvösebb tárgyra haladva.
Hő egyfajta hőenergia. A hőenergia az objektumon belüli molekuláris mozgással társított energia. Bármely tárgyban a molekulák nem egyszerűen mozdulatlanul állnak; annak ellenére, hogy szemmel láthatóan nem látja a mozgást, mindannyian körbe-körbe rándulnak, és egymásnak ugrálnak.
Hőfok az egy molekulára jutó átlagos kinetikus energia mértéke. Lehet, hogy ismeri Fahrenheit vagy akár Celsius fok mérését, de a tudósok által előnyben részesített SI egység a Kelvin.
A végösszeg belső energia egy tárgy tömegétől, hőmérsékletétől és hőmérsékletétől függ fajlagos hőkapacitás. A fajlagos hőkapacitás annak mérése, hogy mennyi hőenergia szükséges az egységnyi tömeg hőmérsékletének 1 fokkal történő emeléséhez. Különböző anyagok fajlagos hőkapacitása eltérő, és bármely adott anyag hőkapacitását általában egy táblázatban lehet megnézni.
Hőátadás
A hő három elsődleges módon vihet át egyik tárgyról a másikra. Ezek:
- Vezetés
- Konvekció
- Sugárzás
Vezetés közben a két tárgy fizikai kapcsolatban áll, és a hőenergia a tárgyakban lévő molekulák közvetlen ütközése révén a melegebb tárgyról a hűvösebb tárgyra mozog.
A konvekcióban a hőt konvekciós áramok adják át. Ez akkor történik, amikor vizet forral a tűzhelyen. A serpenyő alján lévő víz először felmelegszik, és melegedve tágul, kevésbé sűrűvé válik. Mivel kevésbé sűrű, a serpenyő tetejére emelkedik, miközben a hűvösebb víz süllyed, majd felmelegszik.
Sugárzás esetén a hőenergiát elektromágneses sugárzás közvetíti. Így kap energiát a naptól. Ez az energia sugárzásként halad keresztül az űr vákuumában, amely aztán felmelegíti a Földet, amikor hozzánk ér.
Fázisváltozások
Ahogy hőenergiát adnak az anyagoknak, azok hőmérséklete megnő. Bizonyos pontokon, ún fázisátmenetek, az anyag változó fázisa. Az anyagok változhatnak szilárdról folyékonyra és folyadékról gázra, sőt gázról plazmára.
A fázisváltozás hőmérséklete magától az anyagtól és a nyomás körülményeitől függ. Ezt egy fázisdiagram segítségével tanulmányozzák.
Az anyag fázisának megváltoztatásához szükséges energia mennyisége az anyag látens hőjétől függ. Az anyag látens fúziós hője az a hőenergia-mennyiség, amely ahhoz szükséges, hogy az anyag egységnyi tömegét szilárdból folyadékká változtassa. Az anyag rejtett párolgási hője az a hőenergia-mennyiség, amely ahhoz szükséges, hogy folyadékból gázzá váljon.
Termodinamika
A hőfizika végül a termodinamika tanulmányozásához vezet, amely a fizika azon ága, amely a termikus rendszerek változását kutatja a kinetikai elmélet és a statisztikai mechanika segítségével.
A termodinamika három törvénye szabályozza a termodinamikai folyamatokat. Ezeket egyszerűen a termodinamika első törvényének, a termodinamika második és a harmadik termodinamikai törvénynek nevezzük. Amikor először megismeri ezeket a törvényeket, általában megtudhatja, hogyan alkalmazzák őket az ideális gázra, és hogyan használják az ideális gáztörvényt.
A termodinamika segíthet megérteni a gőzgépek, hűtőszekrények, hőszivattyúk és más hasonló termékek működését.