Mindenki ismeri azt a koncepciót, hogy túl meleg vagy túl hideg, vagy meleg napot érez a nap, de mit jelent konkrétan a "meleg" szó? Valami "forró" tulajdonság? Ugyanaz, mint a hőmérséklet? Kiderült, hogy a hő egy mérhető mennyiség, amelyet a fizikusok pontosan meghatároztak.
Mi a hő?
A hő az, amit a tudósok annak az energiaformának neveznek, amely két különböző hőmérsékletű anyag között átkerül. Ez az energiaátadás a két anyag molekulánkénti átlagos transzlációs kinetikus energiájának különbségei miatt következik be. A hő a magasabb hőmérsékletű anyagból az alacsonyabb hőmérsékletű anyagba áramlik, amíg el nem éri a hőegyensúlyt. Az SI hőegysége a joule, ahol 1 joule = 1 newton × méter.
Ahhoz, hogy jobban megértsük, mi történik akkor, amikor ez az energiaátadás megtörténik, képzeljük el a következő forgatókönyvet: Két különböző tartály tele van apró, mindenfelé pattogó gumilabdákkal. Az egyik tartályban a golyók átlagos sebessége (és ezáltal az átlagos kinetikus energiájuk) sokkal nagyobb, mint a második golyók átlagos sebessége tartály (bár bármelyik golyó sebessége bármikor lehet, mivel annyi ütközés folyamatos energiaátvitelt okoz a golyókat.)
Ha ezeket a tartályokat úgy helyezi el, hogy az oldaluk összeérjen, majd eltávolítsák a tartalmukat elválasztó falakat, akkor mi várható?
Az első konténer golyói kölcsönhatásba lépnek a második konténer golyóival. Amint egyre több ütközés történik a golyók között, fokozatosan a golyók átlagos sebessége mindkét tartályból megegyezik. Az első tartály gömbjeiből származó energia egy része átkerül a második tartályban lévő golyókba, amíg ez az új egyensúly el nem ér.
Lényegében ez történik mikroszkopikus szinten, amikor két különböző hőmérsékletű tárgy érintkezik egymással. A tárgy hőmérséklete magasabb hőmérsékleten hő formájában kerül át az alacsonyabb hőmérsékletű tárgyra.
Mi a hőmérséklet?
A hőmérséklet az anyag molekulájára jutó átlagos transzlációs mozgási energia mértéke. A golyók a tartályban analóg módon egy golyó átlagos kinetikus energiájának mérőszáma egy adott tartályban. Molekuláris szinten az atomok és a molekulák mind vibrálnak, és rángatnak. Nem láthatja ezt a mozgást, mert olyan kicsiben történik.
A szokásos hőmérsékleti skálák a Fahrenheit, a Celsius és a Kelvin, a tudományos standard Kelvin. A Fahrenheit-skála a legelterjedtebb az Egyesült Államokban. Ilyen skálán a víz 32 fokon fagy, 212 fokon forr. A világ legtöbb más helyén elterjedt Celsius-skálán a víz 0 fokon fagy és 100 fokon forr.
A tudományos színvonal azonban a Kelvin-skála. Míg a Kelvin-skálán egy növekmény nagysága megegyezik a Celsius-skálán lévő fok méretével, a 0-értékét egy másik helyen állítják be. 0 Kelvin egyenlő -273,15 Celsius-fokkal.
Miért ilyen furcsa választás 0-ra? Kiderült, hogy ez sokkal kevésbé furcsa választás, mint a Celsius-skála nulla értéke. 0 Kelvin az a hőmérséklet, amelyen az összes molekuláris mozgás leáll. Ez elméletileg a leghidegebb hőmérséklet.
Ebben a fényben a Kelvin-skála sokkal értelmesebb, mint a Celsius-skála. Gondoljon például a távolság mérésére. Furcsa lenne olyan távolsági skálát létrehozni, ahol a 0 érték egyenértékű az 1 m-es ponttal. Ilyen skálán mit jelentene, ha valami kétszer akkora lesz, mint valami más?
Hőmérséklet vs. Belső energia
Az anyag teljes belső energiája az összes molekula kinetikus energiájának összege. Ez az anyag hőmérsékletétől (egy molekulára jutó átlagos kinetikus energia) és az anyag teljes mennyiségétől (a molekulák számától) függ.
Lehetséges, hogy két objektumnak ugyanaz a teljes belső energiája, miközben teljesen különböző hőmérsékletűek. Például egy hűvösebb objektumnak alacsonyabb az átlagos kinetikus energiája molekulánként, de ha ezek száma a molekulák nagyok, akkor még mindig ugyanazzal a teljes belső energiával bírhat, mint egy melegebb tárgy, kevesebbel molekulák.
A teljes belső energia és a hőmérséklet közötti kapcsolat meglepő eredménye, hogy egy nagy a jégtömb több energiával bírhat, mint egy meggyújtott gyufafej, annak ellenére, hogy a gyufafej olyan forró, hogy be van kapcsolva Tűz!
Hogyan szállítja a hő
Három fő módszer létezik, amelyek révén a hőenergia egyik tárgyról a másikra száll. Vezetés, konvekció és sugárzás.
Vezetésakkor fordul elő, amikor az energia közvetlenül átkerül két, egymással hőkontaktusban lévő anyag között. Ez az a fajta átadás, amely a cikkben korábban leírt gumilabda-analógiában fordul elő. Amikor két tárgy közvetlen kapcsolatban áll, az energiát molekuláik közötti ütközések útján továbbítják. Ez az energia lassan halad az érintkezési ponttól a kezdetben hűvösebb tárgy többi részéig, amíg el nem éri a hőegyensúlyt.
Azonban nem minden tárgy vagy anyag vezeti ilyen módon az energiát egyformán. Néhány jó hővezetőnek nevezett anyag könnyebben át tudja vinni a hőenergiát, mint más, jó hőszigetelőknek nevezett anyagok.
Valószínűleg volt tapasztalata ilyen vezetőkkel és szigetelőkkel a mindennapi életben. Egy hideg téli reggelen hogyan hasonlít a mezítláb a járólapra a mezítláb a szőnyegre? Valószínűleg úgy tűnik, hogy a szőnyeg valahogy melegebb, de ez nem így van. Mindkét emelet valószínűleg azonos hőmérsékletű, de a csempe sokkal jobb hővezető. Emiatt a hőenergia sokkal gyorsabban távozik a testéből.
Konvekcióa hőátadás egyik formája, amely gázokban vagy folyadékokban fordul elő. A gázok és kisebb mértékben a folyadékok sűrűségük változását tapasztalják a hőmérséklet függvényében. Általában minél melegebbek, annál kevésbé sűrűek. Emiatt, és mivel a gázokban és folyadékokban lévő molekulák szabadon mozoghatnak, ha az alsó rész felmelegszik, akkor kisebb sűrűsége miatt kitágul, és így felfelé emelkedik.
Ha például egy serpenyő vizet helyez a kályhára, a serpenyő alján lévő víz felmelegszik, kitágul és felemelkedik a hűvösebb víz süllyedésével. A hűvösebb víz ezután felmelegszik, kitágul, emelkedik és így tovább, olyan konvekciós áramokat hozva létre, amelyek a hőenergiát keverés útján a rendszeren keresztül eloszlatják a molekulák a rendszeren belül (szemben azzal, hogy a molekulák nagyjából ugyanazon a helyen maradnak, ahogy ide-oda kacsingatnak, és mindegyikbe visszapattannak Egyéb.)
A konvekció miatt a fűtőberendezések akkor működnek a legjobban a ház melegítésében, ha a padló közelében helyezkednek el. A mennyezet közelében elhelyezett fűtőtest melegítené a mennyezet közelében lévő levegőt, de ez a levegő helyben maradna.
A hőátadás harmadik formája azsugárzás. A sugárzás az energia átvitele elektromágneses hullámokon keresztül. A meleg tárgyak energiát adhatnak ki elektromágneses sugárzás formájában. Így jut el a napból származó hőenergia például a Földre. Amint a sugárzás érintkezésbe kerül egy másik tárggyal, az abban lévő atomok energiát nyerhetnek az elnyelésével.
Fajlagos hőteljesítmény
Két, azonos tömegű anyag különböző hőmérséklet-változásokon megy keresztül, annak ellenére, hogy azonos mennyiségű összenergiát adnak az únfajlagos hőkapacitás. A fajlagos hőteljesítmény a kérdéses anyagtól függ. Az anyag fajlagos hőkapacitásának értékét általában egy táblázatban keresi meg.
Formálisabban a fajlagos hőteljesítmény az a hőenergia mennyisége, amelyet tömegegységenként hozzá kell adni ahhoz, hogy a hőmérséklet Celsius-fokkal megemelkedjen. A fajlagos hőkapacitás SI-egységei, amelyeket általábanc, J / kgK.
Gondolj így: Tegyük fel, hogy két különböző anyagod van, amelyek pontosan ugyanannyit nyomnak és pontosan ugyanazon a hőmérsékleten vannak. Az első anyagnak magas fajlagos hőkapacitása van, a második anyagnak alacsony a fajlagos hőkapacitása. Tegyük fel, hogy pontosan ugyanannyi hőenergiát ad mindkettőjükhöz. Az első anyag - a nagyobb hőkapacitású - hőmérséklete nem emelkedik annyira, mint a második anyagé.
A hőmérsékletváltozást befolyásoló tényezők
Számos tényező befolyásolja, hogy az anyag hőmérséklete hogyan változik, amikor egy adott mennyiségű hőenergia átkerül hozzá. Ezek a tényezők magukban foglalják az anyag tömegét (egy kisebb tömeg nagyobb hőmérséklet-változáson megy keresztül egy adott hőmennyiség mellett) és a fajlagos hőteljesítménytc.
Ha van hőforrás, amely táplálja az áramotP, akkor a teljes hozzáadott hő attól függPés az időt. Vagyis a hőenergiátQegyenlő leszP × t.
A hőmérséklet-változás sebessége egy másik érdekes szempont, amelyet figyelembe kell venni. Változtatják-e az objektumok a hőmérsékletüket állandó sebességgel? Kiderült, hogy a változás sebessége az objektum és környezete közötti hőmérséklet-különbségtől függ. Newton hűtési törvénye írja le ezt a változást. Minél közelebb van egy tárgy a környező hőmérséklethez, annál lassabban éri el az egyensúlyt.
Hőmérsékletváltozások és fázisváltozások
Az a képlet, amely a hőmérséklet változását egy tárgy tömegéhez, fajlagos hőteljesítményéhez és hozzáadott vagy eltávolított hőenergiájához kapcsolja, a következő:
Q = mc \ Delta T
Ez a képlet azonban csak akkor érvényes, ha az anyag nem megy át fázisváltozáson. Amikor egy anyag szilárdból folyékonyvá változik, vagy folyadékból gázba változik, a hozzá adott hő bekerül használhatja ezt a fázisváltozást, és nem eredményez hőmérséklet-változást, amíg a fázisváltozás meg nem történik teljes.
A látens fúziós hőnek nevezett mennyiséget jelöljükLf, leírja, hogy tömegegységre mekkora hőenergia szükséges az anyag szilárd anyagból folyadékká történő átalakításához. Csakúgy, mint a fajlagos hőkapacitás esetén, ennek értéke is az adott anyag fizikai tulajdonságaitól függ, és gyakran táblázatokban keresik. A hőenergiára vonatkozó egyenletQanyag tömegéremés a fúziós látens hő:
Q = ml_f
Ugyanez történik folyadékról gázra váltáskor. Ilyen helyzetben a látens párolgási hőnek nevezett mennyiséget jelöljükLv, leírja, hogy az egységnyi tömeghez mennyi energiát kell hozzáadni a fázisváltozáshoz. A kapott egyenlet az alindex kivételével megegyezik:
Q = ml_v
Hő, munka és belső energia
Belső energiaEaz anyagban a teljes belső kinetikus energia vagy hőenergia. Feltételezve, hogy ideális gáz van, ahol a molekulák közötti potenciális energia elhanyagolható, a képlet adja meg:
E = \ frac {3} {2} nRT
holnaz anyajegyek száma,Ta hőmérséklet Kelvinben és az univerzális gázállandóR= 8,3145 J / molK. A belső energia 0 J lesz abszolút 0 K értéknél.
A termodinamikában a belső energiában bekövetkező változások, az átadott hő és a rendszeren vagy a rendszeren végzett munka közötti összefüggés a következőkön keresztül kapcsolódik:
\ Delta E = Q-W
Ez a kapcsolat a termodinamika első törvényeként ismert. Lényegében ez egy nyilatkozat az energia megőrzéséről.