Az emberek néha használják a kifejezésekethőéshőfokfelcserélhető módon. A hőt társítják a szóvalforróés megérteni a hőmérsékletet úgy is, mint ami valaminek a "forróságához" vagy "hidegségéhez" kapcsolódik. Talán azt fogják mondani, hogy egy tavaszi nap hőmérséklete éppen megfelelőnek érződik, mert éppen megfelelő hőmennyiség.
A fizikában azonban ez a két mennyiség meglehetősen különbözik egymástól. Ezek nem ugyanannak a mérőszámának számítanak, és nincsenek ugyanazok az egységeik, bár mindkettő tájékoztathatja a termikus tulajdonságok megértését.
Belső energia
A hő és a hőmérséklet alapvető szintű megértése érdekében először is fontos megérteni a belső energia fogalmát. Noha ismerheti azokat a tárgyakat, amelyek mozgási energiájukkal kinetikus energiával rendelkeznek, vagy potenciális energiájuk miatt pozíciójuk egy adott objektumon belül maguknak a molekuláknak is lehet kinetikai és potenciális formájuk energia.
Ez a molekuláris kinetikus és potenciális energia elkülönül attól, amit láthat, ha mondjuk egy téglát néz. A földön ülő tégla mozdulatlannak tűnik, és feltételezheti, hogy ehhez nem kapcsolódik kinetikus vagy potenciális energia. És valóban, nem az alapvető mechanika megértése értelmében.
De maga a tégla sok molekulából áll, amelyek külön-külön különböző típusú kis mozgásokon mennek keresztül, amelyeket nem láthat. A molekulák potenciális energiát is tapasztalhatnak más molekulákhoz való közelségük és a közöttük kifejtett erők miatt. Ennek a téglának a teljes belső energiája a molekulák kinetikus és potenciális energiájának összege.
Mint valószínűleg megtudta, az energia megmarad. Abban az esetben, ha semmilyen súrlódási vagy disszipációs erő nem hat egy tárgyra, a mechanikai energia is konzerválódik. Vagyis a kinetikus energia potenciális energiává válhat és fordítva, de az összeg állandó marad. Amikor olyan erő hat, mint a súrlódás, észreveheti, hogy a teljes mechanikai energia csökken. Ennek oka, hogy az energia más formákat öltött, például hangenergiát vagy hőenergiát.
Amikor hideg napon dörzsöli össze a kezét, a mechanikai energiát hőenergiává alakítja. Vagyis a kezeitek egymással szemben mozgó mozgási energiája megváltoztatta formáját, és a kezekben lévő molekulák kinetikus energiájává vált egymáshoz képest. Ennek a kinetikus energiának az átlaga a kezedben lévő molekulákban az, amit a tudósok hőmérsékletként definiálnak.
A hőmérséklet meghatározása
A hőmérséklet az anyag molekulájára jutó átlagos kinetikus energia mértéke. Vegye figyelembe, hogy ez nem azonos az anyag belső energiájával, mert nem tartalmazza a potenciális energiát, és nem is az anyag teljes energiájának mértéke. Ehelyett a teljes kinetikus energia elosztva a molekulák számával. Mint ilyen, nem attól függ, hogy mennyi valamivel rendelkezel (például a teljes belső energia), hanem attól, hogy az anyag átlagos molekulája mekkora mozgási energiát hordoz.
A hőmérséklet sokféle egységben mérhető. Ezek között van a Fahrenheit, amely a legelterjedtebb az Egyesült Államokban és néhány más helyen. A Fahrenheit-skálán a víz 32 fokon fagy, 212-en forr. Egy másik gyakori skála a Celsius-skála, amelyet a világ számos más helyén használnak. Ezen a skálán a víz 0 fokon fagy és 100 fokon forr (ez elég világos képet ad arról, hogyan alakították ki ezt a skálát).
De a tudományos standard a Kelvin-skála. Míg a Kelvin-skálán egy növekmény nagysága megegyezik egy Celsius-fokkal, a Kelvin-skála az abszolút nulla nevű hőmérsékleten indul, ahol az összes molekuláris mozgás megáll. Más szavakkal, a lehető leghidegebb hőmérsékleten indul.
A nulla Celsius-fok a Kelvin-skálán 273,15. A Kelvin-skála jó okból tudományos szabvány. Tegyük fel, hogy valami 0 Celsius fokon van. Mit jelent azt mondani, hogy egy második tárgy kétszerese a hőmérsékletnek? 0 Celsius-érték is lenne? Nos, a Kelvin-skálán ez a fogalom nem okoz problémát, és éppen azért van, mert abszolút nulláról indul.
A hő meghatározása
Vegyünk két anyagot vagy tárgyat különböző hőmérsékleten. Mit is jelent ez? Ez azt jelenti, hogy átlagosan az egyik anyagban lévő molekulák (a magasabb hőmérsékletűek) nagyobb átlagos mozgási energiával mozog, mint az alacsonyabb hőmérsékletű molekulák anyag.
Ha ez a két anyag érintkezésbe kerül, nem meglepő, hogy az energia átlagolni kezd az anyagok között, mikroszkópos ütközések következtében. Az az anyag, amely kezdetben magasabb hőmérsékleten volt, lehűl, miközben a másik anyag hőmérséklet-emelkedése mindkettő azonos hőmérsékletű lesz. A tudósok ezt végső állapotnak neveziktermikus egyensúly.
Az a hőenergia, amelyet a melegebb tárgyról a hűvösebb tárgyra visznek át, a tudósok hőnek nevezik. A hő két különböző hőmérsékletű anyag között átvitt energia formája. A hő mindig a magasabb hőmérsékletű anyagból az alacsonyabb hőmérsékletű anyagba áramlik, amíg el nem éri a hőegyensúlyt.
Mivel a hő az energia egy formája, a SI hőegysége a joule.
A hő és a hőmérséklet közötti különbségek
Amint az előző definíciókból láthattad, a hő és a hőmérséklet valóban két különálló fizikai mérték. Ez csak néhány különbségük:
Különböző egységekben mérik őket.A hőmérséklet SI mértékegysége a Kelvin, a SI mértékegysége pedig a joule. A Kelvint alapegységnek tekintik, vagyis nem bontható fel más alapvető egységek kombinációjára. A joule kgm-nek felel meg2/ s2.
Különböznek a molekulák számától való függőségükben.A hőmérséklet az egy molekulára jutó átlagos kinetikus energia mértéke, ami azt jelenti, hogy nem számít, mennyi anyag van, amikor hőmérsékletet beszél. Az anyagok között esetlegesen átvihető hőenergia mennyisége azonban nagymértékben függ attól, hogy mennyi minden anyag van.
Különböző típusú változók.A hőmérséklet állapotváltozóként ismert. Vagyis meghatározza azt az állapotot, amelyben egy anyag vagy tárgy van. A hő viszont folyamatváltozó. Leír egy folyamatot, amely történik - ebben az esetben az átvitt energiát. Nincs értelme a hőségről beszélni, amikor minden egyensúlyban van.
Másképp mérik őket.A hőmérsékletet hőmérővel mérik, amely tipikusan olyan eszköz, amely a hőtágulást használja az érték skálán történő megváltoztatására. A hőt viszont kaloriméterrel mérik.
A hő és a hőmérséklet közötti hasonlóságok és összefüggések.
A hő és a hőmérséklet azonban nem teljesen független egymástól:
Mindkettő fontos mennyiség a termodinamikában.A hőenergia vizsgálata a hőmérséklet mérésének képességére, valamint a hőátadások nyomon követésének képességére támaszkodik.
A hőátadást a hőmérséklet-különbségek vezérlik.Ha két tárgy különböző hőmérsékleten van, akkor a hőenergia átkerül a melegebbről a hűvösebbre, amíg el nem éri a hőegyensúlyt. Mint ilyen, ezek a hőmérséklet-különbségek hajtják a hőátadást.
Hajlamosak együtt növekedni és csökkenni.Ha hőt adnak egy rendszerhez, a hőmérséklet emelkedik. Ha a hőt eltávolítják a rendszerből, a hőmérséklet csökken. (Ez alól egy kivétel fordul elő fázisátmeneteknél, ilyenkor hőenergiát használnak a fázisátalakuláshoz a hőmérsékletváltozás helyett.)
Egy egyenlet kapcsolja össze őket.HőenergiaQa hőmérséklet változásával függ összeΔTahol a Q = mcΔT egyenleten keresztülmaz anyag tömege ésca fajlagos hőkapacitása (vagyis annak mértéke, hogy mekkora hőenergia szükséges egy egység tömegének Kelvin fokkal történő növeléséhez egy adott anyag esetében.)
Hő, hőmérséklet és összes belső energia
A belső energia az anyag teljes belső kinetikus és potenciális energiája, vagy hőenergia. Egy ideális gáz esetében, amelyben a molekulák közötti potenciálenergia elhanyagolható, a belső energiaEaz E = 3 / 2nRT képlettel adjuk meg, aholna gáz molszáma és az egyetemes gázállandóR= 8,3145 J / molK.
A belső energia és a hőmérséklet viszonya azt mutatja, hogy nem meglepő, hogy a hőmérséklet növekedésével a hőenergia nő. A belső energia szintén 0 lesz abszolút 0 Kelvin értéknél.
A hő akkor jön be a képbe, amikor elkezdi nézni a belső energia változását. A termodinamika első törvénye a következő összefüggést adja:
\ Delta E = Q - W
holQa rendszerhez adott hő ésWa rendszer által végzett munka. Lényegében ez egy nyilatkozat az energia megőrzéséről. Hőenergia hozzáadásakor a belső energia nő. Ha a rendszer működik a környezetén, a belső energia csökken.
A hőmérséklet a hőenergia függvényében
Amint azt korábban említettük, a rendszerhez adott hőenergia jellemzően megfelelő hőmérséklet-növekedést eredményez, hacsak a rendszerben nem történik fázisváltozás. Ha ezt közelebbről meg szeretné tekinteni, vegye figyelembe a jégtömböt, amely fagypont alatt indul, mivel a hőenergia állandó sebességgel kerül hozzáadásra.
Ha a hőenergiát folyamatosan adagoljuk, miközben a jégtömb fagyássá válik, fázisváltozáson megy keresztül, hogy víz legyen, majd tovább melegszik, amíg el nem éri a forráspontot, ahol újabb fázisváltozáson megy keresztül, hogy gőzzé váljon, a hőmérséklet grafikonja vs. a hő a következőképpen néz ki:
Amíg a jég fagypont alatt van, lineáris összefüggés van a hőenergia és a hőmérséklet között. Ez nem meglepő, ahogy lennie kell, ha figyelembe vesszük a Q = mcΔT egyenletet. Amint a jég eléri a fagyás hőmérsékletét, minden hozzáadott hőenergiát fel kell használni a fázisváltás elősegítésére. A hőmérséklet állandó marad, annak ellenére, hogy a hő még mindig hozzáadódik. A hőenergiát a tömeghez viszonyító egyenlet a szilárdból folyékony fázisváltás során a következő:
Q = ml_f
holLfa látens fúziós hő - állandó, amely meghatározza, hogy egy egységnyi tömegre mennyi energia szükséges ahhoz, hogy szilárdból folyadékká váljon.
Tehát, amíg a hőmennyiség meg nem egyenlőmlfhozzáadva a hőmérséklet állandó marad.
Miután az összes jég megolvadt, a hőmérséklet ismét lineárisan emelkedik, amíg el nem éri a forráspontot. Itt is fázisváltozás következik be, ezúttal folyadékról gázra. A hő és a tömeg összefüggése a fázisváltozás során nagyon hasonló:
holLva látens párolgási hő - állandó, amely meghatározza, hogy egy egységnyi tömegre mekkora energia szükséges ahhoz, hogy folyadékról gázra változzon. Tehát a hőmérséklet ismét állandó marad, amíg elegendő hőenergiát nem adunk hozzá. Vegye figyelembe, hogy ez az idő hosszabb ideig állandó marad. Ez azért van, mertLvjellemzően magasabb, mintLfegy anyagra.
A grafikon utolsó része ismét ugyanazt a lineáris összefüggést mutatja, mint korábban.