Probabilmente hai familiarità con i termometri e la misurazione delle temperature, la sensazione di caldo e freddo e cosa serve per far bollire l'acqua. Ora è il momento di espandere la tua comprensione intuitiva del calore e della temperatura e imparare come lo fanno i fisici.
In questa introduzione alla fisica termica imparerai cosa sono il calore e la temperatura e a quali fenomeni si applica questa branca della fisica.
Lo studio del calore e della temperatura
La fisica termica è lo studio di calore e temperatura. Il calore è definito come l'energia che si trasferisce tra due oggetti di diversa temperatura, passando dall'oggetto più caldo all'oggetto più freddo.
Calore è un tipo di energia termica. L'energia termica è l'energia associata al movimento molecolare all'interno di un oggetto. All'interno di qualsiasi oggetto, le molecole non stanno semplicemente ferme; anche se non puoi vedere visibilmente il movimento, stanno tutti dondolando e rimbalzando l'uno nell'altro.
Temperatura è una misura dell'energia cinetica media per molecola. Potresti avere familiarità con la misurazione in gradi Fahrenheit o addirittura Celsius, ma l'unità SI che gli scienziati preferiscono è il Kelvin.
Il totale Energia interna un oggetto ha dipende dalla sua massa, temperatura e capacità termica specifica. La capacità termica specifica è una misura di quanta energia termica è necessaria per aumentare la temperatura di un'unità di massa di 1 grado. Materiali diversi hanno capacità termiche specifiche diverse e la capacità termica di qualsiasi materiale particolare può essere generalmente ricercata in una tabella.
Trasferimento di calore
Il calore può trasferirsi da un oggetto all'altro in tre modi principali. Questi sono:
- Conduzione
- Convezione
- Radiazione
In conduzione, i due oggetti sono in contatto fisico e l'energia termica si sposta dall'oggetto più caldo all'oggetto più freddo mediante collisioni dirette tra le molecole negli oggetti.
Nella convezione, il calore viene trasferito dalle correnti di convezione. Questo accade quando fai bollire l'acqua sul fornello. L'acqua sul fondo della padella si riscalda per prima e, man mano che si scalda, si espande, diventando meno densa. Essendo meno denso, sale in cima alla padella mentre l'acqua più fredda scende e poi si riscalda.
Nella radiazione, l'energia termica viene trasferita tramite radiazione elettromagnetica. Ecco come ottieni energia dal sole. Quell'energia viaggia attraverso il vuoto dello spazio come radiazione, che poi riscalda la Terra quando ci raggiunge.
Cambiamenti di fase
Quando l'energia termica viene aggiunta ai materiali, aumentano di temperatura. In certi punti, chiamato transizioni di fase, il materiale cambia fase. I materiali possono cambiare da solido a liquido e da liquido a gas e persino da gas a plasma.
Le temperature alle quali si verifica un cambiamento di fase dipendono dal materiale stesso e dalle condizioni di pressione. Questo viene studiato utilizzando un diagramma di fase.
La quantità di energia richiesta per cambiare la fase di un materiale dipende dal calore latente di quel materiale. Il calore latente di fusione di un materiale è la quantità di energia termica richiesta per cambiare una massa unitaria di quella sostanza da solido a liquido. Il calore latente di vaporizzazione di un materiale è la quantità di energia termica necessaria per trasformarlo da liquido in gas.
Termodinamica
La fisica termica alla fine porta allo studio della termodinamica, che è la branca della fisica che studia i cambiamenti dei sistemi termici utilizzando la teoria cinetica e la meccanica statistica.
Ci sono tre leggi della termodinamica che governano i processi termodinamici. Queste sono chiamate, semplicemente, la prima legge della termodinamica, la seconda legge della termodinamica e la terza legge della termodinamica. Quando impari per la prima volta su queste leggi, imparerai in genere come si applicano a un gas ideale e utilizzerai la legge del gas ideale.
La termodinamica può aiutarti a capire come funzionano i motori a vapore, i frigoriferi, le pompe di calore e altri oggetti simili.