חום (פיזיקה): הגדרה, נוסחה ודוגמאות

כולם מכירים את הרעיון של להיות חם מדי או קר מדי או להרגיש חום מהשמש ביום חם, אבל מה פירוש המילה "חום" באופן ספציפי? האם זה מאפיין של משהו "חם?" האם זה אותו דבר כמו טמפרטורה? מתברר שחום הוא כמות מדידה שהפיזיקאים הגדירו במדויק.

חום הוא מה שמדענים מכנים צורת האנרגיה המועברת בין שני חומרים בעלי טמפרטורה שונה. העברת אנרגיה זו מתרחשת בגלל הבדלים באנרגיה הקינטית התרגומית הממוצעת למולקולה בשני החומרים. החום זורם מהחומר עם טמפרטורה גבוהה יותר לחומר עם טמפרטורה נמוכה יותר עד להשגת שיווי משקל תרמי. יחידת החום SI היא הג'אול, שם 1 ג'אול = 1 ניוטון × מטר.

כדי להבין טוב יותר מה קורה כאשר העברת אנרגיה זו מתרחשת, דמיין את התרחיש הבא: שני מיכלים שונים מלאים בכדורי גומי זעירים המקפצים מסביב. באחד המכולות המהירות הממוצעת של הכדורים (ומכאן האנרגיה הקינטית הממוצעת שלהם) גדולה בהרבה מהמהירות הממוצעת של הכדורים בשנייה. מכולה (אם כי המהירות של כדור בודד יכולה להיות כל דבר ובכל נקודת זמן מכיוון שכל כך הרבה התנגשויות גורמות להעברת אנרגיה מתמדת בין כדורים.)

אם אתה מציב את המיכלים האלה כך שדפנותיהם ייגעו, ואז תסיר את הקירות המפרידים בין תכולתם, מה היית מצפה שיקרה?

הכדורים מהמיכל הראשון יתחילו לקיים אינטראקציה עם הכדורים מהמיכל השני. ככל שיותר ויותר התנגשויות בין הכדורים מתרחשות, בהדרגה המהירות הממוצעת של הכדורים משני המכולות הופכת להיות זהה. חלק מהאנרגיה מהכדורים מהמיכל הראשון הופכת לכדורים שבמיכל השני עד להשגת שיווי משקל חדש זה.

זה בעצם מה שקורה ברמה מיקרוסקופית כששני עצמים בטמפרטורה שונה באים במגע אחד עם השני. אנרגיה מהאובייקט בטמפרטורה גבוהה יותר מועברת בצורה של חום לאובייקט הטמפרטורה הנמוכה יותר.

טמפרטורה היא מדד לאנרגיה קינטית טרנסלציונית ממוצעת למולקולה בחומר. באנלוגיית הכדורים במיכל, זהו מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת לכדור במיכל נתון. ברמה המולקולרית, אטומים ומולקולות כולם רוטטים ומנדנדים סביבם. אינך יכול לראות את התנועה הזו מכיוון שהיא מתרחשת בקנה מידה כה קטן.

מאזני הטמפרטורה הנפוצים הם פרנהייט, צלזיוס וקלווין, כאשר קלווין הוא הסטנדרט המדעי. סולם פרנהייט נפוץ ביותר בארצות הברית. בקנה מידה זה, מים קופאים ב 32 מעלות ורותחים ב 212 מעלות. בסולם צלזיוס, המקובל ברוב המקומות האחרים בעולם, המים קופאים ב 0 מעלות ורותחים ב 100 מעלות.

הסטנדרט המדעי, לעומת זאת, הוא סולם קלווין. בעוד שגודל תוספת בסולם קלווין זהה לגודל של תואר בסולם צלזיוס, ערך 0 שלו נקבע במקום אחר. 0 קלווין שווה ל -273.15 מעלות צלזיוס.

מדוע בחירה כה מוזרה ל -0? מתברר שזו הרבה פחות בחירה מוזרה מערך האפס של סולם צלזיוס. 0 קלווין הוא הטמפרטורה בה כל התנועה המולקולרית נעצרת. זוהי הטמפרטורה הקרה המוחלטת ביותר שאפשר תיאורטית.

לאור זה, סולם קלווין הגיוני הרבה יותר מאשר סולם צלזיוס. חשוב על האופן שבו נמדד מרחק, למשל. זה יהיה מוזר ליצור סולם מרחק שבו הערך 0 שווה ערך לציון 1 מ '. בקנה מידה כזה, מה המשמעות של משהו שאורכו כפול מזה של משהו אחר?

האנרגיה הפנימית הכוללת של חומר היא סך כל האנרגיות הקינטיות של כל המולקולות שלו. זה תלוי בטמפרטורת החומר (האנרגיה הקינטית הממוצעת למולקולה) ובכמות הכוללת של החומר (מספר המולקולות).

יתכן שלשני עצמים תהיה אותה אנרגיה פנימית כוללת תוך שהם בעלי טמפרטורות שונות לחלוטין. לדוגמא, לאובייקט קריר יותר תהיה אנרגיה קינטית ממוצעת נמוכה יותר למולקולה, אך אם מספר מולקולות הוא גדול, ואז זה עדיין יכול להגיע לאותה אנרגיה פנימית כוללת של אובייקט חם עם פחות מולקולות.

תוצאה מפתיעה של קשר זה בין אנרגיה פנימית כוללת לטמפרטורה היא העובדה כי גדול גוש קרח יכול להסתיים עם יותר אנרגיה מאשר ראש גפרור מואר, למרות שראש הגפרור כל כך חם שהוא דולק אֵשׁ!

ישנן שלוש שיטות עיקריות בהן אנרגיית חום עוברת מאובייקט אחד לאחר. הם הולכה, הסעה וקרינה.

​הוֹלָכָה חַשְׁמַלִיתמתרחשת כאשר אנרגיה עוברת ישירות בין שני חומרים הנמצאים במגע תרמי זה עם זה. זהו סוג ההעברה המתרחש באנלוגיית כדור הגומי שתוארה קודם במאמר זה. כאשר שני עצמים נמצאים במגע ישיר, האנרגיה מועברת באמצעות התנגשויות בין המולקולות שלהם. אנרגיה זו עושה את דרכה אט אט מנקודת המגע לשאר האובייקט הקריר בתחילה עד להשגת שיווי משקל תרמי.

לא כל האובייקטים או החומרים מוליכים אנרגיה בצורה טובה באותה מידה. חומרים מסוימים, הנקראים מוליכים תרמיים טובים, יכולים להעביר אנרגיית חום ביתר קלות מאשר חומרים אחרים, המכונים מבודדים תרמיים טובים.

סביר להניח שהיה לך ניסיון עם מוליכים ומבודדים כאלה בחיי היומיום שלך. בבוקר חורפי קר, איך דריכה יחפה על רצפת אריחים לעומת דריכה יחפה על שטיח? כנראה שנראה שהשטיח מחמם איכשהו, אולם זה לא המקרה. שתי הקומות הן כנראה באותה הטמפרטורה, אך האריח הוא מוליך תרמי טוב בהרבה. בגלל זה, זה גורם לאנרגיית החום לעזוב את גופך הרבה יותר מהר.

​הולכת חוםהיא סוג של העברת חום המתרחשת בגזים או בנוזלים. גזים, ובמידה פחותה יותר, נוזלים, חווים שינויים בצפיפותם עם הטמפרטורה. בדרך כלל ככל שהם חמים יותר, הם פחות צפופים. מכיוון שכך, ומכיוון שהמולקולות בגזים ובנוזלים חופשיות לנוע, אם החלק התחתון מתחמם, הוא יתרחב ומכאן שהוא יעלה לראש בשל צפיפותו הנמוכה יותר.

אם הנחתם מחבת מים על הכיריים, למשל, המים בתחתית התבנית מתחממים, מתרחבים ועולים למעלה כשהמים הקרירים שוקעים. המים הקרירים ואז מתחממים, מתרחבים ועולים וכן הלאה, ויוצרים זרמי הסעה שגורמים לאנרגיית החום להתפזר דרך המערכת באמצעות ערבוב. של המולקולות בתוך המערכת (בניגוד למולקולות שכולן נשארות באותו מקום בערך כשהן מנדנדות קדימה ואחורה, ומקפצות לכל אחת אַחֵר.)

הסעה היא מדוע תנורי חימום עובדים בצורה הטובה ביותר לחימום בית אם הם ממוקמים ליד הרצפה. תנור חימום שהונח ליד התקרה יחמם את האוויר ליד התקרה, אך האוויר יישאר במקום.

הצורה השלישית של העברת חום היאקְרִינָה. קרינה היא העברת אנרגיה באמצעות גלים אלקטרומגנטיים. עצמים חמים יכולים להוציא אנרגיה בצורה של קרינה אלקטרומגנטית. כך אנרגיית החום מהשמש מגיעה לכדור הארץ, למשל. ברגע שהקרינה באה במגע עם אובייקט אחר, האטומים באותו אובייקט יכולים לצבור אנרגיה על ידי ספיגתו.

שני חומרים שונים מאותה מסה יעברו שינויי טמפרטורה שונים למרות שנוספה אותה סך האנרגיה בגלל הבדלים בכמות הנקראתקיבולת חום ספציפית. יכולת החום הספציפית תלויה בחומר המדובר. בדרך כלל תחפש את הערך של קיבולת החום הספציפית של חומר בטבלה.

באופן פורמלי יותר, קיבולת חום ספציפית מוגדרת ככמות אנרגיית החום שיש להוסיף ליחידת מסה על מנת להעלות את הטמפרטורה במעלות צלזיוס. יחידות SI עבור קיבולת חום ספציפית, בדרך כלל מסומנות על ידיג, הם J / kgK.

תחשוב על זה ככה: נניח שיש לך שני חומרים שונים ששוקלים בדיוק זהה ונמצאים בדיוק באותה הטמפרטורה. לחומר הראשון יכולת חום ספציפית גבוהה, ולחומר השני יכולת חום ספציפית נמוכה. עכשיו נניח שאתה מוסיף לשניהם בדיוק אותה כמות של אנרגיית חום. החומר הראשון - זה בעל יכולת החום הגבוהה יותר - לא יעלה בטמפרטורה כמו החומר השני.

ישנם גורמים רבים המשפיעים על האופן שבו הטמפרטורה של חומר תשתנה כאשר כמות נתונה של אנרגיית חום מועברת אליו. גורמים אלה כוללים את מסת החומר (מסה קטנה יותר תעבור שינוי טמפרטורה גדול יותר בכמות נתונה של חום נוסף) ויכולת החום הספציפיתג​.

אם יש מקור חום המספק חשמלפואז החום הכולל שנוסף תלויפוהזמןt. כלומר אנרגיית החוםשישתווהפ​ × ​t​.

קצב שינוי הטמפרטורה הוא גורם מעניין נוסף שיש לקחת בחשבון. האם עצמים משנים את הטמפרטורות שלהם בקצב קבוע? מתברר שקצב השינוי תלוי בהפרש הטמפרטורה בין האובייקט וסביבתו. חוק הקירור של ניוטון מתאר את השינוי הזה. ככל שהאובייקט קרוב יותר לטמפרטורה שמסביב, כך הוא מתקרב לאט יותר לשיווי משקל.

הנוסחה המתייחסת לשינוי הטמפרטורה למסת האובייקט, קיבולת החום הספציפית ואנרגיית החום שנוספה או הוסרה היא כדלקמן:

נוסחה זו חלה רק עם זאת, אם החומר אינו עובר שינוי פאזה. כאשר חומר משתנה ממוצק לנוזל או משתנה מנוזל לגז, מכניסים את החום המוסף אליו להשתמש הגורם לשינוי שלב זה ולא יביא לשינוי טמפרטורה עד שיחל שלב השלב לְהַשְׁלִים.

כמות הנקראת חום היתוך סמויל_f, מתאר כמה אנרגיית חום ליחידת מסה נדרשת להחלפת חומר ממוצק לנוזל. בדיוק כמו בקיבולת חום ספציפית, ערכו תלוי בתכונות הפיזיקליות של החומר הנדון ולעתים קרובות הוא נחקר למעלה בטבלאות. המשוואה המתייחסת לאנרגיית חוםשלמסה של חומרMוחום היתוך סמוי הוא:

אותו דבר מתרחש בעת מעבר מנוזל לגז. במצב כזה, נקרא כמות הנקראת חום אידוי סמויל_v, מתאר כמה אנרגיה ליחידת מסה יש להוסיף בכדי לגרום לשינוי שלב. המשוואה המתקבלת זהה למעט מנוי:

אנרגיה פנימיתההוא האנרגיה הקינטית הפנימית הכוללת, או האנרגיה התרמית, בחומר. בהנחה של גז אידיאלי כאשר כל אנרגיה פוטנציאלית בין מולקולות היא זניחה, היא ניתנת על ידי הנוסחה:

איפהנהוא מספר השומות,טהיא הטמפרטורה בקלווין וקבוע הגז האוניברסליר= 8.3145 J / molK. האנרגיה הפנימית הופכת ל- 0 J ב- 0 K. מוחלטת.

בתרמודינמיקה, הקשר בין שינויים באנרגיה פנימית, חום המועבר ועבודה שנעשתה על מערכת או על ידיה קשורים באמצעות:

קשר זה ידוע כחוק הראשון של התרמודינמיקה. במהותה זו הצהרה על שימור האנרגיה.