אנשים משתמשים לפעמים במונחיםחוֹםוטֶמפֶּרָטוּרָהלסירוגין. הם משייכים חום למילהחַםולהבין את הטמפרטורה כקשורה גם ל"חום "או" קר "של משהו. אולי הם יגידו שהטמפרטורה ביום האביב מרגישה בדיוק כי זה בדיוק כמות החום הנכונה.
בפיזיקה, לעומת זאת, שתי הכמויות הללו שונות לגמרי זו מזו. הם אינם מדדים של אותו הדבר, ואין להם אותן יחידות, אם כי שניהם יכולים להודיע על הבנתך את התכונות התרמיות.
אנרגיה פנימית
על מנת להבין את החום והטמפרטורה ברמה בסיסית, חשוב תחילה להבין את מושג האנרגיה הפנימית. אמנם אתה מכיר אובייקטים שיש להם אנרגיה קינטית בגלל התנועה שלהם, או אנרגיה פוטנציאלית בגלל המיקום שלהם, בתוך אובייקט נתון, למולקולות עצמן יכולות להיות גם סוג של קינטיקה ופוטנציאל אֵנֶרְגִיָה.
אנרגיה קינטית ופוטנציאלית מולקולרית זו נפרדת ממה שאתה יכול לראות כשמסתכלים, למשל, על לבנה. לבנה שיושבת על הקרקע נראית חסרת תנועה, ואתה יכול להניח שאין לה שום אנרגיה קינטית או פוטנציאלית. ואכן, זה לא במובן של הבנתך את המכניקה הבסיסית.
אבל הלבנה עצמה מורכבת ממולקולות רבות שעוברות בנפרד סוגים שונים של תנועות קטנות שאינך יכול לראות. המולקולות עשויות לחוות אנרגיה פוטנציאלית גם בשל קרבתן למולקולות אחרות והכוחות המופעלים ביניהן. האנרגיה הפנימית הכוללת של לבנה זו היא סכום האנרגיות הקינטיות והפוטנציאליות של המולקולות עצמן.
כפי שלמדת ככל הנראה, האנרגיה נשמרת. במקרה שלא חיכוך או כוחות פיזור פועלים על עצם, נשמרת גם אנרגיה מכנית. כלומר, אנרגיה קינטית יכולה להשתנות לאנרגיה פוטנציאלית ולהיפך, אך הסך הכל נשאר קבוע. אולם כאשר כאשר כוח כמו חיכוך פועל, ייתכן שתבחין באנרגיה המכנית הכוללת יורדת. הסיבה לכך היא שהאנרגיה קיבלה צורות אחרות כגון אנרגיית קול או אנרגיה תרמית.
כשאתה מחכך את הידיים ביום קר, אתה ממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה תרמית. כלומר, האנרגיה הקינטית של הידיים שנעו זו נגד זו שינתה צורה והפכה לאנרגיה קינטית של המולקולות שבידיכם ביחס זו לזו. הממוצע של אנרגיה קינטית זו במולקולות שבידיכם הוא מה שמגדירים מדענים כטמפרטורה.
הגדרת טמפרטורה
טמפרטורה היא מדד לאנרגיה קינטית ממוצעת למולקולה בחומר. שים לב שהיא אינה זהה לאנרגיה הפנימית של החומר מכיוון שהיא אינה כוללת את האנרגיה הפוטנציאלית וגם אינה מדד לסך האנרגיה בחומר. במקום זאת, זו האנרגיה הקינטית הכוללת חלקי מספר המולקולות. ככזה, זה לא תלוי בכמה ממשהו שיש לך (כמו שיש לאנרגיה הפנימית הכוללת) אלא בכמה אנרגיה קינטית המולקולה הממוצעת בחומר נושאת.
ניתן למדוד טמפרטורה ביחידות רבות ושונות. בין אלה פרנהייט, הנפוץ ביותר בארה"ב ובמקומות אחדים אחרים. בסולם פרנהייט המים קופאים ב -32 מעלות ורותחים ב 212. סולם נפוץ נוסף הוא סולם צלזיוס, המשמש במקומות רבים אחרים בעולם. בקנה מידה זה, מים קופאים ב 0 מעלות ורותחים ב 100 מעלות (מה שנותן מושג ברור למדי לגבי אופן התכנון של סולם זה).
אבל הסטנדרט המדעי הוא סולם קלווין. בעוד שגודל תוספת בסולם קלווין זהה לדרגת צלזיוס, סולם קלווין מתחיל בטמפרטורה הנקראת אפס מוחלט, שם נעצרת כל התנועה המולקולרית. במילים אחרות, זה מתחיל בטמפרטורה הקרה ביותר האפשרית.
אפס מעלות צלזיוס הוא 273.15 בסולם קלווין. סולם קלווין הוא הסטנדרט המדעי מסיבה טובה. נניח שמשהו נמצא ב 0 מעלות צלזיוס. מה הפירוש של לומר שאובייקט שני הוא כפול מהטמפרטורה? האם פריט זה יהיה גם 0 צלזיוס? ובכן בסולם קלווין, הרעיון הזה לא גורם לבעיות, וזה בדיוק בגלל שהוא מתחיל באפס מוחלט.
הגדרת חום
שקול שני חומרים או חפצים בטמפרטורות שונות. מה זה אומר? פירוש הדבר שבממוצע המולקולות באחד החומרים (הטמפרטורה הגבוהה יותר) הן מסתובבים עם אנרגיה קינטית ממוצעת גדולה יותר מאשר המולקולות בטמפרטורה נמוכה יותר חומר.
אם שני החומרים הללו באים במגע, באופן לא מפתיע, האנרגיה מתחילה להתממש בין החומרים כאשר מתרחשים התנגשויות מיקרוסקופיות. החומר שהיה בתחילה בטמפרטורה הגבוהה יותר יתקרר כאשר החומר האחר יעלה בטמפרטורה עד ששניהם יהיו באותה הטמפרטורה. מדענים מכנים את המצב הסופי הזהשיווי משקל תרמי.
האנרגיה התרמית המועברת מהאובייקט החם יותר לאובייקט הקריר יותר היא מה שמכנים מדענים חום. חום הוא צורת האנרגיה המועברת בין שני חומרים הנמצאים בטמפרטורות שונות. החום תמיד זורם מהחומר עם טמפרטורה גבוהה יותר לחומר עם טמפרטורה נמוכה יותר עד להשגת שיווי משקל תרמי.
מכיוון שחום הוא סוג של אנרגיה, יחידת ה- SI של החום היא הג'ולה.
ההבדלים בין חום לטמפרטורה
כפי שראית בהגדרות הקודמות, חום וטמפרטורה הם אכן שני מדדים פיזיים מובהקים. אלה רק חלק מההבדלים ביניהם:
הם נמדדים ביחידות שונות.יחידת SI לטמפרטורה היא קלווין, ויחידת SI לחום היא הג'ולה. הקלווין נחשב ליחידת בסיס, כלומר לא ניתן לפרק אותו לשילוב של יחידות יסוד אחרות. הג'אול שווה ערך לק"ג2/ s2.
הם שונים בתלות שלהם במספר המולקולות.טמפרטורה היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת למולקולה, מה שאומר שזה לא משנה כמה חומר יש לך כשאתה מדבר על טמפרטורה. כמות אנרגיית החום שעשויה להיות מועברת בין חומרים, לעומת זאת, תלויה מאוד בכמות מכל חומר שיש לך.
הם סוגים שונים של משתנים.הטמפרטורה ידועה כמשתנה במצב. כלומר, הוא מגדיר את המצב שבו נמצא חומר או אובייקט. לעומת זאת, חום הוא משתנה תהליך. הוא מתאר תהליך המתרחש - במקרה זה, האנרגיה המועברת. לא הגיוני לדבר על חום כשהכל בשיווי משקל.
הם נמדדים אחרת.הטמפרטורה נמדדת באמצעות מדחום, שהוא בדרך כלל מכשיר שעושה שימוש בהתפשטות תרמית כדי לשנות את הקריאה בסולם. לעומת זאת החום נמדד בקלורימטר.
קווי דמיון וקשרים בין חום לטמפרטורה.
חום וטמפרטורה אינם לגמרי קשורים זה לזה, אולם:
שניהם כמויות חשובות בתרמודינמיקה.חקר האנרגיה התרמית מסתמך על היכולת למדוד טמפרטורה וכן על היכולת לעקוב אחר העברות חום.
העברת חום מונעת על ידי הבדלי טמפרטורה.כששני עצמים נמצאים בטמפרטורות שונות, אנרגיית החום תעבור מהאחת החמה לקרירה יותר עד שתגיע לשיווי משקל תרמי. ככאלה, הבדלי טמפרטורה אלה הם המניע להעברת חום.
הם נוטים לעלות ולרדת יחד.אם מוסיפים חום למערכת, הטמפרטורה עולה. אם מסירים חום מהמערכת, הטמפרטורה יורדת. (יוצא מן הכלל אחד לכך מתרחש עם מעברי פאזה, ובמקרה זה משתמשים באנרגיית חום כדי לגרום למעבר פאזה במקום לשינוי הטמפרטורה.)
הם קשורים זה לזה על ידי משוואה.אנרגיית חוםשקשור לשינוי בטמפרטורהΔTדרך המשוואה Q = mcΔT איפהMהוא מסת החומר וגהוא יכולת החום הספציפית שלו (כלומר, מדד לכמות אנרגיית החום הנדרשת להעלאת מסת היחידה בשיעור קלווין לחומר מסוים.)
חום, טמפרטורה ואנרגיה פנימית כוללת
אנרגיה פנימית היא סך כל האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית הפנימית, או אנרגיה תרמית בחומר. לגז אידיאלי, בו אנרגיה פוטנציאלית בין מולקולות היא זניחה, אנרגיה פנימיתהניתן על ידי הנוסחה E = 3 / 2nRT איפהנהוא מספר השומות של הגז וקבוע הגז האוניברסליר= 8.3145 J / molK.
הקשר בין אנרגיה פנימית לטמפרטורה מראה כי, באופן לא מפתיע, ככל שהטמפרטורה עולה, האנרגיה התרמית עולה. האנרגיה הפנימית הופכת גם ל 0 ב 0 קלווין מוחלט.
חום נכנס לתמונה כשמתחילים להסתכל על שינויים באנרגיה הפנימית. החוק הראשון של התרמודינמיקה נותן את הקשר הבא:
\ דלתא E = Q - W
איפהשהאם החום נוסף למערכת וWהיא העבודה שנעשתה על ידי המערכת. בעיקרו של דבר, זו הצהרה על שימור האנרגיה. כשמוסיפים אנרגיית חום האנרגיה הפנימית עולה. אם המערכת אכן עובדת על סביבתה, האנרגיה הפנימית פוחתת.
טמפרטורה כפונקציה של אנרגיית חום
כאמור, אנרגיית חום שנוספה למערכת מביאה בדרך כלל לעליית טמפרטורה מקבילה אלא אם כן המערכת עוברת שינוי פאזה. כדי לבחון זאת מקרוב, שקול גוש קרח שמתחיל מתחת לקפוא, מכיוון שמתווספת אנרגיית חום בקצב קבוע.
אם מוסיפים אנרגיית חום ברציפות בזמן שגוש הקרח מתחמם לקפוא, עובר שינוי פאזה כדי להפוך למים ואז ממשיך להתחמם עד שהוא מגיע לרתיחה, שם הוא עובר שינוי פאזה נוסף כדי להפוך לאדים, גרף הטמפרטורה לעומת החום ייראה כך:
בעוד שהקרח נמצא מתחת לקפוא, קיים קשר לינארי בין אנרגיית החום לטמפרטורה. זה לא מפתיע כמו שצריך להיות, בהתחשב במשוואה Q = mcΔT. אולם לאחר שהקרח מגיע לטמפרטורת הקפיאה, יש להשתמש בכל אנרגיית חום שנוספה כדי לעזור לו לשנות שלב. הטמפרטורה נשארת קבועה למרות שעדיין מוסיפים חום. המשוואה המתייחסת לאנרגיית חום למסה במהלך שינוי פאזה ממוצק לנוזל היא הבאה:
ש = ml_f
איפהלfהוא חום היתוך סמוי - קבוע המתייחס לכמות האנרגיה הנדרשת ליחידת מסת כדי לגרום לשינוי ממוצק לנוזל.
אז, עד שכמות חום שווה ל-מ"לfנוסף, הטמפרטורה נשארת קבועה.
לאחר שכל הקרח נמס, הטמפרטורה שוב עולה ליניארית עד שהיא מגיעה לנקודת הרתיחה. כאן שוב מתרחש שינוי פאזה, הפעם מנוזל לגז. המשוואה המתייחסת לחום למסה במהלך שינוי שלב זה דומה מאוד:
איפהלvהוא חום ההתאדות הסמוי - קבוע המתייחס לכמות האנרגיה הנדרשת ליחידת מסה בכדי לגרום לשינוי מנוזל לגז. אז הטמפרטורה שוב נשארת קבועה עד שנוספה אנרגיית חום מספקת. שים לב שהוא נשאר קבוע זמן רב יותר הפעם. זה בגלל שלvהוא בדרך כלל גבוה מ-לfלחומר.
החלק האחרון של הגרף מציג שוב את אותו קשר לינארי כמו קודם.