熱物理学：概要

あなたはおそらく、温度計と温度の測定、暑さと寒さの感覚、そして水を沸騰させるのに必要なものに精通しているでしょう。今度は、熱と温度の直感的な理解を広げ、物理学者がそれをどのように行うかを学びましょう。

この熱物理学の紹介では、熱と温度、およびこの物理学の分野が適用される現象について学習します。

熱と温度の研究

熱物理学は熱と温度. 熱は、温度の異なる2つのオブジェクト間を移動するエネルギーとして定義されます。つまり、暖かいオブジェクトから冷たいオブジェクトに移動します。

熱は熱エネルギーの一種です。熱エネルギーは、オブジェクト内の分子運動に関連するエネルギーです。オブジェクトの内部では、分子は単に静止しているだけではありません。動きを視覚的に見ることはできませんが、それらはすべて揺れ動き、互いに跳ね返っています。

温度分子あたりの平均運動エネルギーの尺度です。華氏または摂氏での測定に精通しているかもしれませんが、科学者が好むSI単位はケルビンです。

合計内部エネルギーオブジェクトが持つ質量、温度、および比熱容量. 比熱容量は、単位質量の温度を1度上げるために必要な熱エネルギーの尺度です。材料が異なれば比熱容量も異なり、通常、特定の材料の熱容量は表で調べることができます。

熱は、3つの主要な方法で1つのオブジェクトから別のオブジェクトに移動できます。これらは：

伝導では、2つのオブジェクトが物理的に接触しており、オブジェクト内の分子間の直接衝突によって、熱エネルギーが暖かいオブジェクトから冷たいオブジェクトに移動します。

対流では、熱は対流によって伝達されます。これは、ストーブで水を沸騰させたときに起こります。鍋の底の水が最初に温まり、温まると膨張して密度が低くなります。密度が低いため、冷たい水が沈んでから温まると、鍋の上部に上がります。

輻射では、熱エネルギーは電磁輻射を介して伝達されます。これはあなたが太陽からエネルギーを得る方法です。そのエネルギーは、放射線として宇宙の真空を通って移動し、それが私たちに到達すると地球を暖めます。

材料に熱エネルギーが加わると、温度が上昇します。ある時点で、相転移、材料の相が変化します。材料は、固体から液体へ、液体から気体へ、さらには気体からプラズマへと変化する可能性があります。

相変化が発生する温度は、材料自体と圧力の条件によって異なります。これは、状態図を使用して調査されます。

材料の相を変えるのに必要なエネルギー量は、その材料の潜熱に依存します。材料の融解潜熱は、その物質の単位質量を固体から液体に変えるのに必要な熱エネルギーの量です。材料の蒸発潜熱は、材料を液体から気体に変えるのに必要な熱エネルギーの量です。

熱物理学は最終的に熱力学の研究につながります。熱力学は、運動論と統計力学を使用して変化する熱システムを研究する物理学の一分野です。

熱力学プロセスを支配する熱力学の法則は3つあります。これらは、簡単に言えば、熱力学の第1法則、熱力学の第2法則、および熱力学の第3法則と呼ばれます。これらの法則について最初に学ぶとき、通常、それらが理想気体にどのように適用され、理想気体の法則を利用するかを学びます。

熱力学は、蒸気エンジン、冷蔵庫、ヒートポンプ、およびその他の同様のアイテムがどのように機能するかを理解するのに役立ちます。