暑すぎたり寒すぎたり、暖かい日には太陽から熱を感じるという概念は誰もが知っていますが、「暑さ」という言葉は具体的にどういう意味ですか？ それは「熱い」何かの特性ですか？ 温度と同じですか？ 熱は物理学者が正確に定義した測定可能な量であることがわかります。
熱とは何ですか？
熱は、科学者が異なる温度の2つの材料間で伝達されるエネルギーの形と呼んでいるものです。 このエネルギーの移動は、2つの材料の分子あたりの平均並進運動エネルギーの違いが原因で発生します。 熱は、熱平衡に達するまで、高温の材料から低温の材料に流れます。 熱のSI単位はジュールです。ここで、1ジュール= 1ニュートン×メートルです。
このエネルギー伝達が発生したときに何が起こっているかをよりよく理解するために、次のシナリオを想像してください。2つの異なるコンテナが、周りを跳ね回る小さなゴム製のボールで満たされています。 コンテナの1つでは、ボールの平均速度（したがって、それらの平均運動エネルギー）は、2番目のボールの平均速度よりもはるかに大きくなります。 コンテナ（ただし、非常に多くの衝突により、 ボール。）
これらのコンテナを側面が接触するように配置し、内容物を隔てる壁を取り除いた場合、どうなると思いますか？
最初のコンテナのボールは、2番目のコンテナのボールと相互作用し始めます。 ボール間の衝突が増えるにつれて、両方のコンテナからのボールの平均速度は徐々に同じになります。 この新しい平衡に達するまで、最初のコンテナからのボールからのエネルギーの一部が2番目のコンテナのボールに転送されます。
これは本質的に、温度の異なる2つの物体が互いに接触したときに微視的なレベルで起こっていることです。 高温の物体からのエネルギーは、熱の形で低温の物体に伝達されます。
温度とは何ですか？
温度は、物質内の分子あたりの平均並進運動エネルギーの尺度です。 コンテナ内のボールの例えでは、これは特定のコンテナ内のボールごとの平均運動エネルギーの尺度です。 分子レベルでは、原子と分子はすべて振動し、揺れ動きます。 この動きは非常に小規模であるため、見ることができません。
一般的な温度尺度は華氏、摂氏、ケルビンであり、ケルビンが科学的基準です。 華氏スケールは、米国で最も一般的です。 このスケールでは、水は32度で凍結し、212度で沸騰します。 世界の他のほとんどの場所で一般的な摂氏スケールでは、水は0度で凍結し、100度で沸騰します。
ただし、科学的基準はケルビンスケールです。 ケルビンスケールの増分のサイズは摂氏スケールの度のサイズと同じですが、その0値は別の場所に設定されます。 0ケルビンは摂氏-273.15度に相当します。
なぜ0に対してそのような奇妙な選択なのですか？ これは、摂氏スケールのゼロ値よりもはるかに奇妙な選択ではないことがわかりました。 0ケルビンは、すべての分子運動が停止する温度です。 それは理論的に可能な絶対最低温度です。
この観点から、ケルビンスケールは摂氏スケールよりもはるかに理にかなっています。 たとえば、距離の測定方法について考えてみてください。 0の値が1mのマークに相当する距離スケールを作成するのは奇妙です。 そのような規模で、何かが他の何かの2倍の長さになるとはどういう意味ですか？
温度対。 内部エネルギー
物質の総内部エネルギーは、そのすべての分子の運動エネルギーの合計です。 それは物質の温度（分子あたりの平均運動エネルギー）と物質の総量（分子の数）に依存します。
2つのオブジェクトが、まったく異なる温度でありながら、同じ総内部エネルギーを持つ可能性があります。 たとえば、より低温のオブジェクトは、分子あたりの平均運動エネルギーが低くなりますが、 分子が大きい場合でも、より暖かい物体と同じ総内部エネルギーで、より少ないエネルギーで終わる可能性があります 分子。
総内部エネルギーと温度の間のこの関係の驚くべき結果は、 マッチヘッドが非常に熱くても、氷のブロックは、点灯しているマッチヘッドよりも多くのエネルギーを消費する可能性があります。 火！
熱伝達の仕方
熱エネルギーが1つのオブジェクトから別のオブジェクトに移動する主な方法は3つあります。 それらは、伝導、対流、および放射です。
伝導互いに熱的に接触している2つの材料間でエネルギーが直接移動するときに発生します。 これは、この記事で前述したラバーボールの例えで発生する転送のタイプです。 2つのオブジェクトが直接接触している場合、エネルギーはそれらの分子間の衝突を介して転送されます。 このエネルギーは、熱平衡が達成されるまで、接触点から最初に冷たい物体の残りの部分にゆっくりと移動します。
ただし、すべての物体または物質がこのようにエネルギーを同じようにうまく伝導するわけではありません。 優れた熱伝導体と呼ばれる一部の材料は、優れた断熱材と呼ばれる他の材料よりも簡単に熱エネルギーを伝達できます。
あなたはおそらくあなたの日常生活の中でそのような導体や絶縁体を使った経験があるでしょう。 寒い冬の朝、タイルの床を裸足で踏むのは、カーペットを裸足で踏むのと比べてどうですか？ カーペットはどういうわけか暖かいようですが、そうではありません。 両方の床はおそらく同じ温度ですが、タイルははるかに優れた熱伝導体です。 このため、それは熱エネルギーがあなたの体をはるかに速く去る原因になります。
対流は、気体または流体で発生する熱伝達の一形態です。 気体、および程度は少ないが流体は、温度とともに密度が変化します。 通常、暖かいほど密度は低くなります。 このため、また気体や流体中の分子は自由に動くため、下部が温かくなると膨張し、密度が低いため上部に上昇します。
たとえば、ストーブの上に水を入れると、鍋の底の水が温まり、膨張し、冷たい水が沈むにつれて上に上がります。 次に、より冷たい水が温まり、膨張し、上昇するなどして、対流が発生し、混合によって熱エネルギーがシステム全体に分散します。 システム内の分子の数（分子が前後に揺れるのとほぼ同じ場所にとどまり、それぞれに跳ね返るのとは対照的に） その他。）
対流は、ヒーターが床の近くに配置されている場合、家を暖めるのに最適な理由です。 天井近くに設置されたヒーターは天井近くの空気を暖めますが、その空気はそのままになります。
熱伝達の3番目の形式は放射線. 放射線は電磁波を介したエネルギーの伝達です。 暖かい物体は、電磁放射の形でエネルギーを放出する可能性があります。 これは、たとえば、太陽からの熱エネルギーが地球に到達する方法です。 その放射線が別の物体と接触すると、その物体の原子はそれを吸収することによってエネルギーを得ることができます。
比熱容量
同じ質量の2つの異なる材料は、と呼ばれる量の違いにより、同じ総エネルギーが追加されているにもかかわらず、異なる温度変化を受けます。比熱容量. 比熱容量は、問題の材料によって異なります。 通常、テーブルで材料の比熱容量の値を調べます。
より正式には、比熱容量は、温度を摂氏1度上げるために単位質量あたりに追加する必要がある熱エネルギーの量として定義されます。 比熱容量のSI単位、通常はc、J / kgKです。
次のように考えてください。まったく同じ重さで、まったく同じ温度の2つの異なる物質があるとします。 最初の物質は比熱容量が高く、2番目の物質は比熱容量が低くなっています。 ここで、両方にまったく同じ量の熱エネルギーを追加するとします。 最初の物質（熱容量が高い物質）は、2番目の物質ほど温度が上昇しません。
温度変化に影響を与える要因
与えられた量の熱エネルギーが物質に伝達されたときに物質の温度がどのように変化するかに影響を与える多くの要因があります。 これらの要因には、材料の質量（質量が小さいほど、特定の熱量が追加されると温度変化が大きくなります）と比熱容量が含まれます。c.
電力を供給する熱源がある場合P、その後、追加される総熱はに依存しますPと時間t. つまり、熱エネルギーQ等しくなりますP × t.
温度変化の速度は、考慮すべきもう1つの興味深い要素です。 オブジェクトは一定の速度で温度を変化させますか？ 変化率は、物体とその周囲の温度差に依存することがわかります。 ニュートンの冷却の法則は、この変化を説明しています。 物体が周囲の温度に近いほど、平衡に近づくのが遅くなります。
温度変化と相変化
温度の変化をオブジェクトの質量、比熱容量、および追加または削除された熱エネルギーに関連付ける式は次のとおりです。
Q = mc \ Delta T
ただし、この式は、物質が相変化を受けていない場合にのみ適用されます。 物質が固体から液体に変化するとき、または液体から気体に変化するとき、それに加えられる熱が加えられます この相変化を引き起こすために使用し、相変化が コンプリート。
融解潜熱と呼ばれる量で、Lfは、物質を固体から液体に変えるために必要な単位質量あたりの熱エネルギーの量を表します。 比熱容量と同様に、その値は問題の材料の物理的特性に依存し、多くの場合、表で調べられます。 熱エネルギーに関する方程式Q材料の質量にm融解潜熱は次のとおりです。
Q = mL_f
液体から気体に変更するときにも同じことが起こります。 このような状況では、蒸発潜熱と呼ばれる量が示されますLvは、相変化を引き起こすために追加する必要がある単位質量あたりのエネルギー量を示します。 結果の方程式は、添え字を除いて同じです。
Q = mL_v
熱、仕事、および内部エネルギー
内部エネルギーEは、材料の全内部運動エネルギー、または熱エネルギーです。 分子間の位置エネルギーが無視できる理想気体を仮定すると、次の式で与えられます。
E = \ frac {3} {2} nRT
どこnモル数です、Tはケルビンの温度と普遍的な気体定数ですR= 8.3145 J / molK。 内部エネルギーは絶対零度で0Jになります。
熱力学では、内部エネルギーの変化、伝達される熱、およびシステム上で、またはシステムによって行われる仕事の間の関係は、次のように関連しています。
\ Delta E = Q-W
この関係は、熱力学の第1法則として知られています。 本質的に、それはエネルギー保存の法則です。