人々は時々用語を使用します熱そして温度交換可能に。 彼らは熱を言葉と関連付けますホット温度は、何かの「熱さ」または「冷たさ」にも関連していると理解してください。 たぶん、春の日の気温はちょうどいい量なので、ちょうどいい感じだと言うでしょう。
ただし、物理学では、これら2つの量は互いにまったく異なります。 これらは同じものの測定値ではなく、同じ単位もありませんが、どちらも熱特性の理解に役立ちます。
内部エネルギー
熱と温度を基本的に理解するためには、まず内部エネルギーの概念を理解することが重要です。 あなたはそれらの動きによる運動エネルギー、またはによるポテンシャルエネルギーを持っているオブジェクトに精通しているかもしれませんが 与えられたオブジェクト内でのそれらの位置、分子自体も運動とポテンシャルの形を持つことができます エネルギー。
この分子の運動エネルギーと位置エネルギーは、たとえばレンガを見たときに見えるものとは別のものです。 地面に座っているレンガは動かないように見え、運動エネルギーや位置エネルギーが関連付けられていないと思われるかもしれません。 実際、基本的な仕組みを理解しているという意味ではありません。
しかし、レンガ自体は、あなたが見ることができないさまざまな種類の小さな動きを個別に受けている多くの分子で構成されています。 分子はまた、他の分子に近接していること、およびそれらの間に加えられる力のために、位置エネルギーを経験する可能性があります。 このレンガの総内部エネルギーは、分子自体の運動エネルギーと位置エネルギーの合計です。
ご存知かもしれませんが、エネルギーは節約されています。 摩擦や散逸力が物体に作用しない場合、機械的エネルギーも節約されます。 つまり、運動エネルギーは位置エネルギーに、またはその逆に変化する可能性がありますが、合計は一定のままです。 ただし、摩擦などの力が作用すると、総力学的エネルギーが減少することに気付く場合があります。 これは、エネルギーが音響エネルギーや熱エネルギーなどの他の形をとったためです。
寒い日に手をこすり合わせると、力学的エネルギーが熱エネルギーに変換されます。 つまり、互いに反対方向に動く手の運動エネルギーは形を変え、手の分子の運動エネルギーになりました。 あなたの手の分子のこの運動エネルギーの平均は、科学者が温度として定義するものです。
温度の定義
温度は、物質内の分子あたりの平均運動エネルギーの尺度です。 位置エネルギーが含まれておらず、物質の総エネルギーの尺度でもないため、物質の内部エネルギーと同じではないことに注意してください。 代わりに、それは分子の数で割った総運動エネルギーです。 そのため、それはあなたが持っているものの量（総内部エネルギーのように）ではなく、物質の平均的な分子が運んでいる運動エネルギーの量に依存します。
温度は多くの異なる単位で測定できます。 これらの中には、米国および他のいくつかの場所で最も一般的な華氏があります。 華氏スケールでは、水は32度で凍結し、212度で沸騰します。 もう1つの一般的なスケールは、世界の他の多くの場所で使用されている摂氏スケールです。 このスケールでは、水は0度で凍結し、100度で沸騰します（これにより、このスケールがどのように考案されたかがかなり明確にわかります）。
しかし、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度と同じですが、ケルビンスケールは絶対零度と呼ばれる温度で始まり、そこですべての分子運動が停止します。 言い換えれば、それは可能な限り低い温度で始まります。
摂氏0度はケルビンスケールで273.15です。 ケルビンスケールは、正当な理由から科学的な基準です。 何かが摂氏0度にあると仮定します。 2番目の物体が2倍の温度であるとはどういう意味ですか？ そのアイテムも摂氏0度になりますか？ ケルビンスケールでは、この概念は問題を引き起こしません。これは、絶対零度から始まるからです。
熱の定義
異なる温度の2つの物質または物体を考えてみましょう。 これは何を意味するのでしょうか？ これは、平均して、物質の1つ（高温のもの）の分子が 低温の分子よりも大きな平均運動エネルギーで動き回る 物質。
当然のことながら、これら2つの物質が接触すると、微視的な衝突が発生するにつれて、エネルギーは物質間で平均化され始めます。 最初は高温であった物質は、他の物質の温度が上昇するにつれて、両方が同じ温度になるまで冷却されます。 科学者たちはこれを最終状態と呼んでいます熱平衡.
暖かい物体から冷たい物体に伝達される熱エネルギーは、科学者が熱と呼んでいるものです。 熱は、温度が異なる2つの材料間で伝達されるエネルギーの形態です。 熱は常に、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。
熱はエネルギーの一形態であるため、熱のSI単位はジュールです。
熱と温度の違い
前の定義で見たように、熱と温度は確かに2つの異なる物理的尺度です。 これらはそれらの違いのほんの一部です：
それらは異なる単位で測定されます。温度のSI単位はケルビンで、熱のSI単位はジュールです。 ケルビンは基本単位と見なされます。つまり、他の基本単位の組み合わせに分解することはできません。 ジュールはkgmに相当します2/ s2.
それらは分子の数への依存性が異なります。温度は、分子あたりの平均運動エネルギーの尺度です。つまり、温度について話しているときに、物質の量は関係ありません。 ただし、物質間で伝達される可能性のある熱エネルギーの量は、各物質の量によって大きく異なります。
それらは異なるタイプの変数です。温度は状態変数として知られています。 つまり、物質またはオブジェクトが存在する状態を定義します。 一方、熱はプロセス変数です。 発生しているプロセス、この場合は伝達されているエネルギーについて説明します。 すべてが平衡状態にあるときに熱について話すのは意味がありません。
それらは異なって測定されます。温度は温度計で測定されます。温度計は通常、熱膨張を利用してはかりの読み取り値を変更するデバイスです。 一方、熱は熱量計で測定されます。
熱と温度の類似点と関係。
ただし、熱と温度は完全に無関係ではありません。
これらは両方とも熱力学において重要な量です。熱エネルギーの研究は、温度を測定する能力と、熱伝達を追跡する能力に依存しています。
熱伝達は温度差によって駆動されます。2つの物体の温度が異なる場合、熱エネルギーは、熱平衡に達するまで、暖かい方から冷たい方に移動します。 そのため、これらの温度差が熱伝達の原動力になります。
それらは一緒に増加および減少する傾向があります。システムに熱が加えられると、温度が上昇します。 システムから熱が取り除かれると、温度が下がります。 （これに対する1つの例外は、相転移で発生します。この場合、温度の変化ではなく、熱エネルギーを使用して相転移を引き起こします。）
それらは方程式によって互いに関連しています。熱エネルギーQ温度の変化に関連していますΔT式Q =mcΔTを介してここでm物質の質量であり、cはその比熱容量（つまり、特定の物質の単位質量をケルビン度上げるのに必要な熱エネルギー量の尺度）です。
熱、温度、および総内部エネルギー
内部エネルギーは、材料の内部運動エネルギーと位置エネルギー、または熱エネルギーの合計です。 分子間の位置エネルギーが無視できる理想気体の場合、内部エネルギーE式E = 3 / 2nRTで与えられます。ここで、nはガスのモル数と普遍的なガス定数ですR= 8.3145 J / molK。
内部エネルギーと温度の関係は、当然のことながら、温度が上昇すると熱エネルギーが増加することを示しています。 内部エネルギーも絶対零度ケルビンで0になります。
内部エネルギーの変化を見始めると、熱が浮かび上がります。 熱力学の第1法則は、次の関係を与えます。
\ Delta E = Q-W
どこQシステムに追加される熱であり、Wシステムによって行われる作業です。 本質的に、これはエネルギー保存の法則です。 熱エネルギーを加えると、内部エネルギーが増加します。 システムが周囲で機能する場合、内部エネルギーは減少します。
熱エネルギーの関数としての温度
前述のように、システムに追加された熱エネルギーは、システムが相変化を受けていない限り、通常、対応する温度上昇をもたらします。 これをより詳しく見るために、熱エネルギーが一定の割合で追加されるときに氷点下から始まる氷のブロックを考えてみましょう。
氷の塊が氷点下まで温まる間、熱エネルギーが継続的に加えられると、相変化を経て水になり、その後 沸騰するまでウォームアップを続け、そこで別の相変化を起こして蒸気になります。温度とのグラフです。 熱は次のようになります。
氷が氷点下にある間、熱エネルギーと温度の間には線形の関係があります。 方程式Q =mcΔTを考えると、これは当然のことですが、驚くべきことではありません。 ただし、氷が氷点下に達すると、相変化を助けるために追加された熱エネルギーを使用する必要があります。 熱が加えられていても、温度は一定に保たれます。 固体から液体への相変化中の熱エネルギーを質量に関連付ける方程式は次のとおりです。
Q = mL_f
どこLfは融解潜熱です。これは、固体から液体への変化を引き起こすために単位質量あたりに必要なエネルギー量に関連する定数です。
だから、熱量が等しいまでmLf追加された場合、温度は一定に保たれます。
すべての氷が溶けると、温度は沸点に達するまで再び直線的に上昇します。 ここでも、今度は液体から気体への相変化が起こります。 この相変化中の熱と質量を関連付ける方程式は非常に似ています。
どこLvは蒸発潜熱です。これは、液体から気体への変化を引き起こすために単位質量あたりに必要なエネルギー量に関連する定数です。 したがって、十分な熱エネルギーが追加されるまで、温度は再び一定に保たれます。 今回は一定のままであることに注意してください。 それはLv通常より高いLf物質のために。
グラフの最後の部分も、以前と同じ線形関係を示しています。
