열 (물리): 정의, 공식 및 예

모두가 너무 덥거나 너무 춥거나 더운 날 태양의 열기를 느끼는 개념에 익숙하지만 "더위"라는 단어는 구체적으로 무엇을 의미합니까? "뜨거운"물건의 속성입니까? 온도와 같은가요? 열은 물리학 자들이 정확하게 정의한 측정 가능한 양이라는 것이 밝혀졌습니다.

열은 과학자들이 서로 다른 온도의 두 물질 사이에서 전달되는 에너지의 형태라고 부르는 것입니다. 이러한 에너지 전달은 두 물질에서 분자 당 평균 병진 운동 에너지의 차이로 인해 발생합니다. 열 평형에 도달 할 때까지 열이 더 높은 온도의 재료에서 더 낮은 온도의 재료로 흐릅니다. 열의 SI 단위는 줄이며, 여기서 1 줄 = 1 뉴턴 × 미터입니다.

이 에너지 전달이 발생할 때 무슨 일이 일어나고 있는지 더 잘 이해하려면 다음 시나리오를 상상해보십시오. 두 개의 서로 다른 용기가 사방으로 튀는 작은 고무 공으로 채워져 있습니다. 컨테이너 중 하나에서 볼의 평균 속도 (따라서 평균 운동 에너지)는 두 번째 볼의 평균 속도보다 훨씬 큽니다. 컨테이너 (개별 공의 속도는 어느 시점에서든 어떤 것이 든 될 수 있지만 너무 많은 충돌로 인해 서로간에 지속적인 에너지 전달이 발생하기 때문입니다. 불알.)

측면이 닿도록이 용기를 배치 한 다음 내용물을 분리하는 벽을 제거하면 어떤 일이 발생할 것으로 예상합니까?

첫 번째 컨테이너의 볼이 두 번째 컨테이너의 볼과 상호 작용하기 시작합니다. 볼 사이의 충돌이 점점 더 많이 발생함에 따라 두 컨테이너에서 볼의 평균 속도가 점차 동일 해집니다. 이 새로운 평형에 도달 할 때까지 첫 번째 컨테이너의 볼에서 나온 에너지 중 일부는 두 번째 컨테이너의 볼로 전달됩니다.

이것은 본질적으로 서로 다른 온도의 두 물체가 서로 접촉 할 때 미세한 수준에서 일어나는 일입니다. 고온에서 물체의 에너지는 열의 형태로 저온 물체로 전달됩니다.

온도는 물질의 분자 당 평균 병진 운동 에너지의 척도입니다. 볼-인-컨테이너 비유에서 이는 주어진 컨테이너에서 볼당 평균 운동 에너지의 척도입니다. 분자 수준에서 원자와 분자는 모두 진동하고 흔들립니다. 이 동작은 아주 작은 규모로 일어나기 때문에 볼 수 없습니다.

일반적인 온도 눈금은 화씨, 섭씨 및 켈빈이며, 켈빈이 과학적 표준입니다. 화씨 눈금은 미국에서 가장 일반적입니다. 이 척도에서 물은 32도에서 얼고 212도에서 끓습니다. 세계 대부분의 다른 지역에서 흔히 볼 수있는 섭씨 눈금에서 물은 0도에서 얼고 100도에서 끓습니다.

그러나 과학적 표준은 켈빈 척도입니다. 켈빈 눈금의 증분 크기는 섭씨 눈금의 각도 크기와 같지만 0 값은 다른 위치에 설정됩니다. 0 켈빈은 섭씨 -273.15 도입니다.

0에 대해 왜 그렇게 이상한 선택입니까? 이것은 섭씨 눈금의 0 값보다 훨씬 이상한 선택이 아닙니다. 0 켈빈은 모든 분자 운동이 멈추는 온도입니다. 이론적으로 가능한 가장 추운 온도입니다.

이 관점에서 켈빈 눈금은 섭씨 눈금보다 훨씬 더 의미가 있습니다. 예를 들어 거리가 어떻게 측정되는지 생각해보십시오. 0 값이 1m 표시와 동일한 거리 척도를 만드는 것은 이상 할 것입니다. 그런 척도에서 어떤 것이 다른 것의 두 배 길이라는 것은 무엇을 의미할까요?

물질의 총 내부 에너지는 모든 분자의 운동 에너지의 총합입니다. 물질의 온도 (분자 당 평균 운동 에너지)와 물질의 총량 (분자 수)에 따라 다릅니다.

두 물체가 완전히 다른 온도를 가지면서 동일한 총 내부 에너지를 가질 수 있습니다. 예를 들어, 차가운 물체는 분자 당 평균 운동 에너지가 더 낮지 만 분자가 크면 더 적은 수의 따뜻한 물체의 동일한 총 내부 에너지로 끝날 수 있습니다. 분자.

총 내부 에너지와 온도 간의 이러한 관계의 놀라운 결과는 얼음 덩어리는 성냥 머리가 너무 뜨거워도 켜져 있더라도 불이 켜진 성냥 머리보다 더 많은 에너지로 끝날 수 있습니다. 불!

열 에너지가 한 물체에서 다른 물체로 전달되는 세 가지 주요 방법이 있습니다. 그들은 전도, 대류 및 복사입니다.

​전도에너지가 서로 열 접촉하는 두 재료 사이에서 직접 전달 될 때 발생합니다. 이것은이 기사의 앞부분에서 설명한 고무 볼 비유에서 발생하는 전송 유형입니다. 두 물체가 직접 접촉하면 분자 간의 충돌을 통해 에너지가 전달됩니다. 이 에너지는 열 평형에 도달 할 때까지 접촉 지점에서 초기 냉각기의 나머지 물체로 천천히 이동합니다.

그러나 모든 물체 나 물질이 이러한 방식으로 에너지를 똑같이 잘 전달하는 것은 아닙니다. 좋은 열 전도체라고하는 일부 재료는 좋은 열 절연체라고하는 다른 재료보다 열 에너지를 더 쉽게 전달할 수 있습니다.

일상 생활에서 이러한 도체 및 절연체에 대한 경험이있을 것입니다. 추운 겨울 아침에 타일 바닥을 맨발로 밟는 것은 카펫을 맨발로 밟는 것과 어떻게 비교할까요? 카펫이 다소 따뜻한 것처럼 보이지만 그렇지 않습니다. 두 층 모두 온도가 같을 가능성이 있지만 타일은 훨씬 더 나은 열 전도체입니다. 이로 인해 열 에너지가 몸에서 훨씬 더 빨리 빠져 나가게됩니다.

​전달가스 또는 유체에서 발생하는 열 전달의 한 형태입니다. 가스와 유체는 온도에 따라 밀도의 변화를 경험합니다. 일반적으로 따뜻할수록 밀도가 낮아집니다. 이로 인해 가스와 유체의 분자가 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 바닥 부분이 따뜻해지면 밀도가 낮아 팽창하여 위쪽으로 올라갑니다.

예를 들어, 스토브에 물 냄비를 놓으면 팬 바닥의 물이 예열되고, 팽창하고, 차가운 물이 가라 앉으면 서 위로 올라갑니다. 그런 다음 더 차가운 물이 따뜻해지고, 팽창하고, 상승하는 식으로 열 에너지가 혼합을 통해 시스템을 통해 분산되도록하는 대류를 생성합니다. 시스템 내 분자의 수 (모든 분자가 앞뒤로 흔들리면서 거의 같은 위치에 머무르는 것과는 반대로 다른.)

대류는 히터가 바닥 근처에있을 때 집을 데우기 위해 가장 잘 작동하는 이유입니다. 천장 근처에 히터를 설치하면 천장 근처의 공기가 따뜻해 지지만 그 공기는 그대로 유지됩니다.

세 번째 형태의 열전달은방사능. 방사선은 전자기파를 통한 에너지 전달입니다. 따뜻한 물체는 전자기 복사의 형태로 에너지를 방출 할 수 있습니다. 예를 들어 이것은 태양의 열 에너지가 지구에 도달하는 방법입니다. 방사선이 다른 물체와 접촉하면 그 물체의 원자는 그것을 흡수하여 에너지를 얻을 수 있습니다.

동일한 질량의 두 가지 다른 재료는라는 양의 차이로 인해 동일한 총 에너지가 추가 되었음에도 불구하고 다른 온도 변화를 겪습니다.비열 용량. 비열 용량은 해당 재료에 따라 다릅니다. 일반적으로 테이블에서 재료의 비열 용량 값을 조회합니다.

보다 공식적으로, 비열 용량은 온도를 섭씨 1도 올리기 위해 단위 질량 당 추가해야하는 열 에너지의 양으로 정의됩니다. 일반적으로 다음으로 표시되는 비열 용량에 대한 SI 단위씨, J / kgK입니다.

다음과 같이 생각해보십시오. 무게가 똑같고 온도도 똑같은 두 가지 물질이 있다고 가정합니다. 첫 번째 물질은 비열 용량이 높고 두 번째 물질은 비열 용량이 낮습니다. 이제 두 가지 모두에 정확히 동일한 양의 열 에너지를 추가한다고 가정합니다. 열용량이 더 높은 첫 번째 물질은 두 번째 물질만큼 온도가 올라가지 않습니다.

주어진 양의 열 에너지가 물질로 전달 될 때 물질의 온도가 어떻게 변하는 지에 영향을 미치는 많은 요소가 있습니다. 이러한 요소에는 재료의 질량 (더 작은 질량은 추가 된 열의 양에 따라 더 큰 온도 변화를 겪음) 및 비열 용량이 포함됩니다.씨​.

전원을 공급하는 열원이있는 경우피, 추가 된 총 열은 다음에 따라 달라집니다.피그리고 시간티. 즉, 열 에너지큐같을 것이다피​ × ​티​.

온도 변화율은 고려해야 할 또 다른 흥미로운 요소입니다. 물체가 일정한 속도로 온도를 변경합니까? 변화율은 물체와 주변의 온도 차이에 따라 달라집니다. 뉴턴의 냉각 법칙은 이러한 변화를 설명합니다. 물체가 주변 온도에 가까울수록 평형에 가까워집니다.

온도 변화를 물체의 질량, 비열 용량 및 추가 또는 제거 된 열 에너지와 관련시키는 공식은 다음과 같습니다.

그러나이 공식은 물질이 상 변화를 겪지 않는 경우에만 적용됩니다. 물질이 고체에서 액체로 변하거나 액체에서 기체로 변할 때 추가 된 열이 가해집니다. 이 상 변화를 일으키는 데 사용하고 상 변화가 될 때까지 온도 변화를 일으키지 않습니다. 완전한.

융합 잠열이라고하는 양,엘_에프, 물질을 고체에서 액체로 바꾸는 데 필요한 단위 질량 당 열 에너지의 양을 설명합니다. 비열 용량과 마찬가지로 그 값은 해당 재료의 물리적 특성에 따라 달라지며 종종 표에서 조회됩니다. 열 에너지와 관련된 방정식큐물질의 질량에미디엄융합의 잠열은 다음과 같습니다.

액체에서 기체로 변경할 때도 똑같은 일이 발생합니다. 이러한 상황에서 기화 잠열이라고하는 양은 다음과 같이 표시됩니다.엘_V, 위상 변화를 일으키기 위해 추가해야하는 단위 질량 당 에너지의 양을 설명합니다. 결과 방정식은 아래 첨자를 제외하고 동일합니다.

내부 에너지이자형재료의 총 내부 운동 에너지 또는 열 에너지입니다. 분자 사이의 위치 에너지가 무시할 수있는 이상 기체를 가정하면 다음 공식에 따라 계산됩니다.

어디엔두더지의 수,티켈빈의 온도와 보편적 인 기체 상수아르 자형= 8.3145 J / molK. 내부 에너지는 절대 0K에서 0J가됩니다.

열역학에서 내부 에너지의 변화, 열 전달 및 시스템에서 수행되는 작업 간의 관계는 다음을 통해 관련됩니다.

이 관계는 열역학 제 1 법칙으로 알려져 있습니다. 본질적으로 그것은 에너지 보존에 대한 진술입니다.