사람들은 때때로 용어를 사용합니다.열과온도교환 할 수 있습니다. 그들은 열을 단어와 연관시킵니다.뜨거운어떤 것의 "뜨거움"또는 "차가움"과 관련된 온도를 이해합니다. 아마도 봄날의 기온이 적당량의 열이기 때문에 적당하다고 말할 것입니다.
그러나 물리학에서이 두 양은 서로 매우 다릅니다. 둘 다 열적 특성에 대한 이해를 알릴 수 있지만 동일한 측정 값이 아니며 동일한 단위가 없습니다.
내부 에너지
기본적인 수준에서 열과 온도를 이해하려면 먼저 내부 에너지의 개념을 이해하는 것이 중요합니다. 운동으로 인한 운동 에너지를 갖는 물체 또는 주어진 물체 내에서 분자 자체의 위치는 또한 운동과 잠재력의 형태를 가질 수 있습니다 에너지.
이 분자 운동 및 위치 에너지는 벽돌을 볼 때 볼 수있는 것과는 별개입니다. 바닥에 앉아있는 벽돌은 움직이지 않는 것처럼 보이며 이와 관련된 운동 에너지 나 위치 에너지가 없다고 가정 할 수 있습니다. 그리고 실제로 기본 역학에 대한 이해의 의미가 아닙니다.
그러나 벽돌 자체는 여러분이 볼 수없는 여러 종류의 작은 움직임을 개별적으로 겪고있는 많은 분자들로 구성되어 있습니다. 분자는 다른 분자와의 근접성 및 그들 사이에 가해지는 힘으로 인해 위치 에너지를 경험할 수도 있습니다. 이 벽돌의 총 내부 에너지는 분자 자체의 운동 에너지와 잠재적 에너지의 합입니다.
이미 배웠 듯이 에너지는 보존됩니다. 물체에 마찰이나 소산 력이 작용하지 않는 경우 기계적 에너지도 보존됩니다. 즉, 운동 에너지는 위치 에너지로 또는 그 반대로 변할 수 있지만 총체는 일정하게 유지됩니다. 그러나 마찰과 같은 힘이 작용하면 총 기계적 에너지가 감소하는 것을 알 수 있습니다. 이것은 에너지가 소리 에너지 또는 열 에너지와 같은 다른 형태를 취했기 때문입니다.
추운 날에 손을 비비면 기계적 에너지를 열 에너지로 변환합니다. 즉, 서로 대항하여 움직이는 손의 운동 에너지는 형태가 바뀌고 서로에 대해 손에있는 분자의 운동 에너지가되었습니다. 손에있는 분자의이 운동 에너지의 평균은 과학자들이 온도로 정의하는 것입니다.
온도의 정의
온도는 물질의 분자 당 평균 운동 에너지를 측정 한 것입니다. 그것은 위치 에너지를 포함하지 않고 물질의 총 에너지의 척도가 아니기 때문에 물질의 내부 에너지와 동일하지 않습니다. 대신 총 운동 에너지를 분자 수로 나눈 값입니다. 따라서 그것은 당신이 가지고있는 것의 양 (총 내부 에너지처럼)이 아니라 물질의 평균 분자가 운반하는 운동 에너지의 양에 달려 있습니다.
온도는 다양한 단위로 측정 할 수 있습니다. 그중에는 미국과 다른 몇몇 지역에서 가장 흔한 화씨가 있습니다. 화씨 눈금에서 물은 32도에서 얼고 212에서 끓습니다. 또 다른 일반적인 척도는 섭씨 척도이며 전 세계 여러 곳에서 사용됩니다. 이 스케일에서 물은 0도에서 얼고 100도에서 끓습니다 (이 스케일이 어떻게 고안되었는지에 대한 매우 명확한 아이디어를 제공합니다).
그러나 과학적 표준은 켈빈 척도입니다. 켈빈 스케일의 증분 크기는 섭씨 도와 같지만 켈빈 스케일은 모든 분자 운동이 멈추는 절대 0이라는 온도에서 시작합니다. 즉, 가능한 가장 낮은 온도에서 시작됩니다.
섭씨 0 도는 켈빈 척도로 273.15입니다. 켈빈 척도는 정당한 이유로 과학적 표준입니다. 어떤 것이 섭씨 0도에 있다고 가정합니다. 두 번째 물체가 온도의 두 배라는 것은 무엇을 의미할까요? 그 항목도 섭씨 0 도입니까? 켈빈 척도에서이 개념은 문제를 일으키지 않으며, 절대 0에서 시작하기 때문입니다.
열의 정의
온도가 다른 두 가지 물질 또는 물체를 고려하십시오. 이것은 무엇을 의미 하는가? 이것은 평균적으로 물질 중 하나 (고온 물질)의 분자가 저온의 분자보다 더 큰 평균 운동 에너지로 이동 물질.
이 두 물질이 접촉하면 미세한 충돌이 발생함에 따라 에너지가 물질 사이에서 평균을 내기 시작합니다. 처음에 더 높은 온도에 있던 물질은 다른 물질이 같은 온도가 될 때까지 온도가 상승함에 따라 냉각됩니다. 과학자들은 이것을 최종 상태라고 부릅니다.열 평형.
따뜻한 물체에서 시원한 물체로 전달되는 열 에너지는 과학자들이 열이라고 부르는 것입니다. 열은 서로 다른 온도에있는 두 재료간에 전달되는 에너지의 형태입니다. 열 평형에 도달 할 때까지 열은 항상 높은 온도의 재료에서 낮은 온도의 재료로 흐릅니다.
열은 에너지의 한 형태이므로 열의 SI 단위는 줄입니다.
열과 온도의 차이
이전 정의에서 보았 듯이 열과 온도는 실제로 두 가지 별개의 물리적 측정입니다. 다음은 차이점 중 일부일뿐입니다.
그들은 다른 단위로 측정됩니다.온도의 SI 단위는 Kelvin이고 열의 SI 단위는 줄입니다. 켈빈은 기본 단위로 간주되어 다른 기본 단위의 조합으로 나눌 수 없습니다. 줄은 kgm과 같습니다.2/에스2.
그들은 분자 수에 대한 의존성이 다릅니다.온도는 분자 당 평균 운동 에너지의 척도입니다. 즉, 온도를 말할 때 물질의 양은 중요하지 않습니다. 그러나 물질간에 전달 될 수있는 열 에너지의 양은 보유한 각 물질의 양에 따라 크게 달라집니다.
그들은 다른 유형의 변수입니다.온도는 상태 변수로 알려져 있습니다. 즉, 물질이나 물체가있는 상태를 정의합니다. 반면에 열은 프로세스 변수입니다. 이것은 발생하는 과정을 설명합니다.이 경우에는 에너지가 전달됩니다. 모든 것이 평형을 이룰 때 열에 대해 말하는 것은 말이되지 않습니다.
그들은 다르게 측정됩니다.온도는 일반적으로 열팽창을 사용하여 눈금의 판독 값을 변경하는 장치 인 온도계로 측정됩니다. 반면에 열은 열량계로 측정됩니다.
열과 온도의 유사점 및 관계.
그러나 열과 온도는 서로 전혀 관련이 없습니다.
둘 다 열역학에서 중요한 양입니다.열 에너지 연구는 온도 측정 능력과 열 전달을 추적하는 능력에 의존합니다.
열 전달은 온도 차이로 인해 발생합니다.두 물체가 다른 온도에있을 때, 열 에너지는 열 평형에 도달 할 때까지 따뜻한 물체에서 차가운 물체로 전달됩니다. 따라서 이러한 온도 차이는 열 전달의 동인입니다.
그들은 함께 증가하고 감소하는 경향이 있습니다.시스템에 열이 가해지면 온도가 올라갑니다. 시스템에서 열이 제거되면 온도가 내려갑니다. (이에 대한 한 가지 예외는 상전이에서 발생하며, 이 경우 열 에너지가 온도 변화 대신 상전이를 유발하는 데 사용됩니다.)
그것들은 방정식으로 서로 관련되어 있습니다.열 에너지큐온도 변화와 관련이 있습니다.ΔT방정식 Q = mcΔT를 통해미디엄물질의 질량이며씨비열 용량 (즉, 특정 물질에 대해 단위 질량을 켈빈 단위로 올리는 데 필요한 열 에너지의 양을 측정 한 것입니다.)
열, 온도 및 총 내부 에너지
내부 에너지는 총 내부 운동 및 위치 에너지 또는 재료의 열 에너지입니다. 분자 사이의 위치 에너지가 무시할 수있는 이상 기체의 경우 내부 에너지이자형공식 E = 3 / 2nRT로 주어집니다.엔기체의 몰수와 보편적 기체 상수아르 자형= 8.3145 J / molK.
내부 에너지와 온도 사이의 관계는 온도가 증가함에 따라 열 에너지가 증가한다는 것을 보여줍니다. 내부 에너지도 절대 0 켈빈에서 0이됩니다.
내부 에너지의 변화를보기 시작하면 열이 그림에 나타납니다. 열역학의 첫 번째 법칙은 다음과 같은 관계를 제공합니다.
\ 델타 E = Q-W
어디큐시스템에 추가 된 열이며W시스템이 수행하는 작업입니다. 본질적으로 이것은 에너지 보존에 대한 진술입니다. 열 에너지를 추가하면 내부 에너지가 증가합니다. 시스템이 주변에서 작동하면 내부 에너지가 감소합니다.
열 에너지의 함수로서의 온도
앞서 언급했듯이 시스템에 추가 된 열 에너지는 일반적으로 시스템이 상 변화를 겪지 않는 한 해당 온도 상승을 초래합니다. 이를 더 자세히 살펴 보려면 일정한 속도로 열 에너지가 추가됨에 따라 빙점 아래에서 시작하는 얼음 블록을 고려하십시오.
얼음 덩어리가 얼어 붙을 때까지 열에너지가 계속 추가되면 상 변화를 거쳐 물이되고 끓는점에 도달 할 때까지 계속 예열되어 증기가되는 또 다른 상 변화를 겪습니다. 열은 다음과 같이 보일 것입니다.
얼음이 영하에있는 동안 열 에너지와 온도 사이에는 선형 관계가 있습니다. 방정식 Q = mcΔT가 주어지면 이는 당연한 일입니다. 그러나 얼음이 빙결 온도에 도달하면 추가 된 열 에너지를 사용하여 위상을 변경해야합니다. 열이 계속 추가 되더라도 온도는 일정하게 유지됩니다. 고체에서 액체로의 상 변화 동안 열 에너지를 질량과 관련시키는 방정식은 다음과 같습니다.
Q = mL_f
어디엘에프융합 잠열-고체에서 액체로의 변화를 유발하기 위해 단위 질량 당 필요한 에너지의 양과 관련된 상수입니다.
따라서 열량이 다음과 같을 때까지mL에프추가되면 온도가 일정하게 유지됩니다.
얼음이 모두 녹 으면 끓는점에 도달 할 때까지 온도가 다시 선형으로 상승합니다. 여기서 다시 액체에서 기체로의 상 변화가 발생합니다. 이 상 변화 동안 열과 질량을 관련시키는 방정식은 매우 유사합니다.
어디엘V기화 잠열-액체에서 기체로의 변화를 유발하기 위해 단위 질량 당 필요한 에너지 양과 관련된 상수입니다. 따라서 충분한 열 에너지가 추가 될 때까지 온도가 다시 일정하게 유지됩니다. 이번에는 더 오래 일정하게 유지됩니다. 그 이유는엘V일반적으로엘에프물질을 위해.
그래프의 마지막 부분은 이전과 동일한 선형 관계를 다시 보여줍니다.