Tikriausiai esate susipažinę su termometrais ir temperatūrų matavimu, karščio ir šalčio jausmu bei tuo, ko reikia vandeniui užvirinti. Dabar atėjo laikas išplėsti intuityvų šilumos ir temperatūros supratimą ir sužinoti, kaip tai daro fizikai.
Šioje terminės fizikos įžangoje sužinosite, kas yra šiluma ir temperatūra, taip pat kokius reiškinius ta fizikos šaka taiko.
Šilumos ir temperatūros tyrimas
Terminė fizika yra tyrimas šiluma ir temperatūra. Šiluma apibrėžiama kaip energija, perduodama tarp dviejų skirtingų temperatūrų objektų - pereinant nuo šilto objekto prie vėsesnio objekto.
Šiluma yra šiluminės energijos rūšis. Šiluminė energija yra energija, susijusi su molekuliniu judesiu objekte. Bet kurio objekto viduje molekulės ne tiesiog stovi vietoje; nors regimai nematote judesio, visi jie sukinėjasi ir atsimuša vienas į kitą.
Temperatūra yra vidutinė molekulės kinetinės energijos matas. Jums gali būti žinoma, kaip jį matuoti Fahrenheito ar net Celsijaus laipsniais, tačiau mokslininkams labiau patinka SI vienetas yra Kelvinas.
Iš viso vidinė energija daiktas priklauso nuo jo masės, temperatūros ir savitoji šilumos talpa. Savitasis šilumos pajėgumas yra tai, kiek šilumos energijos reikia norint pakelti masės vieneto temperatūrą 1 laipsniu. Skirtingų medžiagų savitoji šiluminė galia skiriasi, o bet kurios medžiagos šiluminę galią paprastai galima rasti lentelėje.
Šilumos perdavimas
Šiluma gali pereiti iš vieno objekto į kitą trimis pagrindiniais būdais. Šitie yra:
- Laidumas
- Konvekcija
- Spinduliavimas
Laidumo metu du objektai yra fiziniame kontakte, o šilumos energija iš šilto objekto pereina į vėsesnį objektą, susidarant tiesioginiams daiktų molekulių susidūrimams.
Konvekcijoje šiluma perduodama konvekcinėmis srovėmis. Tai atsitinka, kai verdate vandenį ant viryklės. Keptuvės dugne esantis vanduo pirmiausia sušyla, o sušilus išsiplečia ir tampa nebe toks tankus. Būdamas mažiau tankus, jis kyla į keptuvės viršų, kai vėsesnis vanduo nuskęsta, o po to sušyla.
Spinduliuojant šilumos energija perduodama per elektromagnetinę spinduliuotę. Taip jūs gaunate energiją iš saulės. Ta energija kaip spinduliavimas keliauja per kosmoso vakuumą, kuri paskui sušildo Žemę.
Fazių pokyčiai
Šilumos energijai pridedant medžiagų, jų temperatūra pakyla. Tam tikrais momentais, vadinamas fazių perėjimai, medžiagos keitimo fazė. Medžiagos gali keistis iš kietos į skystą ir iš skystos į dujas ir net iš dujų į plazmą.
Temperatūra, kurioje įvyksta fazių pokytis, priklauso nuo pačios medžiagos ir slėgio sąlygų. Tai tiriama naudojant fazių diagramą.
Energijos kiekis, reikalingas medžiagos fazei pakeisti, priklauso nuo latentinės medžiagos šilumos. Latentinė medžiagos susiliejimo šiluma yra šilumos energijos kiekis, reikalingas tos medžiagos masės vienetui pakeisti iš kietos į skystą. Latentinė medžiagos garavimo šiluma yra šilumos energijos kiekis, reikalingas jai pakeisti iš skysčio į dujas.
Termodinamika
Terminė fizika galiausiai veda į termodinamikos tyrimą, kuris yra fizikos šaka, tirianti kintančias šilumines sistemas, naudojant kinetinę teoriją ir statistinę mechaniką.
Termodinamikos procesus valdo trys termodinamikos dėsniai. Tai tiesiog vadinama pirmuoju termodinamikos dėsniu, antruoju termodinamikos dėsniu ir trečiuoju termodinamikos dėsniu. Kai pirmą kartą sužinosite apie šiuos įstatymus, paprastai sužinosite, kaip jie taikomi idealioms dujoms, ir pasinaudos idealiu dujų įstatymu.
Termodinamika gali padėti suprasti, kaip veikia garo varikliai, šaldytuvai, šilumos siurbliai ir kiti panašūs daiktai.