Šiluma (fizika): apibrėžimas, formulė ir pavyzdžiai

Visiems gerai žinoma per daug karšta, per šalta arba šiltą dieną jausti saulės šilumą, tačiau ką konkrečiai reiškia žodis „šiluma“? Ar tai kažko „karšto“ savybė Ar tai tas pats, kas temperatūra? Pasirodo, kad šiluma yra išmatuojamas dydis, kurį fizikai tiksliai apibrėžė.

Šiluma yra tai, ką mokslininkai vadina energijos forma, perduodama tarp dviejų skirtingos temperatūros medžiagų. Šis energijos perdavimas įvyksta dėl abiejose medžiagose esančios vidutinės molekulinės transliacijos kinetinės energijos skirtumų. Šiluma teka iš aukštesnės temperatūros medžiagos į žemesnės temperatūros medžiagą, kol pasiekiama šiluminė pusiausvyra. SI šilumos vienetas yra džaulis, kur 1 džaulis = 1 niutonas × metras.

Norėdami geriau suprasti, kas vyksta, kai įvyksta šis energijos perdavimas, įsivaizduokite tokį scenarijų: Du skirtingi konteineriai užpildyti mažais guminiais kamuoliukais, šokinėjančiais aplinkui. Viename iš konteinerių vidutinis kamuoliukų greitis (taigi ir jų vidutinė kinetinė energija) yra daug didesnis nei vidutinis kamuoliukų greitis antrame konteinerio (nors kiekvieno atskiro kamuolio greitis bet kuriuo momentu gali būti bet koks, nes tiek susidūrimų sukelia nuolatinį energijos perdavimą tarp kamuoliukus.)

Jei padėtumėte šiuos konteinerius taip, kad jų šonai liestųsi, tada nuimkite sienas, atskiriančias jų turinį, kaip tikitės atsitikti?

Kamuoliai iš pirmojo indo pradės sąveikauti su kamuoliukais iš antrojo konteinerio. Kai atsiranda vis daugiau kamuoliukų susidūrimų, palaipsniui vidutinis rutulių greitis iš abiejų konteinerių tampa vienodas. Dalis energijos iš kamuoliukų iš pirmo konteinerio perkeliama į kamuolius antrame inde, kol bus pasiekta ši nauja pusiausvyra.

Iš esmės tai vyksta mikroskopiniu lygiu, kai du skirtingos temperatūros objektai liečiasi vienas su kitu. Aukštesnės temperatūros objekto energija šilumos pavidalu perduodama žemesnės temperatūros objektui.

Temperatūra yra vidutinė cheminės medžiagos kinetinės energijos, gaunamos vienoje molekulėje, matas. Rutuliai inde analogiškai tai yra vidutinė vieno kamuolio kinetinė energija tam tikrame inde. Molekuliniame lygmenyje visi atomai ir molekulės vibruoja ir šmaikštauja. Jūs negalite pamatyti šio judesio, nes jis vyksta tokiu mažu mastu.

Dažniausios temperatūros skalės yra Fahrenheit, Celsijaus ir Kelvino, o Kelvinas yra mokslinis standartas. Fahrenheito skalė labiausiai paplitusi JAV. Pagal šią skalę vanduo užšąla 32 laipsnių temperatūroje, o verda 212 laipsnių temperatūroje. Pagal Celsijaus skalę, kuri yra paplitusi daugumoje kitų pasaulio vietų, vanduo užšąla 0 laipsnių kampu, o verda 100 laipsnių.

Vis dėlto mokslinis standartas yra Kelvino skalė. Nors prieaugio dydis pagal Kelvino skalę yra toks pat kaip laipsnio dydis pagal Celsijaus skalę, jo 0 vertė nustatoma kitoje vietoje. 0 Kelvinas yra lygus -273,15 laipsnių Celsijaus.

Kodėl toks keistas pasirinkimas 0? Pasirodo, tai yra daug mažiau keistas pasirinkimas nei Celsijaus skalės nulinė vertė. 0 Kelvinas yra temperatūra, kurioje sustoja visas molekulinis judėjimas. Teoriškai tai yra absoliuti šalčiausia temperatūra.

Atsižvelgiant į tai, Kelvino skalė yra daug prasmingesnė nei Celsijaus skalė. Pagalvokite, kaip, pavyzdžiui, matuojamas atstumas. Būtų keista sukurti atstumo skalę, kur 0 reikšmė atitiktų 1 m žymę. Tokioje skalėje ką reikštų, kad kažkas būtų dvigubai ilgesnis už kitą?

Bendra vidinė medžiagos energija yra visų jos molekulių kinetinių energijų suma. Tai priklauso nuo medžiagos temperatūros (vidutinė molekulės kinetinė energija) ir bendro medžiagos kiekio (molekulių skaičiaus).

Dviejų objektų bendra vidinė energija gali būti vienoda, o jų temperatūra visiškai skirtinga. Pavyzdžiui, vėsesnio objekto vidutinė kinetinė energija molekulėje bus mažesnė, bet jei jų bus molekulės yra didelės, tada ji vis tiek gali gauti tą pačią bendrą šilto objekto vidinę energiją su mažiau molekulės.

Stebinantis šio santykio tarp visos vidinės energijos ir temperatūros rezultatas yra tai, kad didelis ledo luitas gali baigtis daugiau energijos nei uždegta degtuko galva, nors degtuko galva yra tokia karšta Ugnis!

Yra trys pagrindiniai būdai, kuriais šilumos energija perduodama iš vieno objekto į kitą. Tai laidumas, konvekcija ir radiacija.

​Laidumasįvyksta, kai energija tiesiogiai perduodama tarp dviejų medžiagų, kurios termiškai liečiasi viena su kita. Tai yra perkėlimo tipas, kuris įvyksta anksčiau šiame straipsnyje aprašytoje guminio rutulio analogijoje. Kai du objektai tiesiogiai liečiasi, energija perduodama susidūrus tarp jų molekulių. Ši energija lėtai eina nuo sąlyčio taško iki likusio iš pradžių vėsesnio objekto, kol bus pasiekta šiluminė pusiausvyra.

Tačiau ne visi daiktai ar medžiagos vienodai gerai praleidžia energiją. Kai kurios medžiagos, vadinamos gerais šilumos laidininkais, gali lengviau perduoti šilumos energiją nei kitos medžiagos, vadinamos gerais šilumos izoliatoriais.

Jūs tikriausiai turite patirties su tokiais laidininkais ir izoliatoriais kasdieniame gyvenime. Šaltą žiemos rytą, kaip žengti basomis ant plytelių grindų, galima lyginti basomis ant kilimo? Tikriausiai atrodo, kad kilimas yra kažkaip šiltesnis, tačiau taip nėra. Abiejų aukštų temperatūra greičiausiai yra ta pati, tačiau plytelės yra daug geresnis šilumos laidininkas. Dėl to šilumos energija daug greičiau palieka jūsų kūną.

​Konvekcijayra šilumos perdavimo forma, vykstanti dujose ar skysčiuose. Dujos ir, kiek mažiau, skysčiai patiria temperatūros pokyčius. Paprastai jie yra šiltesni, tuo mažiau tankūs. Dėl to ir dėl to, kad dujose ir skysčiuose esančios molekulės gali laisvai judėti, jei apatinė dalis taps šilta, ji dėl mažesnio tankio išsiplės ir pakils į viršų.

Pavyzdžiui, jei ant viryklės uždėsite vandens indą, keptuvės dugne esantis vanduo sušils, išsiplės ir pakils į viršų, kai aušinamas vanduo. Tada vėsesnis vanduo sušyla, išsiplečia, pakyla ir t. T., Sukurdamas konvekcines sroves, dėl kurių šilumos energija maišant skleidžiasi per sistemą. molekulių sistemoje (priešingai nei visos molekulės lieka maždaug toje pačioje vietoje, kai jigginėja pirmyn ir atgal, šokinėdamos į kiekvieną kita.)

Konvekcija yra tai, kodėl šildytuvai geriausiai šildo namus, jei jie yra pastatyti šalia grindų. Šalia lubų pastatytas šildytuvas sušildytų orą šalia lubų, tačiau tas oras liktų nejudamas.

Trečioji šilumos perdavimo forma yraradiacija. Spinduliavimas yra energijos perdavimas per elektromagnetines bangas. Šilti objektai gali atiduoti energiją elektromagnetinės spinduliuotės pavidalu. Taip šilumos energija iš saulės pasiekia, pavyzdžiui, Žemę. Kai ta spinduliuotė liečiasi su kitu objektu, to objekto atomai gali įgyti energijos sugerdami ją.

Dviejų skirtingų tos pačios masės medžiagų temperatūros pokyčiai bus skirtingi, nepaisant to, kad dėl vadinamojo kiekio skirtumų pridėta ta pati bendra energijasavitoji šilumos talpa. Savitasis šilumos tūris priklauso nuo nagrinėjamos medžiagos. Paprastai lentelėje rasite medžiagos savitosios šilumos talpos vertę.

Formaliau kalbant, specifinė šilumos talpa apibrėžiama kaip šilumos energijos kiekis, kuris turi būti pridėtas masės vienetui, kad temperatūra pakiltų Celsijaus laipsniu. SI vienetai specifiniam šilumos pajėgumui, paprastai žymimicyra J / kgK.

Pagalvokite apie tai taip: tarkime, kad turite dvi skirtingas medžiagas, kurios sveria visiškai vienodą ir yra visiškai vienodos temperatūros. Pirmoji medžiaga turi didelę savitąją šiluminę galią, o antroji - mažą specifinę šiluminę galią. Dabar tarkime, kad į juos abu pridedate lygiai tą patį šilumos energijos kiekį. Pirmosios medžiagos - tos, kurios šiluminė talpa yra didesnė, temperatūra nepakils tiek, kiek antrosios medžiagos.

Yra daugybė veiksnių, turinčių įtakos medžiagos temperatūros pokyčiams, kai jai bus perduodamas tam tikras šilumos energijos kiekis. Šie veiksniai apima medžiagos masę (mažesnei masei bus didesnis temperatūros pokytis esant tam tikram pridėtos šilumos kiekiui) ir specifinę šilumos talpą.c​.

Jei yra šilumos šaltinis, tiekiantis energijąP, tada visa pridėta šiluma priklauso nuoPir laikot. Tai yra šilumos energijaKlausimasbus lygusP​ × ​t​.

Temperatūros pokyčio greitis yra dar vienas įdomus veiksnys, į kurį reikia atsižvelgti. Ar objektai keičia savo temperatūrą pastoviu greičiu? Pasirodo, kad pokyčio greitis priklauso nuo temperatūros skirtumo tarp objekto ir jo aplinkos. Niutono aušinimo dėsnis apibūdina šį pokytį. Kuo objektas arčiau aplinkos temperatūros, tuo lėčiau jis artėja prie pusiausvyros.

Formulė, susiejanti temperatūros pokyčius su objekto mase, savita šilumine talpa ir pridėta ar pašalinta šilumos energija, yra tokia:

Tačiau ši formulė taikoma tik tuo atveju, jei cheminės medžiagos fazės nekeičiamos. Kai medžiaga keičiasi iš kietos į skystą arba keičiasi iš skystos į dujas, dedama į ją pridėta šiluma naudoti šį fazės pokytį ir temperatūra nepasikeis, kol fazė nepasikeis baigtas.

Dydis, vadinamas latentine sintezės šiluma, žymimasL_f, aprašoma, kiek šilumos energijos reikia masės vienetui pakeisti medžiagą iš kietos į skystą. Kaip ir esant specifinei šilumos talpai, jo vertė priklauso nuo nagrinėjamos medžiagos fizinių savybių ir dažnai ieškoma lentelėse. Šilumos energiją siejanti lygtisKlausimasiki medžiagos masėsmir latentinė sintezės šiluma yra:

Tas pats atsitinka ir pereinant nuo skysčio į dujas. Tokioje situacijoje žymimas kiekis, vadinamas latentine garavimo šilumaL_v, aprašoma, kiek energijos reikia pridėti masės vienetui, kad sukeltų fazės pasikeitimą. Gauta lygtis yra identiška, išskyrus indeksą:

Vidinė energijaEyra bendra medžiagos kinetinė energija arba šiluminė energija. Darant prielaidą, kad idealios dujos, kuriose bet kokia potenciali energija tarp molekulių yra nereikšminga, ji pateikiama pagal formulę:

kurnyra apgamų skaičius,Tyra temperatūra Kelvine ir universali dujų konstantaR= 8,3145 J / molK. Vidinė energija tampa 0 J ties absoliučiu 0 K.

Termodinamikoje santykis tarp vidinės energijos pokyčių, perduodamos šilumos ir sistemos ar jos atlikto darbo yra susijęs:

Šis santykis yra žinomas kaip pirmasis termodinamikos dėsnis. Iš esmės tai yra energijos išsaugojimo pareiškimas.