Žmonės kartais vartoja terminusšilumosirtemperatūrapakaitomis. Jie sieja šilumą su žodžiukarštair suprasti temperatūrą taip pat, susijusią su kažko „karštu“ ar „šaltumu“. Galbūt jie pasakys, kad pavasario dienos temperatūra jaučiasi tiesiog tinkama, nes tai yra tik tinkamas šilumos kiekis.
Tačiau fizikoje šie du dydžiai yra gana skirtingi vienas nuo kito. Jie nėra to paties dalyko matai ir jie neturi tų pačių vienetų, nors jie abu gali padėti suprasti jūsų šilumines savybes.
Vidinė energija
Norint iš esmės suprasti šilumą ir temperatūrą, pirmiausia svarbu suprasti vidinės energijos sampratą. Nors jums gali būti pažįstami objektai, turintys kinetinę energiją dėl jų judėjimo, arba potenciali energija dėl jų jų padėtis tam tikrame objekte pačios molekulės taip pat gali turėti kinetinę ir potencialo formą energijos.
Ši molekulinė kinetinė ir potenciali energija yra atskirta nuo to, ką galite pamatyti žiūrėdami, tarkime, į plytą. Atrodo, kad plyta, sėdinti ant žemės, yra nejudanti, ir jūs galite manyti, kad ji neturi jokios kinetinės ar potencialios energijos. Ir iš tikrųjų, tai nėra jūsų supratimo apie pagrindinę mechaniką prasme.
Tačiau pati plyta susideda iš daugybės molekulių, kurios atskirai patiria įvairių tipų mažus judesius, kurių jūs nematote. Molekulės taip pat gali patirti potencialią energiją dėl jų artumo kitoms molekulėms ir tarp jų veikiamų jėgų. Bendra šios plytos vidinė energija yra pačių molekulių kinetinės ir potencialios energijos suma.
Kaip jūs tikriausiai sužinojote, energija yra taupoma. Tuo atveju, kai daikto neveikia jokios trinties ar išsklaidomosios jėgos, taip pat išsaugoma mechaninė energija. Tai yra, kinetinė energija gali pasikeisti į potencialią energiją ir atvirkščiai, tačiau bendra išlieka pastovi. Kai veikia tokia jėga kaip trintis, galite pastebėti, kad bendra mechaninė energija mažėja. Taip yra todėl, kad energija įgavo kitas formas, tokias kaip garso energija ar šiluminė energija.
Kai šaltą dieną trinate rankas, mechaninę energiją paverčiate šilumine. Tai reiškia, kad jūsų rankų kinetinė energija, judanti viena prieš kitą, pakeitė formą ir tapo kinetine jūsų rankose esančių molekulių energija vienas kito atžvilgiu. Šios kinetinės energijos vidurkį jūsų rankose esančiose molekulėse mokslininkai apibrėžia kaip temperatūrą.
Temperatūros apibrėžimas
Temperatūra yra vidutinė medžiagos molekulės kinetinės energijos matas. Atkreipkite dėmesį, kad tai nėra tas pats, kas vidinė medžiagos energija, nes ji neapima potencialios energijos ir nėra visos medžiagos energijos matas. Vietoj to, tai yra visa kinetinė energija, padalyta iš molekulių skaičiaus. Taigi, tai nepriklauso nuo to, kiek kažko turite (pvz., Visa vidinė energija), bet nuo to, kiek kinetinės energijos vidutinė medžiagos molekulė nešioja.
Temperatūrą galima matuoti daugybe skirtingų vienetų. Tarp jų yra „Fahrenheit“, kuris labiausiai paplitęs JAV ir keliose kitose vietose. Pagal Farenheito skalę vanduo užšąla 32 laipsnių temperatūroje, o užverda 212 laipsnių temperatūroje. Kita paplitusi skalė yra Celsijaus skalė, naudojama daugelyje kitų pasaulio vietų. Pagal šią skalę vanduo užšąla 0 laipsnių temperatūroje ir užverda 100 laipsnių temperatūroje (o tai leidžia gana aiškiai suprasti, kaip buvo sukurta ši skalė).
Tačiau mokslinis standartas yra Kelvino skalė. Nors prieaugio dydis pagal Kelvino skalę yra toks pats kaip Celsijaus laipsnis, Kelvino skalė prasideda nuo temperatūros, vadinamos absoliučiu nuliu, kur sustoja visas molekulinis judėjimas. Kitaip tariant, jis prasideda nuo kuo šaltesnės temperatūros.
Nulis laipsnių Celsijaus yra 273,15 pagal Kelvino skalę. Kelvino skalė yra mokslinis standartas dėl rimtų priežasčių. Tarkime, kad kažkas yra 0 laipsnių Celsijaus. Ką reikštų sakyti, kad antrasis objektas yra dvigubai didesnis už temperatūrą? Ar tas elementas taip pat būtų 0 Celsijaus? Gerai pagal Kelvino skalę, ši sąvoka nesukelia jokių problemų ir būtent todėl, kad ji prasideda nuo absoliutaus nulio.
Šilumos apibrėžimas
Apsvarstykite dvi medžiagas ar daiktus, esant skirtingai temperatūrai. Ką tai reiškia? Tai reiškia, kad vidutiniškai vienos iš medžiagų (aukštesnės temperatūros) molekulės yra juda aplink su didesne vidutine kinetine energija nei molekules zemesnes temperaturose medžiaga.
Jei šios dvi medžiagos liečiasi, nenuostabu, kad mikroskopinių susidūrimų metu tarp medžiagų energija pradeda mažėti. Medžiaga, kuri iš pradžių buvo aukštesnėje temperatūroje, atvės, kai kitos medžiagos temperatūra pakils, kol jos abi bus vienodos. Mokslininkai vadina šią galutinę būsenąšiluminė pusiausvyra.
Šilumos energija, kurią iš šilto objekto perkelia į vėsesnį objektą, mokslininkai vadina šiluma. Šiluma yra energijos forma, perduodama tarp dviejų skirtingų temperatūrų medžiagų. Šiluma visada teka iš aukštesnės temperatūros medžiagos į žemesnės temperatūros medžiagą, kol pasiekiama šiluminė pusiausvyra.
Kadangi šiluma yra energijos forma, SI šilumos vienetas yra džaulis.
Šilumos ir temperatūros skirtumai
Kaip matėte pagal ankstesnius apibrėžimus, šiluma ir temperatūra iš tikrųjų yra dvi skirtingos fizinės priemonės. Tai tik keletas jų skirtumų:
Jie matuojami skirtingais vienetais.SI temperatūros vienetas yra Kelvinas, o SI šilumos vienetas yra džaulis. Kelvinas laikomas baziniu vienetu, tai reiškia, kad jo negalima suskaidyti į kitų pagrindinių vienetų derinį. Džaulė prilygsta kgm2/ s2.
Jie skiriasi priklausomybe nuo molekulių skaičiaus.Temperatūra yra vidutinė molekulės kinetinės energijos matas, o tai reiškia, kad nesvarbu, kiek medžiagos turite, kai kalbate apie temperatūrą. Šilumos energijos kiekis, kuris gali būti perduotas tarp medžiagų, labai priklauso nuo to, kiek kiekvienos medžiagos turite.
Jie yra skirtingų tipų kintamieji.Temperatūra yra žinoma kaip būsenos kintamasis. Tai reiškia, kad jis apibrėžia būseną, kurioje yra medžiaga ar daiktas. Kita vertus, šiluma yra proceso kintamasis. Jis apibūdina vykstantį procesą - šiuo atveju perduodamą energiją. Nėra prasmės kalbėti apie šilumą, kai viskas pusiausvyroje.
Jie matuojami skirtingai.Temperatūra matuojama termometru, kuris paprastai yra prietaisas, kuris naudoja šiluminį plėtimąsi, kad pakeistų rodmenį. Kita vertus, šiluma matuojama kalorimetru.
Šilumos ir temperatūros panašumai ir ryšiai.
Šiluma ir temperatūra nėra visiškai nesusiję, tačiau:
Jie abu yra svarbūs termodinamikos dydžiai.Šilumos energijos tyrimas remiasi gebėjimu matuoti temperatūrą, taip pat gebėjimu sekti šilumos perdavimą.
Šilumos perdavimą lemia temperatūrų skirtumai.Kai du objektai yra skirtingoje temperatūroje, šilumos energija pereis iš šilto į vėsesnį, kol bus pasiekta šiluminė pusiausvyra. Šie temperatūrų skirtumai yra šilumos perdavimo veiksnys.
Jie kartu didėja ir mažėja.Jei į sistemą įpilama šilumos, temperatūra pakyla. Jei šiluma pašalinama iš sistemos, temperatūra krinta. (Viena išimtis yra su fazių perėjimais, tokiu atveju šilumos energija naudojama fazės perėjimui sukelti, o ne temperatūros pokyčiams.)
Jie yra tarpusavyje susiję lygtimi.Šilumos energijaKlausimasyra susijęs su temperatūros pokyčiuΔTper lygtį Q = mcΔT kurmyra medžiagos masė ircyra jo savitasis šilumos tūris (tai yra šilumos energijos kiekio, reikalingo tam tikros medžiagos masės vienetui padidinti kelvino laipsniu, matas).
Šiluma, temperatūra ir bendra vidinė energija
Vidinė energija yra bendra vidinė kinetinė ir potenciali energija, arba šiluminė energija medžiagoje. Idealioms dujoms, kurių potenciali energija tarp molekulių yra nereikšminga, vidinė energijaEyra formulė E = 3 / 2nRT kurnyra dujų molių skaičius ir visuotinė dujų konstantaR= 8,3145 J / molK.
Vidinės energijos ir temperatūros santykis rodo, kad nenuostabu, kad didėjant temperatūrai šiluminė energija didėja. Vidinė energija taip pat tampa 0, kai absoliutus 0 Kelvinas.
Šiluma į paveikslą patenka, kai pradedi žiūrėti į vidinės energijos pokyčius. Pirmasis termodinamikos dėsnis suteikia šiuos santykius:
\ Delta E = Q - W
kurKlausimasyra į sistemą pridėta šiluma irWyra sistemos atliktas darbas. Iš esmės tai yra energijos taupymo teiginys. Pridedant šilumos energijos, vidinė energija padidėja. Jei sistema veikia aplinką, vidinė energija mažėja.
Temperatūra kaip šilumos energijos funkcija
Kaip minėta anksčiau, į sistemą įdėta šilumos energija paprastai padidina atitinkamą temperatūrą, nebent sistemoje vyksta fazių pakeitimas. Norėdami pažvelgti į tai atidžiau, apsvarstykite ledo luitą, kuris prasideda žemiau užšalimo, nes šilumos energija pridedama pastoviu greičiu.
Jei šilumos energija nuolat dedama, kol ledo luitas sušyla iki užšalimo, fazės pokyčiai tampa vandeniu, o tada toliau šyla, kol pasiekia virimą, kur vyksta dar vienas fazės pokytis, kad taptų garais, temperatūros grafikas vs. šiluma atrodys taip:
Kol ledas žemiau užšalęs, tarp šilumos energijos ir temperatūros yra linijinis ryšys. Tai nenuostabu, nes turėtų būti, atsižvelgiant į Q = mcΔT lygtį. Ledui pasiekus užšalimo temperatūrą, bet kokia pridėta šilumos energija turi būti panaudota jo fazei pakeisti. Temperatūra išlieka pastovi, nors šiluma vis dar dedama. Šilumos energijos ir masės fazės keitimo iš kieto į skystį lygtis yra tokia:
Q = mL_f
kurLfyra latentinė sintezės šiluma - konstanta, nurodanti, kiek energijos reikia vienam masės vienetui, kad pasikeistų iš kietos į skystą.
Taigi, kol šilumos kiekis bus lygusmlfbuvo pridėta, temperatūra išlieka pastovi.
Ištirpus ledui, temperatūra vėl pakyla tiesiškai, kol pasieks virimo temperatūrą. Čia vėl įvyksta fazių pokytis, šį kartą iš skysčio į dujas. Šilumos ir masės lygtis šio fazės pokyčio metu yra labai panaši:
kurLvyra latentinė garavimo šiluma - konstanta, nurodanti, kiek energijos reikia vienam masės vienetui, kad pasikeistų skystis į dujas. Taigi temperatūra vėl išlieka pastovi, kol bus pridėta pakankamai šilumos energijos. Atkreipkite dėmesį, kad šį laiką jis išlieka pastovus ilgiau. Taip yra todėlLvpaprastai yra didesnis neiLfmedžiagai.
Paskutinė grafiko dalis vėl parodo tą patį tiesinį ryšį kaip ir anksčiau.