Jūs, visticamāk, pārzināt termometrus un temperatūras mērīšanu, karstuma un aukstuma sajūtu un to, kas nepieciešams ūdens vārīšanai. Tagad ir pienācis laiks paplašināt intuitīvo izpratni par siltumu un temperatūru un uzzināt, kā fiziķi to dara.
Šajā termofizikas ievadā jūs uzzināsiet, kas ir siltums un temperatūra, kā arī uz kādām parādībām attiecas šī fizikas nozare.
Siltuma un temperatūras izpēte
Termiskā fizika ir pētījums siltums un temperatūra. Siltumu definē kā enerģiju, kas pāriet starp diviem objektiem ar dažādu temperatūru - pārejot no siltāka objekta uz vēsāku objektu.
Siltums ir siltumenerģijas veids. Termiskā enerģija ir enerģija, kas saistīta ar molekulāro kustību objektā. Jebkura objekta iekšienē molekulas vienkārši nestāv uz vietas; pat ja jūs nevarat redzami redzēt kustību, viņi visi žigli apkārt un atlec viens otram.
Temperatūra ir vienas molekulas vidējās kinētiskās enerģijas mērs. Jums, iespējams, ir zināms, kā to mērīt pēc Fārenheita vai pat pēc Celsija grādiem, bet zinātnieki dod priekšroku SI vienībai - Kelvinam.
Kopā iekšējā enerģija objekts ir atkarīgs no tā masas, temperatūras un īpatnējā siltuma jauda. Īpatnējā siltuma jauda ir mērījums tam, cik daudz siltumenerģijas nepieciešams, lai masas vienības temperatūru paaugstinātu par 1 grādu. Dažādiem materiāliem ir atšķirīgas specifiskās siltuma jaudas, un jebkura konkrēta materiāla siltuma jaudu parasti var meklēt tabulā.
Siltuma nodošana
Siltums var pāriet no viena objekta uz otru trīs galvenajos veidos. Šie ir:
- Vadīšana
- Konvekcija
- Radiācija
Vadīšanas laikā abi objekti ir fiziskā kontaktā, un siltuma enerģija pārvietojas no siltāka objekta uz vēsāku objektu, tieši saduroties starp objektos esošajām molekulām.
Konvekcijā siltumu pārnes konvekcijas strāvas. Tas notiek, kad vārot ūdeni uz plīts. Ūdens pannas apakšā vispirms sasilst, un, sildot, tas izplešas, kļūstot mazāk blīvs. Tā kā blīvums ir mazāks, tas paceļas pannas augšpusē, kad vēsāks ūdens nogrimst un pēc tam sasilst.
Radiācijā siltuma enerģija tiek pārnesta caur elektromagnētisko starojumu. Tas ir veids, kā jūs saņemat enerģiju no saules. Šī enerģija pārvietojas caur kosmosa vakuumu kā starojums, kas pēc tam sasilda Zemi, kad tā nonāk pie mums.
Fāzes izmaiņas
Materiāliem pievienojot siltumenerģiju, to temperatūra paaugstinās. Noteiktos punktos, ko sauc fāžu pārejas, materiāla maiņas fāze. Materiāli var mainīties no cieta uz šķidru un no šķidruma uz gāzi, un pat no gāzes uz plazmu.
Temperatūra, kurā notiek fāzes maiņa, ir atkarīga no paša materiāla un spiediena apstākļiem. To pēta, izmantojot fāžu diagrammu.
Enerģijas daudzums, kas nepieciešams materiāla fāzes maiņai, ir atkarīgs no šī materiāla latentā siltuma. Materiāla latentais saplūšanas siltums ir siltumenerģijas daudzums, kas nepieciešams, lai šīs vielas masas vienību mainītu no cietas uz šķidrumu. Materiāla tvaicēšanas latentais siltums ir siltumenerģijas daudzums, kas nepieciešams, lai to no šķidruma pārvērstu gāzē.
Termodinamika
Termiskā fizika galu galā noved pie termodinamikas pētīšanas, kas ir fizikas nozare, kas pēta mainīgas siltuma sistēmas, izmantojot kinētisko teoriju un statistikas mehāniku.
Termodinamikas procesus regulē trīs termodinamikas likumi. Tos vienkārši sauc par pirmo termodinamikas likumu, par otro termodinamikas likumu un trešo par termodinamikas likumu. Pirmoreiz uzzinot par šiem likumiem, jūs parasti uzzināsiet, kā tie attiecas uz ideālu gāzi, un izmantos ideālos gāzes likumus.
Termodinamika var palīdzēt saprast, kā darbojas tvaika dzinēji, ledusskapji, siltumsūkņi un citi līdzīgi izstrādājumi.