Siltums (fizika): definīcija, formula un piemēri

Ikvienam ir pazīstams jēdziens būt pārāk karstam vai pārāk aukstam vai sajust siltumu no saules siltā dienā, bet ko tieši nozīmē vārds "karstums"? Vai tas ir kaut kas "karsts" īpašums Vai tas ir tas pats, kas temperatūra? Izrādās, ka siltums ir izmērāms lielums, kuru fiziķi ir precīzi definējuši.

Siltums ir tas, ko zinātnieki sauc par enerģijas formu, kas tiek pārnesta starp diviem materiāliem ar dažādu temperatūru. Šī enerģijas pārnešana notiek tāpēc, ka vidējā translācijas kinētiskā enerģija uz vienu molekulu abos materiālos atšķiras. Siltums plūst no materiāla ar augstāku temperatūru uz materiālu ar zemāku temperatūru, līdz tiek sasniegts termiskais līdzsvars. SI siltuma vienība ir džouls, kur 1 džouls = 1 ņūtons × metrs.

Lai labāk saprastu, kas notiek, kad notiek šī enerģijas pārnese, iedomājieties šādu scenāriju: divi dažādi konteineri ir piepildīti ar sīkām gumijas bumbiņām, kas visapkārt atlec. Vienā no konteineriem lodīšu vidējais ātrums (un līdz ar to to vidējā kinētiskā enerģija) ir daudz lielāks nekā vidējais bumbiņu ātrums otrajā konteiners (lai gan jebkuras atsevišķas bumbas ātrums jebkurā brīdī var būt jebkurš, jo tik daudz sadursmju izraisa nepārtrauktu enerģijas pārnesi starp bumbiņas.)

Ja jūs ievietojat šos konteinerus tā, lai to malas saskartos, tad noņemiet sienas, atdalot to saturu, kā jūs varētu notikt?

Bumbas no pirmā trauka sāks mijiedarboties ar otrā konteinera bumbiņām. Tā kā notiek arvien vairāk bumbiņu sadursmju, pamazām bumbiņu vidējie ātrumi no abiem konteineriem kļūst vienādi. Daļa enerģijas, kas rodas no bumbiņām no pirmā trauka, tiek pārnesta uz bumbiņām otrajā traukā, līdz tiek sasniegts šis jaunais līdzsvars.

Būtībā tas notiek mikroskopiskā līmenī, kad divi dažādas temperatūras objekti saskaras viens ar otru. Enerģija no objekta augstākā temperatūrā siltuma veidā tiek pārnesta uz zemākas temperatūras objektu.

Temperatūra ir vidējās translācijas kinētiskās enerģijas rādītājs uz molekulu vielā. Pēc analoģijas bumbiņas traukā tas ir vidējās kinētiskās enerģijas mērījums uz bumbu noteiktā traukā. Molekulārā līmenī visi atomi un molekulas vibrē un žigulē apkārt. Jūs nevarat redzēt šo kustību, jo tā notiek tik mazā mērogā.

Parasti temperatūras skalas ir Fārenheits, Celsija un Kelvins, un Kelvins ir zinātniskais standarts. Fārenheita skala ir visizplatītākā Amerikas Savienotajās Valstīs. Šajā mērogā ūdens sasalst 32 grādos un vārās 212 grādos. Pēc Celsija skalas, kas ir izplatīta lielākajā daļā citu vietu pasaulē, ūdens sasalst 0 grādos un vārās 100 grādos.

Zinātniskais standarts tomēr ir Kelvina skala. Kaut arī pieauguma lielums Kelvina skalā ir tāds pats kā grāda lielums pēc Celsija skalas, tā 0 vērtība tiek iestatīta citā vietā. 0 Kelvins ir vienāds ar -273,15 grādiem pēc Celsija.

Kāpēc tik nepāra izvēle 0? Izrādās, šī ir daudz mazāka dīvaina izvēle nekā Celsija skalas nulles vērtība. 0 Kelvins ir temperatūra, kurā apstājas visa molekulārā kustība. Tā ir teorētiski iespējamā absolūti aukstākā temperatūra.

Šajā gaismā Kelvina skalai ir daudz jēgas nekā Celsija skalai. Padomājiet par to, kā, piemēram, mēra attālumu. Būtu dīvaini izveidot attāluma skalu, kur 0 vērtība būtu līdzvērtīga 1 m atzīmei. Šādā mērogā ko tas nozīmētu, lai kaut kas būtu divreiz garāks par kaut ko citu?

Vielas kopējā iekšējā enerģija ir visu tās molekulu kinētisko enerģiju kopsumma. Tas ir atkarīgs no vielas temperatūras (vidējā kinētiskā enerģija uz molekulu) un vielas kopējā daudzuma (molekulu skaita).

Ir iespējams, ka diviem objektiem ir vienāda kopējā iekšējā enerģija, vienlaikus pilnīgi atšķirīga temperatūra. Piemēram, vēsākam objektam ir zemāka vidējā kinētiskā enerģija uz vienu molekulu, bet, ja to skaits ir molekulas ir lielas, tad tas joprojām var beigties ar tādu pašu siltākā objekta kopējo iekšējo enerģiju ar mazāk molekulas.

Pārsteidzošs rezultāts šai attiecībai starp kopējo iekšējo enerģiju un temperatūru ir fakts, ka liela ledus bluķis var beigties ar vairāk enerģijas nekā iedegta sērkociņa galva, kaut arī sērkociņa galva ir tik karsta, ka tā ir ieslēgta uguns!

Ir trīs galvenās metodes, ar kurām siltumenerģija pāriet no viena objekta uz otru. Tie ir vadīšana, konvekcija un starojums.

​Vadīšanarodas, kad enerģija tiek tieši nodota starp diviem materiāliem, kas termiski saskaras viens ar otru. Šis ir pārvietošanas veids, kas notiek gumijas lodīšu analoģijā, kas aprakstīta iepriekš šajā rakstā. Kad divi objekti ir tiešā saskarē, enerģija tiek nodota, saduroties starp to molekulām. Šī enerģija lēnām iziet no saskares punkta līdz pārējam sākotnēji vēsākajam objektam, līdz tiek sasniegts termiskais līdzsvars.

Tomēr ne visi priekšmeti vai vielas enerģiju šādā veidā vada vienādi labi. Daži materiāli, kurus sauc par labiem siltuma vadītājiem, var siltuma enerģiju pārnest vieglāk nekā citi materiāli, kurus sauc par labiem siltumizolatoriem.

Jums, iespējams, ir bijusi pieredze ar šādiem vadītājiem un izolatoriem ikdienas dzīvē. Kā aukstā ziemas rītā basām kājām uz flīžu grīdas var pielīdzināt basām kājām uz paklāja? Iespējams, šķiet, ka paklājs ir kaut kā siltāks, tomēr tas tā nav. Abās grīdās, iespējams, ir vienāda temperatūra, taču flīze ir daudz labāks siltuma vadītājs. Tāpēc siltuma enerģija daudz ātrāk atstāj jūsu ķermeni.

​Konvekcijair siltuma pārneses forma, kas notiek gāzēs vai šķidrumos. Gāzēm un, mazākā mērā, šķidrumiem, mainās to blīvums, mainoties temperatūrai. Parasti tie ir siltāki, jo mazāk blīvi. Šī iemesla dēļ un tāpēc, ka gāzes un šķidrumos esošās molekulas var brīvi pārvietoties, ja apakšējā daļa kļūst silta, tā zemākā blīvuma dēļ paplašināsies un līdz ar to pacelsies uz augšu.

Piemēram, ja uz plīts novietojat ūdens pannu, pannas apakšā esošais ūdens sasilst, izplešas un paceļas uz augšu, kad vēsāks ūdens nogrimst. Vēsāks ūdens pēc tam sasilst, izplešas, paaugstinās un tā tālāk, radot konvekcijas strāvas, kas izraisa siltuma enerģijas izkliedi caur sistēmu, sajaucot molekulu sistēmā (pretstatā molekulām, kas visas uzturas aptuveni tajā pašā vietā, kur viņi žigulē turp un atpakaļ, atlecot katrā cits.)

Konvekcija ir iemesls, kāpēc sildītāji vislabāk silda māju, ja tie ir novietoti netālu no grīdas. Pie griestiem novietots sildītājs sasildīs gaisu pie griestiem, bet šis gaiss paliks mierā.

Trešā siltuma pārneses forma irstarojums. Radiācija ir enerģijas pārnese caur elektromagnētiskajiem viļņiem. Objekti, kas ir silti, var izdalīt enerģiju elektromagnētiskā starojuma veidā. Šādi saules siltuma enerģija nonāk, piemēram, uz Zemi. Kad šis starojums nonāk saskarē ar citu objektu, tajā esošie atomi var iegūt enerģiju, absorbējot to.

Divi dažādi vienas masas materiāli mainīs temperatūras izmaiņas, neraugoties uz to, ka pievienotā enerģija ir vienāda ar saukto daudzumu atšķirībāmīpatnējā siltuma jauda. Īpatnējā siltuma jauda ir atkarīga no attiecīgā materiāla. Parasti materiāla īpatnējās siltuma jaudas vērtību meklēsit tabulā.

Formālāk īpašā siltuma jauda tiek definēta kā siltumenerģijas daudzums, kas jāpievieno masas vienībai, lai paaugstinātu temperatūru par Celsija grādu. SI vienības īpatnējai siltuma jaudai, ko parasti apzīmē arc, ir J / kgK.

Padomājiet par to šādi: pieņemsim, ka jums ir divas dažādas vielas, kas sver tieši to pašu un atrodas tieši tajā pašā temperatūrā. Pirmajai vielai ir augsta īpatnējā siltuma jauda, ​​un otrajai vielai ir zema īpatnējā siltuma jauda. Tagad pieņemsim, ka abiem pievienojat tieši tādu pašu siltumenerģijas daudzumu. Pirmā viela - tā, kurai ir lielāka siltuma jauda - temperatūrā nepieaugs tikpat daudz kā otrā viela.

Ir daudz faktoru, kas ietekmē vielas temperatūras izmaiņas, kad uz to tiek pārnests noteikts siltumenerģijas daudzums. Šie faktori ietver materiāla masu (mazākai masai būs lielāka temperatūras izmaiņa noteiktam pievienotā siltuma daudzumam) un īpatnējo siltuma jauduc​.

Ja ir siltuma avots, kas piegādā strāvuP, tad kopējais pievienotais siltums ir atkarīgs noPun laikst. Tas ir, siltuma enerģijaJbūs vienādsP​ × ​t​.

Temperatūras izmaiņu ātrums ir vēl viens interesants faktors, kas jāņem vērā. Vai objekti maina temperatūru nemainīgā ātrumā? Izrādās, ka izmaiņu ātrums ir atkarīgs no temperatūras starpības starp objektu un tā apkārtni. Ņūtona atdzišanas likums apraksta šīs izmaiņas. Jo tuvāk objekts atrodas apkārtējā temperatūrā, jo lēnāk tas tuvojas līdzsvaram.

Formula, kas temperatūras maiņu saista ar objekta masu, īpatnējo siltuma jaudu un pievienoto vai noņemto siltumenerģiju, ir šāda:

Šī formula tiek piemērota tikai tad, ja vielai netiek veiktas fāzes izmaiņas. Kad viela mainās no cietas uz šķidru vai mainās no šķidruma uz gāzi, tiek pievienots tai pievienotais siltums izmantot, izraisot šo fāzes maiņu, un temperatūras izmaiņas neizraisīs, kamēr fāzes izmaiņas nebūs pabeigta.

Lielums, ko sauc par latento kodolsintēzes siltumu, apzīmētsL_f, apraksta, cik liela siltumenerģija uz masas vienību ir nepieciešama, lai vielu mainītu no cietas uz šķidrumu. Tāpat kā ar īpašu siltuma jaudu, tā vērtība ir atkarīga no attiecīgā materiāla fizikālajām īpašībām, un to bieži meklē tabulās. Vienādojums, kas attiecas uz siltumenerģijuJlīdz materiāla masaimun latentais kodolsintēzes siltums ir:

Tas pats notiek, pārejot no šķidruma uz gāzi. Šādā situācijā apzīmē lielumu, ko sauc par latento iztvaikošanas siltumuL_v, apraksta, cik daudz enerģijas jāpievieno masas vienībai, lai izraisītu fāzes maiņu. Rezultātā iegūtais vienādojums ir identisks, izņemot apakš indeksu:

Iekšējā enerģijaEir kopējā iekšējā kinētiskā enerģija jeb siltuma enerģija materiālā. Pieņemot ideālu gāzi, kur jebkura potenciālā enerģija starp molekulām ir nenozīmīga, to izsaka pēc formulas:

kurnir molu skaits,Tir temperatūra Kelvinos un universālā gāzes konstanteR= 8,3145 J / molK. Iekšējā enerģija kļūst par 0 J absolūtā 0 K.

Termodinamikā saikne starp iekšējās enerģijas izmaiņām, pārnesto siltumu un sistēmā vai tās paveikto darbu ir saistīta ar:

Šīs attiecības ir pazīstamas kā pirmais termodinamikas likums. Būtībā tas ir paziņojums par enerģijas saglabāšanu.