Cilvēki dažreiz lieto šos terminuskarstumsuntemperatūrasavstarpēji aizstājami. Viņi saista siltumu ar vārdukarstsun izprotiet temperatūru kā arī saistītu ar kaut ko "karstumu" vai "aukstumu". Varbūt viņi teiks, ka pavasara dienas temperatūra jūtas tieši piemērota, jo tā ir tieši pareizā siltuma summa.
Tomēr fizikā šie divi lielumi ir diezgan atšķirīgi viens no otra. Tie nav vienas lietas mērījumi, un tiem nav vienādu vienību, lai gan tie abi var informēt jūsu izpratni par siltuma īpašībām.
Iekšējā enerģija
Lai izprastu siltumu un temperatūru fundamentālā līmenī, vispirms ir svarīgi saprast iekšējās enerģijas jēdzienu. Kamēr jūs, iespējams, pazīstat objektus, kuru kustības dēļ ir kinētiskā enerģija, vai to dēļ potenciālo enerģiju to pozīcijai noteiktā objektā pašām molekulām var būt arī kinētiskā un potenciālā forma enerģija.
Šī molekulārā kinētiskā un potenciālā enerģija ir atdalīta no tā, ko jūs varat redzēt, aplūkojot, teiksim, ķieģeļu. Ķieģelis, kas sēž uz zemes, šķiet nekustīgs, un jūs varētu pieņemt, ka ar to nav saistīta kinētiskā vai potenciālā enerģija. Un patiešām tas nav jūsu izpratnes par pamata mehāniku izpratnē.
Bet pats ķieģelis sastāv no daudzām molekulām, kuras atsevišķi iziet dažāda veida mazas kustības, kuras jūs nevarat redzēt. Molekulām var būt arī potenciālā enerģija, jo tās atrodas tuvu citām molekulām un starp tām iedarbojas spēki. Šī ķieģeļa kopējā iekšējā enerģija ir pašu molekulu kinētisko un potenciālo enerģiju summa.
Kā jūs, iespējams, uzzinājāt, enerģija tiek saglabāta. Gadījumā, ja uz objektu nedarbojas berzes vai izkliedējošie spēki, tiek saglabāta arī mehāniskā enerģija. Tas ir, kinētiskā enerģija var mainīties potenciālā enerģijā un otrādi, bet kopējā vērtība paliek nemainīga. Kad darbojas tāds spēks kā berze, jūs varat pamanīt, ka kopējā mehāniskā enerģija samazinās. Tas ir tāpēc, ka enerģija ieguva citas formas, piemēram, skaņas vai siltuma enerģiju.
Kad aukstā dienā berzējat rokas kopā, jūs pārveidojat mehānisko enerģiju siltuma enerģijā. Tas nozīmē, ka jūsu roku kinētiskā enerģija, kas pārvietojas viena pret otru, mainīja formu un kļuva par jūsu rokās esošo molekulu kinētisko enerģiju attiecībā pret otru. Šīs kinētiskās enerģijas vidējais rādītājs jūsu rokās esošajās molekulās ir tas, ko zinātnieki definē kā temperatūru.
Temperatūras definīcija
Temperatūra ir vidējās kinētiskās enerģijas mērs uz molekulu vielā. Ņemiet vērā, ka tā nav tāda pati kā vielas iekšējā enerģija, jo tā neietver potenciālo enerģiju un arī nav vielas kopējās enerģijas rādītājs. Tā vietā tā ir kopējā kinētiskā enerģija, dalīta ar molekulu skaitu. Tādējādi tas nav atkarīgs no tā, cik daudz kaut kas jums ir (piemēram, kopējā iekšējā enerģija), bet gan no tā, cik lielu kinētisko enerģiju vidējā vielas molekula nēsā apkārt.
Temperatūru var mērīt daudzās dažādās vienībās. Starp tiem ir Fārenheits, kas visbiežāk sastopams ASV un dažās citās vietās. Pēc Fārenheita skalas ūdens sasalst 32 grādos un vārās 212 grādos. Vēl viena izplatīta skala ir Celsija skala, ko izmanto daudzās citās vietās pasaulē. Šajā mērogā ūdens sasalst 0 grādos un vārās 100 grādos (kas dod diezgan skaidru priekšstatu par to, kā šī skala tika izstrādāta).
Bet zinātniskais standarts ir Kelvina skala. Kamēr pieauguma lielums Kelvina skalā ir tāds pats kā Celsija grāds, Kelvina skala sākas temperatūrā, ko sauc par absolūto nulli, kur apstājas visa molekulārā kustība. Citiem vārdiem sakot, tas sākas pēc iespējas vēsākā temperatūrā.
Nulle grādi pēc Celsija ir 273,15 pēc Kelvina skalas. Kelvina skala ir zinātnisks standarts laba iemesla dēļ. Pieņemsim, ka kaut kas atrodas pie 0 grādiem pēc Celsija. Ko tas nozīmētu teikt, ka otrais objekts ir divreiz lielāks par temperatūru? Vai šī vienuma vērtība būtu arī 0 Celsija? Pēc Kelvina skalas šis jēdziens nerada problēmas, un tas ir tieši tāpēc, ka tas sākas ar absolūtu nulli.
Siltuma definīcija
Apsveriet divas vielas vai priekšmetus dažādās temperatūrās. Ko tas nozīmē? Tas nozīmē, ka vidēji vienā no vielām (augstākas temperatūras) molekulas ir pārvietojas ar lielāku vidējo kinētisko enerģiju nekā molekulas zemākajā temperatūrā vielu.
Ja šīs divas vielas nonāk saskarē, nav pārsteidzoši, ka starp vielām enerģija sāk vidēji samazināties, kad notiek mikroskopiskas sadursmes. Viela, kas sākotnēji atradās augstākā temperatūrā, atdzisīs, kamēr citas vielas temperatūra paaugstināsies, līdz abām būs vienāda temperatūra. Zinātnieki to sauc par galīgo stāvoklisiltuma līdzsvars.
Siltuma enerģija, kas tiek pārnesta no siltāka objekta uz vēsāku objektu, ir tā, ko zinātnieki sauc par siltumu. Siltums ir enerģijas forma, kas tiek pārnesta starp diviem materiāliem, kas atrodas dažādās temperatūrās. Siltums vienmēr plūst no materiāla ar augstāku temperatūru uz materiālu ar zemāku temperatūru, līdz tiek sasniegts termiskais līdzsvars.
Tā kā siltums ir enerģijas veids, SI siltuma vienība ir džoule.
Atšķirības starp siltumu un temperatūru
Kā redzējāt pēc iepriekšējām definīcijām, siltums un temperatūra patiešām ir divi atšķirīgi fiziski pasākumi. Šīs ir tikai dažas atšķirības:
Tos mēra dažādās vienībās.SI vienība temperatūrai ir Kelvina, un SI siltuma vienība ir džoule. Kelvins tiek uzskatīts par bāzes vienību, kas nozīmē, ka to nevar sadalīt citu pamatvienību kombinācijā. Džouls ir ekvivalents kgm2/ s2.
Tie atšķiras atkarībā no molekulu skaita.Temperatūra ir vidējās kinētiskās enerģijas mērījums uz vienu molekulu, kas nozīmē, ka nav svarīgi, cik daudz vielas jums ir, kad runājat par temperatūru. Siltumenerģijas daudzums, kas varētu tikt pārnests starp vielām, tomēr ir ļoti atkarīgs no tā, cik daudz katras vielas jums ir.
Tie ir dažāda veida mainīgie.Temperatūra ir pazīstama kā stāvokļa mainīgais. Tas ir, tas nosaka stāvokli, kurā atrodas viela vai objekts. Savukārt siltums ir procesa mainīgais. Tas apraksta notiekošo procesu - šajā gadījumā tiek nodota enerģija. Nav jēgas runāt par siltumu, kad viss ir līdzsvarā.
Tos mēra atšķirīgi.Temperatūru mēra ar termometru, kas parasti ir ierīce, kas izmanto termisko izplešanos, lai mainītu rādījumu skalā. Savukārt siltumu mēra ar kalorimetru.
Siltuma un temperatūras līdzības un attiecības.
Siltums un temperatūra tomēr nav pilnīgi savstarpēji saistīti:
Tie abi ir svarīgi termodinamikas lielumi.Siltumenerģijas izpēte balstās uz spēju izmērīt temperatūru, kā arī uz spēju izsekot siltuma pārnesēm.
Siltuma pārnesi virza temperatūras atšķirības.Kad divi objekti atrodas dažādās temperatūrās, siltuma enerģija pāriet no siltākas uz vēsāku, līdz tiek sasniegts termiskais līdzsvars. Šīs temperatūras atšķirības ir siltuma pārneses virzītājspēks.
Viņiem ir tendence palielināties un samazināties kopā.Ja sistēmai pievieno siltumu, temperatūra paaugstinās. Ja siltums tiek noņemts no sistēmas, temperatūra pazeminās. (Viens izņēmums notiek ar fāžu pārejām, tādā gadījumā siltuma enerģija tiek izmantota fāzes pārejas izraisīšanai temperatūras maiņas vietā.)
Tie ir savstarpēji saistīti ar vienādojumu.Siltuma enerģijaJir saistīts ar temperatūras izmaiņāmΔTizmantojot vienādojumu Q = mcΔT kurmir vielas masa uncir tā īpatnējā siltuma jauda (tas ir, siltumenerģijas daudzuma mērījums, kas vajadzīgs, lai konkrētai vielai masas vienību palielinātu par Kelvina grādu).
Siltums, temperatūra un kopējā iekšējā enerģija
Iekšējā enerģija ir kopējā iekšējā kinētiskā un potenciālā enerģija jeb siltuma enerģija materiālā. Ideālai gāzei, kurā potenciālā enerģija starp molekulām ir niecīga, iekšējā enerģijaEaprēķina pēc formulas E = 3 / 2nRT kurnir gāzes molu skaits un universālā gāzes konstanteR= 8,3145 J / molK.
Iekšējās enerģijas un temperatūras saistība parāda, ka nav pārsteidzoši, ka temperatūras paaugstināšanās laikā siltuma enerģija palielinās. Arī iekšējā enerģija kļūst par 0 pie absolūtā 0 Kelvina.
Siltums parādās attēlā, kad sākat aplūkot iekšējās enerģijas izmaiņas. Pirmais termodinamikas likums dod šādas attiecības:
\ Delta E = Q - W
kurJir sistēmai pievienotais siltums unWir sistēmas paveiktais darbs. Būtībā tas ir paziņojums par enerģijas saglabāšanu. Pievienojot siltumenerģiju, iekšējā enerģija palielinās. Ja sistēma darbojas apkārtējā vidē, iekšējā enerģija samazinās.
Temperatūra kā siltuma enerģijas funkcija
Kā minēts iepriekš, sistēmai pievienotā siltumenerģija parasti rada atbilstošu temperatūras paaugstināšanos, ja vien sistēmā nenotiek fāzes maiņa. Lai to tuvāk aplūkotu, apsveriet ledus bloku, kas sākas zem sasalšanas, jo siltuma enerģija tiek pievienota nemainīgā ātrumā.
Ja siltuma enerģija tiek nepārtraukti pievienota, kamēr ledus bloks sasilst līdz sasalšanai, notiek fāzes maiņa, lai kļūtu par ūdeni un pēc tam turpina iesildīties, līdz tas sasniedz vārīšanos, kur notiek vēl viena fāzes maiņa, lai kļūtu par tvaiku, temperatūras grafiks vs. siltums izskatīsies šādi:
Kamēr ledus ir zem sasalšanas, starp siltuma enerģiju un temperatūru pastāv lineāra sakarība. Tas nav pārsteidzoši, jo tam vajadzētu būt, ņemot vērā vienādojumu Q = mcΔT. Kad ledus sasniedz sasalšanas temperatūru, visa pievienotā siltumenerģija jāizmanto, lai palīdzētu tam mainīt fāzi. Temperatūra paliek nemainīga, kaut arī siltums vēl tiek pievienots. Vienādojums, kas siltumenerģiju saista ar masu fāzes maiņas laikā no cietas uz šķidrumu, ir šāds:
Q = ml_f
kurLfir latentais kodolsintēzes siltums - konstante, kas norāda, cik daudz enerģijas nepieciešams masas vienībā, lai izraisītu pāreju no cietas uz šķidrumu.
Tātad, līdz siltuma daudzums ir vienāds armlfir pievienota, temperatūra paliek nemainīga.
Kad viss ledus ir izkusis, temperatūra atkal lineāri paaugstinās, līdz tā sasniedz vārīšanās temperatūru. Šeit atkal notiek fāzes maiņa, šoreiz no šķidruma uz gāzi. Vienādojums, kas attiecas uz siltumu uz masu šīs fāzes maiņas laikā, ir ļoti līdzīgs:
kurLvir latentais iztvaikošanas siltums - konstante, kas norāda, cik daudz enerģijas nepieciešams masas vienībā, lai izraisītu pāreju no šķidruma uz gāzi. Tātad temperatūra atkal paliek nemainīga, līdz tiek pievienots pietiekami daudz siltumenerģijas. Ņemiet vērā, ka tas paliek nemainīgs ilgāku laiku. Tas ir tāpēcLvparasti ir augstāks parLfvielai.
Diagrammas pēdējā daļa atkal parāda to pašu lineāro attiecību kā iepriekš.