U weet uit ervaring dat wanneer de waarde op een thermometer aangeeft: temperatuur- toeneemt, worden de omgevingsomstandigheden warmer. Wanneer deze waarde daalt, worden de omgevingsomstandigheden koeler. U weet waarschijnlijk ook dat er meerdere gemeenschappelijke temperatuurschalen in gebruik zijn om dit fenomeen nauwkeurig te kwantificeren.
Als temperatuurveranderingen op de een of andere manier wijzen op een winst of verlies van warmte in de buurt, is er een manier om de correlatie vast te leggen? Dat wil zeggen, kan een gegeven verandering in temperatuur (bijvoorbeeld in graden Celsius of °C) worden gecorreleerd met een bepaalde winst of verlies van warmte - ervan uitgaande dat "warmte" zelfs iets is dat nauwkeurig kan worden gemeten in de natuurkunde?
Het is inderdaad mogelijk om veranderingen in temperatuur te correleren met winst of verlies van warmte, in nuttige warmte-eenheden zoals kilojoules (kJ), zolang je letterlijk weet waar je mee te maken hebt.
Temperatuur en zijn schalen
Temperatuur is een hoeveelheid die wordt gemeten door een apparaat dat een thermometer wordt genoemd. Het is wiskundig afgeleid van de gemiddelde kinetische energie van deeltjes (atomen en moleculen) in een systeem, zoals een gesloten container of kamer.
Kinetische energie is bewegingsenergie. Wanneer kleine deeltjes door de lucht ritselen, botsen ze met elkaar en bij de botsingen komt warmte vrij. Hoe sneller de gemiddelde snelheid van de deeltjes in het systeem, hoe meer ze botsen en hoe meer warmte er vrijkomt, waardoor de gemeten temperatuur stijgt.
De SI-eenheid van temperatuur is de Kelvin (K). Dit is geen graad en heeft daarom geen bijbehorend symbool, in tegenstelling tot graden Celsius en Fahrenheit. K en °C hebben echter dezelfde grootte in die zin dat een toename van 1 K en een toename van 1 °C dezelfde fysieke verandering vertegenwoordigen. Maar de schalen zijn zo verschoven dat ° C = -273,15 K, en de minimale theoretische waarde van K is 0.
Bovendien (9/5)°C + 32 = °F.
Energie, warmte en hun eenheden
U bent ongetwijfeld bekend met de term calorie als een van de vele manieren om te meten wat het voedsel dat je eet afgeeft aan de cellulaire machinerie van je systeem. Sommige bronnen beweren dat de calorie eenheden van energie heeft; anderen zeggen dat het eenheden van warmte nodig heeft. In feite zijn beide beweringen waar, aangezien warmte een van de verschillende subtypes is van de "officiële" - hoewel nogal ongrijpbaar om vast te pinnen - hoeveelheid in de natuurkunde die bekend staat als energie.
Hoewel de calorie (cal) de basis vormt voor de meeste openbare gesprekken in de VS over de energie die wordt geleverd door voedsel, is dit niet de eenheid die wordt gebruikt in natuurkundeboeken en tijdschriften. De standaard internationale (SI) eenheid van energie, en dus van warmte, is de joule (J).
1 calorie = 4,18 J, maar de "calorie" die je op voedseletiketten ziet, is eigenlijk een kilocalorie (kcal) of 1.000 echte calorieën. Dus 1 "calorie" per voedingswaarde-etikettering is eigenlijk 4.180 joule of 4,18 kJ.
Hoe zijn warmte en temperatuur gerelateerd?
Je hebt gezien hoe temperatuur zich verhoudt tot warmte. Maar hoe werd de grootte van "één graad" in de eerste plaats bepaald? Mensen moesten een manier hebben om de vlekken op de temperatuurschaal te markeren tussen "bevroren" en "weggekookt" en nummers aan deze intervallen toe te kennen.
Als je namelijk een bepaalde hoeveelheid warmte toevoegt (Vraag) in joule naar een systeem, of warmte uit dat systeem verwijderen, kunt u bepalen hoeveel de temperatuur van het systeem zal veranderen (T) in Celsius, zolang je de massa van het systeem kent (vaak een monster van water) m in gram en zijn soortelijke warmte c, die van stof tot stof varieert:
Q = mc(∆T)
Voor water, c = 1 cal/(g)(°C) = 4,186 J/(g)(°C).
Voorbeeld: Als je een monster water van 1 liter hebt met een massa van 1000 g, hoeveel energie in kJ is er dan nodig om het monster met 1 °C op te warmen?
Q =mc(∆T) = (1.000 g)(4.186 J/g °C)(1 °C) = 4.186 = 4.186 kJ.
Bedenk dat dit de hoeveelheid energie is in een enkele "calorie" voedsel. Dit is vreemd als je bedenkt dat bijvoorbeeld 1 liter gezoete frisdrank ongeveer 400 keer deze hoeveelheid bevat, maar het lichaam gaat heel anders om met "calorieën" dan een simpele pot water.