U bent waarschijnlijk bekend met thermometers en het meten van temperaturen, het warm en koud voelen en wat er nodig is om water te koken. Nu is het tijd om je intuïtieve begrip van warmte en temperatuur uit te breiden en te leren hoe de natuurkundigen het doen.
In deze inleiding tot thermische fysica leer je wat warmte en temperatuur zijn en op welke fenomenen deze tak van de natuurkunde van toepassing is.
De studie van warmte en temperatuur
Thermische fysica is de studie van warmte en temperatuur. Warmte wordt gedefinieerd als energie die wordt overgedragen tussen twee objecten met verschillende temperaturen - van het warmere object naar het koelere object.
Warmte is een soort thermische energie. Thermische energie is de energie die verband houdt met de moleculaire beweging in een object. In elk object staan de moleculen niet gewoon stil; ook al kun je de beweging niet zichtbaar zien, ze wiebelen allemaal rond en stuiteren tegen elkaar.
Temperatuur is een maat voor de gemiddelde kinetische energie per molecuul. Je bent misschien bekend met het meten in graden Fahrenheit of zelfs Celsius, maar de SI-eenheid waar wetenschappers de voorkeur aan geven, is de Kelvin.
Het totaal interne energie een object heeft hangt af van zijn massa, temperatuur en specifieke warmte capaciteit. Specifieke warmtecapaciteit is een maat voor hoeveel warmte-energie nodig is om de temperatuur van een eenheidsmassa met 1 graad te verhogen. Verschillende materialen hebben verschillende specifieke warmtecapaciteiten en de warmtecapaciteit van een bepaald materiaal kan meestal in een tabel worden opgezocht.
Overdracht van warmte
Warmte kan op drie primaire manieren van het ene object naar het andere worden overgedragen. Dit zijn:
- Geleiding
- Convectie
- straling
In geleiding staan de twee objecten in fysiek contact en de warmte-energie verplaatst zich van het warmere object naar het koelere object door directe botsingen tussen moleculen in de objecten.
Bij convectie wordt warmte overgedragen door convectiestromen. Dit gebeurt wanneer je water kookt op het fornuis. Het water op de bodem van de pan warmt eerst op en naarmate het opwarmt, zet het uit en wordt het minder dicht. Omdat het minder dicht is, stijgt het naar de bovenkant van de pan als het koelere water zakt en vervolgens opwarmt.
Bij straling wordt warmte-energie overgedragen via elektromagnetische straling. Zo haal je energie uit de zon. Die energie reist door het vacuüm van de ruimte als straling, die vervolgens de aarde verwarmt wanneer deze ons bereikt.
Faseveranderingen
Naarmate warmte-energie aan materialen wordt toegevoegd, nemen ze in temperatuur toe. Op bepaalde punten, genaamd faseovergangen, de materiële veranderingsfase. Materialen kunnen veranderen van vast naar vloeibaar en van vloeibaar naar gas, en zelfs van gas naar plasma.
De temperaturen waarbij een faseverandering optreedt, zijn afhankelijk van het materiaal zelf en de drukomstandigheden. Dit wordt onderzocht met behulp van een fasediagram.
De hoeveelheid energie die nodig is om de fase van een materiaal te veranderen, hangt af van de latente warmte van dat materiaal. De latente smeltwarmte van een materiaal is de hoeveelheid warmte-energie die nodig is om een eenheidsmassa van die stof van vast naar vloeibaar te veranderen. De latente verdampingswarmte van een materiaal is de hoeveelheid warmte-energie die nodig is om het van een vloeistof in een gas te veranderen.
Thermodynamica
Thermische fysica leidt uiteindelijk tot de studie van de thermodynamica, de tak van de natuurkunde die veranderende thermische systemen bestudeert met behulp van kinetische theorie en statistische mechanica.
Er zijn drie wetten van de thermodynamica die thermodynamische processen beheersen. Deze worden eenvoudigweg de eerste wet van de thermodynamica, de tweede wet van de thermodynamica en de derde wet van de thermodynamica genoemd. Wanneer u voor het eerst over deze wetten leert, leert u meestal hoe ze van toepassing zijn op een ideaal gas en maakt u gebruik van de ideale gaswet.
Thermodynamica kan u helpen begrijpen hoe stoommachines, koelkasten, warmtepompen en andere soortgelijke items werken.