Warmte (natuurkunde): definitie, formule en voorbeelden

Iedereen kent het concept van te warm of te koud zijn of warmte van de zon voelen op een warme dag, maar wat betekent het woord 'warmte' precies? Is het een eigenschap van iets 'heet'? Is dat hetzelfde als temperatuur? Het blijkt dat warmte een meetbare grootheid is die natuurkundigen precies hebben gedefinieerd.

Warmte is wat wetenschappers de vorm van energie noemen die wordt overgedragen tussen twee materialen van verschillende temperatuur. Deze energieoverdracht vindt plaats vanwege verschillen in de gemiddelde translatiekinetische energie per molecuul in de twee materialen. Warmte stroomt van het materiaal met hogere temperatuur naar het materiaal met lagere temperatuur totdat thermisch evenwicht is bereikt. De SI-eenheid van warmte is de joule, waarbij 1 joule = 1 newton × meter.

Om beter te begrijpen wat er gebeurt wanneer deze energieoverdracht plaatsvindt, stelt u zich het volgende scenario voor: Twee verschillende containers zijn gevuld met kleine rubberen balletjes die rondom stuiteren. In een van de containers is de gemiddelde snelheid van de ballen (en dus hun gemiddelde kinetische energie) veel groter dan de gemiddelde snelheid van de ballen in de tweede container (hoewel de snelheid van elke individuele bal op elk moment van alles kan zijn, aangezien zoveel botsingen een voortdurende overdracht van energie tussen de ballen.)

Als je deze containers zo plaatst dat hun zijkanten elkaar raken en vervolgens de wanden verwijdert die hun inhoud scheiden, wat zou je dan verwachten dat er zou gebeuren?

De ballen uit de eerste container gaan interactie aan met de ballen uit de tweede container. Naarmate er meer en meer botsingen tussen de ballen plaatsvinden, worden geleidelijk de gemiddelde snelheden van de ballen uit beide containers hetzelfde. Een deel van de energie van de ballen uit de eerste container wordt overgebracht naar de ballen in de tweede container totdat dit nieuwe evenwicht is bereikt.

Dit is in wezen wat er op microscopisch niveau gebeurt wanneer twee objecten van verschillende temperatuur met elkaar in contact komen. Energie van het object bij hogere temperatuur wordt overgedragen in de vorm van warmte naar het object met lagere temperatuur.

Temperatuur is een maat voor de gemiddelde translatiekinetische energie per molecuul in een stof. In de ballen-in-container-analogie is het een maat voor de gemiddelde kinetische energie per bal in een bepaalde container. Op moleculair niveau trillen en wiebelen atomen en moleculen. Je kunt deze beweging niet zien omdat het op zo'n kleine schaal gebeurt.

Gebruikelijke temperatuurschalen zijn Fahrenheit, Celsius en Kelvin, waarbij Kelvin de wetenschappelijke standaard is. De Fahrenheit-schaal komt het meest voor in de Verenigde Staten. Op deze schaal bevriest water bij 32 graden en kookt het bij 212 graden. Op de schaal van Celsius, die op de meeste andere plaatsen in de wereld gebruikelijk is, bevriest water bij 0 graden en kookt het bij 100 graden.

De wetenschappelijke standaard is echter de Kelvin-schaal. Hoewel de grootte van een toename op de Kelvin-schaal hetzelfde is als de grootte van een graad op de Celsius-schaal, wordt de 0-waarde op een andere plaats ingesteld. 0 Kelvin is gelijk aan -273,15 graden Celsius.

Waarom zo'n vreemde keuze voor 0? Het blijkt dat dit een veel minder vreemde keuze is dan de nulwaarde van de Celsius-schaal. 0 Kelvin is de temperatuur waarbij alle moleculaire beweging stopt. Het is de absoluut koudste temperatuur die theoretisch mogelijk is.

In dit licht is de Kelvin-schaal veel logischer dan de Celsius-schaal. Denk bijvoorbeeld aan hoe afstand wordt gemeten. Het zou vreemd zijn om een ​​afstandsschaal te maken waarbij de 0-waarde gelijk was aan de markering van 1 m. Wat zou op zo'n schaal betekenen dat iets twee keer zo lang is als iets anders?

De totale interne energie van een stof is het totaal van de kinetische energieën van al zijn moleculen. Het hangt af van de temperatuur van de stof (de gemiddelde kinetische energie per molecuul) en de totale hoeveelheid van de stof (het aantal moleculen).

Het is mogelijk dat twee objecten dezelfde totale interne energie hebben terwijl ze totaal verschillende temperaturen hebben. Een koeler object zal bijvoorbeeld een lagere gemiddelde kinetische energie per molecuul hebben, maar als het aantal moleculen groot is, dan kan het toch met dezelfde totale interne energie van een warmer object eindigen met minder moleculen.

Een verrassend resultaat van deze relatie tussen totale interne energie en temperatuur is het feit dat een blok ijs kan meer energie opleveren dan een verlichte luciferkop, ook al is de luciferkop zo heet dat hij aan staat brand!

Er zijn drie hoofdmethoden waarmee warmte-energie van het ene object naar het andere wordt overgedragen. Dit zijn geleiding, convectie en straling.

​Geleidingtreedt op wanneer energie rechtstreeks wordt overgedragen tussen twee materialen die in thermisch contact met elkaar staan. Dit is het type overdracht dat optreedt in de analogie van de rubberen bal die eerder in dit artikel is beschreven. Wanneer twee objecten in direct contact staan, wordt energie overgedragen via botsingen tussen hun moleculen. Deze energie baant zich langzaam een ​​weg van het contactpunt naar de rest van het aanvankelijk koelere object totdat thermisch evenwicht is bereikt.

Niet alle objecten of stoffen geleiden energie op deze manier echter even goed. Sommige materialen, goede thermische geleiders genoemd, kunnen warmte-energie gemakkelijker overbrengen dan andere materialen, goede thermische isolatoren genoemd.

U hebt waarschijnlijk in uw dagelijks leven ervaring met dergelijke geleiders en isolatoren. Hoe verhoudt zich op een koude winterochtend blootsvoets op een tegelvloer tot blootsvoets op tapijt stappen? Het lijkt waarschijnlijk alsof het tapijt op de een of andere manier warmer is, maar dit is niet het geval. Beide vloeren hebben waarschijnlijk dezelfde temperatuur, maar de tegel is een veel betere warmtegeleider. Hierdoor verlaat de warmte-energie veel sneller je lichaam.

​Convectieis een vorm van warmteoverdracht die optreedt in gassen of vloeistoffen. Gassen, en in mindere mate vloeistoffen, ondergaan veranderingen in hun dichtheid met de temperatuur. Meestal hoe warmer ze zijn, hoe minder dicht ze zijn. Hierdoor, en omdat de moleculen in gassen en vloeistoffen vrij kunnen bewegen, zal het onderste gedeelte als het warm wordt uitzetten en dus naar boven stijgen vanwege de lagere dichtheid.

Als je bijvoorbeeld een pan met water op het fornuis zet, warmt het water op de bodem van de pan op, zet uit en stijgt naar boven als het koudere water zakt. Het koelere water warmt dan op, zet uit en stijgt, enzovoort, waardoor convectiestromen ontstaan ​​die ervoor zorgen dat de warmte-energie door het systeem wordt verspreid door te mengen van de moleculen in het systeem (in tegenstelling tot de moleculen die allemaal op ongeveer dezelfde plaats blijven terwijl ze heen en weer schudden en tegen elkaar botsen andere.)

Convectie is de reden waarom kachels het beste werken om een ​​huis te verwarmen als ze dicht bij de vloer worden geplaatst. Een verwarming die bij het plafond wordt geplaatst, zou de lucht nabij het plafond verwarmen, maar die lucht zou blijven zitten.

De derde vorm van warmteoverdracht is:straling. Straling is de overdracht van energie via elektromagnetische golven. Voorwerpen die warm zijn, kunnen energie afgeven in de vorm van elektromagnetische straling. Zo bereikt bijvoorbeeld warmte-energie van de zon de aarde. Zodra die straling in contact komt met een ander object, kunnen de atomen in dat object energie winnen door het te absorberen.

Twee verschillende materialen van dezelfde massa zullen verschillende temperatuurveranderingen ondergaan ondanks dezelfde totale toegevoegde energie als gevolg van verschillen in een hoeveelheid genaamdspecifieke warmte capaciteit. De specifieke warmtecapaciteit is afhankelijk van het materiaal in kwestie. Meestal zoekt u de waarde van de specifieke warmtecapaciteit van een materiaal op in een tabel.

Meer formeel wordt de soortelijke warmtecapaciteit gedefinieerd als de hoeveelheid warmte-energie die per massa-eenheid moet worden toegevoegd om de temperatuur met een graad Celsius te verhogen. De SI-eenheden voor specifieke warmtecapaciteit, meestal aangeduid metc, zijn J/kgK.

Denk er zo over na: Stel je hebt twee verschillende stoffen die precies hetzelfde wegen en precies dezelfde temperatuur hebben. De eerste stof heeft een hoge soortelijke warmtecapaciteit en de tweede stof een lage soortelijke warmtecapaciteit. Stel nu dat je aan beide precies dezelfde hoeveelheid warmte-energie toevoegt. De eerste stof – die met de hoogste warmtecapaciteit – zal niet zo veel in temperatuur stijgen als de tweede stof.

Er zijn veel factoren die van invloed zijn op hoe de temperatuur van een stof zal veranderen wanneer er een bepaalde hoeveelheid warmte-energie aan wordt overgedragen. Deze factoren omvatten de massa van het materiaal (een kleinere massa zal een grotere temperatuurverandering ondergaan voor een bepaalde hoeveelheid toegevoegde warmte) en de specifieke warmtecapaciteitc​.

Als er een warmtebron is die stroom levert:P, dan hangt de totale toegevoegde warmte af vanPen tijdt. Dat wil zeggen, de warmte-energieVraagzal gelijk zijn aanP​ × ​t​.

De snelheid van temperatuurverandering is een andere interessante factor om te overwegen. Veranderen objecten hun temperatuur met een constante snelheid? Het blijkt dat de snelheid van verandering afhangt van het temperatuurverschil tussen het object en zijn omgeving. De afkoelingswet van Newton beschrijft deze verandering. Hoe dichter een object bij de omgevingstemperatuur is, hoe langzamer het evenwicht nadert.

De formule die de verandering in temperatuur relateert aan de massa van een object, de soortelijke warmtecapaciteit en de toegevoegde of verwijderde warmte-energie is als volgt:

Deze formule is echter alleen van toepassing als de stof geen faseverandering ondergaat. Wanneer een stof verandert van vast naar vloeibaar of van vloeibaar naar gas verandert, wordt de warmte eraan toegevoegd om deze faseverandering te veroorzaken en zal niet resulteren in een temperatuurverandering totdat de faseverandering is compleet.

Een hoeveelheid die de latente fusiewarmte wordt genoemd, aangeduid alsL_f, beschrijft hoeveel warmte-energie per massa-eenheid nodig is om een ​​stof van een vaste stof in een vloeistof te veranderen. Net als bij de soortelijke warmtecapaciteit hangt de waarde ervan af van de fysieke eigenschappen van het materiaal in kwestie en wordt deze vaak opgezocht in tabellen. De vergelijking die warmte-energie relateertVraagtot de massa van een materiaalmen de latente fusiewarmte is:

Hetzelfde gebeurt bij het overschakelen van vloeistof naar gas. In een dergelijke situatie wordt een hoeveelheid die de latente verdampingswarmte wordt genoemd, aangeduid alsL_v, beschrijft hoeveel energie per massa-eenheid moet worden toegevoegd om de faseverandering te veroorzaken. De resulterende vergelijking is identiek behalve subscript:

Interne energieEis de totale interne kinetische energie, of thermische energie, in een materiaal. Uitgaande van een ideaal gas waarbij eventuele potentiële energie tussen moleculen verwaarloosbaar is, wordt dit gegeven door de formule:

waarneeis het aantal mol,Tis temperatuur in Kelvin en de universele gasconstanteR= 8,3145 J/molK. De interne energie wordt 0 J bij absolute 0 K.

In de thermodynamica is de relatie tussen veranderingen in interne energie, overgedragen warmte en werk aan of door een systeem gerelateerd via:

Deze relatie staat bekend als de eerste wet van de thermodynamica. In wezen is het een verklaring van behoud van energie.