Du er sannsynligvis kjent med termometre og tar temperaturer, føler deg varm og kald, og hva som trengs for å koke vann. Nå er det på tide å utvide din intuitive forståelse av varme og temperatur og lære hvordan fysikerne gjør det.
I denne introduksjonen til termisk fysikk vil du lære hva varme og temperatur er, samt hvilke fenomener denne gren av fysikk gjelder for.
Studiet av varme og temperatur
Termisk fysikk er studiet av varme og temperatur. Varme er definert som energi som overføres mellom to objekter med forskjellige temperaturer - beveger seg fra det varmere objektet til det kjøligere objektet.
Varme er en type termisk energi. Termisk energi er energien assosiert med den molekylære bevegelsen i et objekt. Inne i ethvert objekt står molekylene ikke bare stille; selv om du ikke synlig kan se bevegelsen, sjirrer de alle rundt og spretter inn i hverandre.
Temperatur er et mål på gjennomsnittlig kinetisk energi per molekyl. Du kan være kjent med å måle det i grader Fahrenheit eller til og med Celsius, men SI-enheten som forskere foretrekker er Kelvin.
Totalen indre energi et objekt har, avhenger av masse, temperatur og spesifikk varmekapasitet. Spesifikk varmekapasitet er et mål på hvor mye varmeenergi som kreves for å øke temperaturen til en enhetsmasse med 1 grad. Ulike materialer har forskjellige spesifikke varmekapasiteter, og varmekapasiteten til et bestemt materiale kan vanligvis bli slått opp i en tabell.
Overføring av varme
Varme kan overføres fra ett objekt til et annet på tre primære måter. Disse er:
- Ledning
- Konveksjon
- Stråling
Under ledning er de to objektene i fysisk kontakt, og varmeenergien beveger seg fra den varmere gjenstanden til den kjøligere gjenstanden ved direkte kollisjon mellom molekyler i gjenstandene.
I konveksjon overføres varme med konveksjonsstrømmer. Dette skjer når du koker vann på komfyren. Vannet i bunnen av pannen varmes opp først, og når det varmer utvides det og blir mindre tett. Siden den er mindre tett, stiger den til toppen av pannen når det kjøligere vannet synker og deretter varmes opp.
I stråling overføres varmeenergi via elektromagnetisk stråling. Slik får du energi fra solen. Den energien beveger seg gjennom vakuumet i rommet som stråling, som deretter varmer jorden når den når oss.
Faseendringer
Når varmeenergi tilsettes materialer, øker de i temperatur. På visse punkter, kalt faseoverganger, materialet endrer fase. Materialer kan skifte fra fast til væske og fra væske til gass, og til og med fra gass til plasma.
Temperaturene der en faseendring forekommer, avhenger av selve materialet og trykkforholdene. Dette studeres ved hjelp av et fasediagram.
Mengden energi som kreves for å endre fasen til et materiale, avhenger av materialets latente varme. Den latente fusjonsvarmen til et materiale er mengden varmeenergi som kreves for å endre en enhetsmasse av stoffet fra fast til væske. Den latente fordampningsvarmen til et materiale er mengden varmeenergi som kreves for å endre det fra en væske til en gass.
Termodynamikk
Termisk fysikk fører til slutt til studiet av termodynamikk, som er grenen av fysikk som studerer endrede termiske systemer ved hjelp av kinetisk teori og statistisk mekanikk.
Det er tre lover om termodynamikk som styrer termodynamiske prosesser. Disse kalles ganske enkelt termodynamikkens første lov, den andre loven om termodynamikk og den tredje loven om termodynamikk. Når du først lærer om disse lovene, vil du vanligvis lære hvordan de gjelder en ideell gass og bruke den ideelle gassloven.
Termodynamikk kan hjelpe deg med å forstå hvordan dampmotorer, kjøleskap, varmepumper og andre lignende ting fungerer.