Varme (fysikk): definisjon, formel og eksempler

Alle er kjent med konseptet med å være for varm eller for kald eller føle varme fra solen på en varm dag, men hva betyr ordet "varme" spesifikt? Er det en egenskap til noe "varmt?" Er det det samme som temperatur? Det viser seg at varme er en målbar mengde som fysikere har definert nøyaktig.

Varme er det forskere kaller energiformen som overføres mellom to materialer med forskjellig temperatur. Denne overføringen av energi skjer på grunn av forskjeller i den gjennomsnittlige translasjonelle kinetiske energi per molekyl i de to materialene. Varme strømmer fra materialet med høyere temperatur til materialet med lavere temperatur til termisk likevekt er nådd. SI-enheten for varme er joule, der 1 joule = 1 newton × meter.

For å forstå bedre hva som skjer når denne energioverføringen skjer, forestill deg følgende scenario: To forskjellige beholdere er fylt med små gummikuler som spretter rundt. I en av beholderne er gjennomsnittshastigheten til kulene (og dermed deres gjennomsnittlige kinetiske energi) mye større enn gjennomsnittshastigheten til kulene i den andre beholderen (selv om hastigheten på en enkelt ball kan være hva som helst når som helst, da så mange kollisjoner forårsaker en kontinuerlig overføring av energi mellom baller.)

Hvis du plasserer disse beholderne slik at sidene berører, og fjerner veggene som skiller innholdet, hva ville du forvente å skje?

Kulene fra den første beholderen vil begynne å samhandle med kulene fra den andre beholderen. Etter hvert som flere og flere kollisjoner mellom kulene oppstår, blir gjennomsnittshastighetene på kulene fra begge containere gradvis de samme. Noe av energien fra kulene fra den første beholderen overføres til kulene i den andre beholderen til denne nye likevekten er nådd.

Dette er egentlig det som skjer på et mikroskopisk nivå når to objekter med forskjellig temperatur kommer i kontakt med hverandre. Energi fra objektet ved høyere temperatur overføres i form av varme til objektet med lavere temperatur.

Temperatur er et mål på gjennomsnittlig translasjonell kinetisk energi per molekyl i et stoff. I baller-i-beholder-analogien er det et mål på gjennomsnittlig kinetisk energi per ball i en gitt beholder. På molekylært nivå vibrerer atomer og molekyler og knirker rundt. Du kan ikke se denne bevegelsen fordi den skjer i så liten skala.

Vanlige temperaturskalaer er Fahrenheit, Celsius og Kelvin, med Kelvin som den vitenskapelige standarden. Fahrenheit-skalaen er mest vanlig i USA. På denne skalaen fryser vannet ved 32 grader og koker ved 212 grader. På Celsius-skalaen, som er vanlig de fleste andre steder i verden, fryser vann ved 0 grader og koker ved 100 grader.

Den vitenskapelige standarden er imidlertid Kelvin-skalaen. Mens størrelsen på en økning på Kelvin-skalaen er den samme som størrelsen på en grad på Celsius-skalaen, settes dens 0-verdi på et annet sted. 0 Kelvin er lik -273,15 grader Celsius.

Hvorfor et så rart valg for 0? Det viser seg at dette er mye mindre rart enn Celsius-skalaens nullverdi. 0 Kelvin er temperaturen der all molekylær bevegelse stopper. Det er den absolutt kaldeste temperaturen teoretisk mulig.

I dette lyset gir Kelvin-skalaen mye mer mening enn Celsius-skalaen. Tenk på hvordan avstand blir målt, for eksempel. Det ville være rart å lage en avstandsskala der 0-verdien tilsvarte 1 m-merket. På en slik skala, hva ville det bety for noe å være dobbelt så lang som noe annet?

Den totale indre energien til et stoff er den totale kinetiske energien til alle dets molekyler. Det avhenger av temperaturen på stoffet (den gjennomsnittlige kinetiske energien per molekyl) og den totale mengden av stoffet (antall molekyler).

Det er mulig for to objekter å ha samme totale indre energi mens de har helt forskjellige temperaturer. For eksempel vil et kjøligere objekt ha en lavere gjennomsnittlig kinetisk energi per molekyl, men hvis antallet molekyler er store, så kan det fortsatt ende opp med den samme totale indre energien til et varmere objekt med færre molekyler.

Et overraskende resultat av dette forholdet mellom total intern energi og temperatur er det faktum at en stor isblokk kan ende opp med mer energi enn et tent fyrstikkhode, selv om fyrstikkhodet er så varmt at det er på Brann!

Det er tre hovedmetoder der varmeenergi overføres fra ett objekt til et annet. De er ledning, konveksjon og stråling.

​Ledningoppstår når energi overføres direkte mellom to materialer i termisk kontakt med hverandre. Dette er typen overføring som forekommer i gummikuleanalogien beskrevet tidligere i denne artikkelen. Når to gjenstander er i direkte kontakt, overføres energi via kollisjoner mellom molekylene deres. Denne energien går sakte fra kontaktpunktet til resten av det opprinnelig kjøligere objektet til termisk likevekt er oppnådd.

Ikke alle gjenstander eller stoffer leder energi på denne måten like bra. Noen materialer, kalt gode varmeledere, kan overføre varmeenergi lettere enn andre materialer, kalt gode varmeisolatorer.

Du har sannsynligvis hatt erfaring med slike ledere og isolatorer i ditt daglige liv. På en kald vintermorgen, hvordan sammenligner det å gå barbeint på flisgulvet med å gå barbeint på teppet? Det virker nok som om teppet er noe varmere, men dette er ikke tilfelle. Begge etasjene har sannsynligvis samme temperatur, men flisen er en mye bedre varmeleder. På grunn av dette fører det til at varmeenergien forlater kroppen din mye raskere.

​Konveksjoner en form for varmeoverføring som forekommer i gasser eller væsker. Gasser, og i mindre grad væsker, opplever endringer i tettheten med temperaturen. Vanligvis jo varmere de er, jo mindre tette er de. På grunn av dette, og fordi molekylene i gasser og væsker er frie til å bevege seg, hvis den nederste delen blir varm, vil den utvide seg og dermed stige til toppen på grunn av dens lavere tetthet.

Hvis du for eksempel legger en vannpanne på komfyren, blir vannet på bunnen av pannen varm, utvides og stiger til toppen når det kjøligere vannet synker. Det kjøligere vannet varmer, utvides og stiger og så videre, og skaper konveksjonsstrømmer som får varmeenergien til å spre seg gjennom systemet ved å blande av molekylene i systemet (i motsetning til at molekylene holder seg omtrent på samme sted som de jiggler frem og tilbake og spretter inn i hver annen.)

Konveksjon er grunnen til at varmeovner fungerer best for å varme et hus hvis de plasseres nær gulvet. Et varmeapparat plassert nær taket ville varme opp luften i nærheten av taket, men den luften ville bli liggende.

Den tredje formen for varmeoverføring erstråling. Stråling er overføring av energi via elektromagnetiske bølger. Gjenstander som er varme kan avgi energi i form av elektromagnetisk stråling. Slik når for eksempel varmeenergi fra solen til jorden. Når strålingen kommer i kontakt med en annen gjenstand, kan atomene i den gjenstanden få energi ved å absorbere den.

To forskjellige materialer av samme masse vil gjennomgå forskjellige temperaturendringer til tross for at de har tilsatt samme totale energi på grunn av forskjeller i en mengde som kallesspesifikk varmekapasitet. Spesifikk varmekapasitet er avhengig av det aktuelle materialet. Du vil vanligvis slå opp verdien av materialets spesifikke varmekapasitet i en tabell.

Mer formelt er spesifikk varmekapasitet definert som mengden varmeenergi som må tilsettes per masseenhet for å øke temperaturen med en grad Celsius. SI-enhetene for spesifikk varmekapasitet, vanligvis betegnet medc, er J / kgK.

Tenk på det slik: Anta at du har to forskjellige stoffer som veier nøyaktig det samme og har nøyaktig samme temperatur. Det første stoffet har høy spesifikk varmekapasitet, og det andre stoffet har lav spesifikk varmekapasitet. Anta at du tilfører nøyaktig samme mengde varmeenergi til dem begge. Den første substansen - den med høyere varmekapasitet - vil ikke øke så mye i temperatur som den andre substansen.

Det er mange faktorer som påvirker hvordan temperaturen til et stoff vil endres når en gitt mengde varmeenergi overføres til det. Disse faktorene inkluderer massen av materialet (en mindre masse vil gjennomgå en større temperaturendring for en gitt mengde tilført varme) og den spesifikke varmekapasitetenc​.

Hvis det er en varmekilde som leverer strømP, avhenger den totale tilførte varmen avPog tidt. Det vil si varmeenergienSpørsmålvil likeP​ × ​t​.

Temperaturendringshastigheten er en annen interessant faktor å vurdere. Endrer objektene temperaturene sine med konstant hastighet? Det viser seg at endringshastigheten avhenger av temperaturforskjellen mellom objektet og dets omgivelser. Newtons lov om kjøling beskriver denne endringen. Jo nærmere et objekt er omgivende temperatur, jo langsommere nærmer det seg likevekt.

Formelen som relaterer temperaturendringen til et objekts masse, spesifikke varmekapasitet og varmeenergi tilsatt eller fjernet er som følger:

Denne formelen gjelder bare hvis stoffet ikke gjennomgår en faseendring. Når et stoff skifter fra fast til væske eller skifter fra væske til gass, legges varmen som tilføres det å bruke som forårsaker denne faseendringen og vil ikke resultere i en temperaturendring før faseendringen er fullstendig.

En mengde kalt latent fusjonsvarme, betegnetL_f, beskriver hvor mye varmeenergi per masseenhet som kreves for å endre et stoff fra et fast stoff til en væske. Akkurat som med spesifikk varmekapasitet, avhenger verdien av de fysiske egenskapene til det aktuelle materialet og blir ofte slått opp i tabeller. Ligningen som relaterer varmeenergiSpørsmåltil massen av et materialemog den latente fusjonsvarmen er:

Det samme skjer når du bytter fra væske til gass. I en slik situasjon, betegnet en mengde kalt latent fordampningsvarmeL_v, beskriver hvor mye energi per masseenhet som må tilsettes for å forårsake faseendringen. Den resulterende ligningen er identisk bortsett fra abonnement:

Indre energiEer den totale indre kinetiske energien, eller termisk energi, i et materiale. Forutsatt en ideell gass der potensiell energi mellom molekyler er ubetydelig, er den gitt med formelen:

hvorner antall føflekker,Ter temperaturen i Kelvin og den universelle gasskonstantenR= 8,3145 J / molK. Den indre energien blir 0 J ved absolutt 0 K.

I termodynamikk er forholdet mellom endringer i intern energi, overført varme og arbeid utført på eller av et system relatert via:

Dette forholdet er kjent som den første loven om termodynamikk. I hovedsak er det en uttalelse om energibesparelse.