Noen ganger bruker folk begrepenevarmeogtemperaturom hverandre. De forbinder varme med ordetvarmtog forstå temperatur som også relatert til "hethet" eller "kulde" til noe. Kanskje de vil si at temperaturen på en vårdag føles helt riktig fordi det er akkurat den rette mengden varme.
I fysikk er imidlertid disse to størrelsene ganske forskjellige fra hverandre. De er ikke mål på det samme, og de har ikke de samme enhetene, selv om de begge kan informere din forståelse av termiske egenskaper.
Indre energi
For å forstå varme og temperatur på et grunnleggende nivå, er det først viktig å forstå begrepet intern energi. Mens du kanskje er kjent med gjenstander som har kinetisk energi på grunn av deres bevegelse, eller potensiell energi pga deres posisjon, innenfor et gitt objekt, kan molekylene i seg selv også ha en form for kinetisk og potensial energi.
Denne molekylære kinetiske og potensielle energien er atskilt fra det du kan se når du ser på, si en murstein. En murstein som sitter på bakken ser ut til å være urørlig, og du kan anta at den ikke har noen kinetisk eller potensiell energi knyttet til den. Og det gjør det faktisk ikke i betydningen din forståelse av grunnleggende mekanikk.
Men selve mursteinen består av mange molekyler som hver for seg gjennomgår forskjellige typer små bevegelser som du ikke kan se. Molekylene kan også oppleve potensiell energi på grunn av deres nærhet til andre molekyler og kreftene som utøves mellom dem. Den totale indre energien til denne mursteinen er summen av de kinetiske og potensielle energiene til molekylene selv.
Som du sannsynligvis har lært, er energi bevart. I tilfelle ingen friksjon eller avledende krefter virker på et objekt, bevares også mekanisk energi. Det vil si at kinetisk energi kan endre seg til potensiell energi og omvendt, men totalen forblir konstant. Når en kraft som friksjon virker, kan du imidlertid legge merke til at den totale mekaniske energien avtar. Dette er fordi energien tok andre former som lydenergi eller termisk energi.
Når du gni hendene sammen på en kald dag, konverterer du mekanisk energi til termisk energi. Det vil si at den kinetiske energien til hendene dine som beveger seg mot hverandre, endret form og ble kinetisk energi til molekylene i hendene dine i forhold til hverandre. Gjennomsnittet av denne kinetiske energien i molekylene i hendene dine er det forskere definerer som temperatur.
Definisjon av temperatur
Temperatur er et mål på gjennomsnittlig kinetisk energi per molekyl i et stoff. Merk at det ikke er det samme som stoffets indre energi fordi det ikke inkluderer potensiell energi og heller ikke er et mål på den totale energien i stoffet. I stedet er det den totale kinetiske energien delt på antall molekyler. Som sådan avhenger det ikke av hvor mye av noe du har (som total intern energi har), men heller av hvor mye kinetisk energi det gjennomsnittlige molekylet i stoffet bærer rundt.
Temperaturen kan måles i mange forskjellige enheter. Blant disse er Fahrenheit, som er mest vanlig i USA og noen få andre steder. På Fahrenheit-skalaen fryser vannet ved 32 grader og koker ved 212. En annen vanlig skala er Celsius-skalaen, brukt mange andre steder i verden. På denne skalaen fryser vannet ved 0 grader og koker ved 100 grader (noe som gir en ganske klar ide om hvordan denne skalaen ble utviklet).
Men den vitenskapelige standarden er Kelvin-skalaen. Mens størrelsen på en økning på Kelvin-skalaen er den samme som en Celsius-grad, starter Kelvin-skalaen ved en temperatur som kalles absolutt null, det er der all molekylær bevegelse stopper. Det begynner med andre ord på den kaldeste mulige temperaturen.
Null grader Celsius er 273,15 på Kelvin-skalaen. Kelvin-skalaen er den vitenskapelige standarden med god grunn. Anta at noe er på 0 grader Celsius. Hva ville det bety å si at et andre objekt er dobbelt så høyt som temperaturen? Ville den varen også være 0 Celsius? Vel på Kelvin-skalaen forårsaker denne forestillingen ingen problemer, og det er nettopp fordi den starter på absolutt null.
Definisjon av Heat
Vurder to stoffer eller gjenstander ved forskjellige temperaturer. Hva betyr dette? Dette betyr at i gjennomsnitt er molekylene i et av stoffene (den høyere temperaturen) beveger seg rundt med en større gjennomsnittlig kinetisk energi enn molekylene i lavere temperatur substans.
Hvis disse to stoffene kommer i kontakt, ikke overraskende, begynner energien å snittes mellom stoffene når mikroskopiske kollisjoner oppstår. Stoffet som opprinnelig var ved høyere temperatur vil avkjøles når det andre stoffet stiger i temperatur til de begge har samme temperatur. Forskere kaller denne endelige tilstandentermisk likevekt.
Den termiske energien som overføres fra den varmere gjenstanden til den kjøligere gjenstanden er det forskere kaller varme. Varme er energiformen som overføres mellom to materialer som har forskjellige temperaturer. Varme strømmer alltid fra materialet med høyere temperatur til materialet med lavere temperatur til termisk likevekt er nådd.
Siden varme er en form for energi, er SI-enheten varme.
Forskjeller mellom varme og temperatur
Som du har sett av de foregående definisjonene, er varme og temperatur faktisk to forskjellige fysiske mål. Dette er bare noen av forskjellene deres:
De måles i forskjellige enheter.SI-enheten for temperatur er Kelvin, og SI-enheten for varme er joule. Kelvin regnes som en baseenhet, noe som betyr at den ikke kan brytes ned i en kombinasjon av andre grunnleggende enheter. Joule tilsvarer et kgm2/ s2.
De er forskjellige i deres avhengighet av antall molekyler.Temperatur er et mål på gjennomsnittlig kinetisk energi per molekyl, noe som betyr at det ikke betyr noe hvor mye av et stoff du har når du snakker temperatur. Mengden varmeenergi som kan overføres mellom stoffer, avhenger imidlertid veldig av hvor mye av hvert stoff du har.
De er forskjellige typer variabler.Temperatur er kjent som en tilstandsvariabel. Det vil si at den definerer tilstanden som et stoff eller en gjenstand er i. Varme er derimot en prosessvariabel. Den beskriver en prosess som skjer - i dette tilfellet energien som overføres. Det gir ikke mening å snakke om varme når alt er i likevekt.
De måles forskjellig.Temperatur måles med et termometer, som vanligvis er en enhet som bruker termisk ekspansjon for å endre avlesningen på en skala. Varme måles derimot med et kalorimeter.
Likheter og forhold mellom varme og temperatur.
Varme og temperatur er ikke helt uavhengig av hverandre, men:
De er begge viktige mengder innen termodynamikk.Studiet av termisk energi er avhengig av evnen til å måle temperaturen samt evnen til å holde oversikt over varmeoverføringer.
Varmeoverføring drives av temperaturforskjeller.Når to gjenstander har forskjellige temperaturer, vil varmeenergien overføres fra den varmere til den kjøligere til den termiske likevekten er nådd. Som sådan er disse temperaturforskjellene driveren til varmeoverføring.
De har en tendens til å øke og redusere sammen.Hvis det tilføres varme til et system, går temperaturen opp. Hvis varmen fjernes fra et system, går temperaturen ned. (Et unntak fra dette skjer med faseoverganger, i hvilket tilfelle varmeenergi brukes til å forårsake en faseovergang i stedet for en endring i temperatur.)
De er relatert til hverandre ved hjelp av en ligning.Varme energiSpørsmåler relatert til en temperaturendringATvia ligningen Q = mcΔT hvormer massen av stoffet ogcer dens spesifikke varmekapasitet (det vil si et mål på mengden varmeenergi som kreves for å heve en enhetsmasse med en grad Kelvin for et bestemt stoff.)
Varme, temperatur og total intern energi
Intern energi er den totale indre kinetiske og potensielle energien, eller termisk energi i et materiale. For en ideell gass, der potensiell energi mellom molekyler er ubetydelig, intern energiEer gitt med formelen E = 3 / 2nRT hvorner antall mol av gassen og den universelle gasskonstantenR= 8,3145 J / molK.
Forholdet mellom intern energi og temperatur viser at, ikke overraskende, når temperaturen øker, øker termisk energi. Den indre energien blir også 0 ved absolutt 0 Kelvin.
Varme kommer inn i bildet når du begynner å se på endringer i indre energi. Den første loven om termodynamikk gir følgende forhold:
\ Delta E = Q - W
hvorSpørsmåler varmen tilført systemet ogWer arbeidet som gjøres av systemet. I hovedsak er dette en uttalelse om bevaring av energi. Når du tilfører varmeenergi, øker den indre energien. Hvis systemet fungerer i omgivelsene, reduseres den indre energien.
Temperatur som en funksjon av varmeenergi
Som nevnt tidligere, resulterer varmeenergi tilført et system vanligvis i en tilsvarende temperaturøkning med mindre systemet gjennomgår en faseendring. For å se nærmere på dette, bør du vurdere en isblokk som begynner under frysepunktet når varmeenergi tilsettes med konstant hastighet.
Hvis varmeenergi tilsettes kontinuerlig mens isblokken varmes opp til frysing, gjennomgår en faseendring for å bli vann og deretter fortsetter å varme opp til den når koke, der den gjennomgår en ny faseendring for å bli damp, grafen over temperatur vs. varme vil se ut som følgende:
Mens isen er under frysepunktet, er det en lineær sammenheng mellom varmeenergi og temperatur. Dette er ikke overraskende som det burde være, gitt ligningen Q = mcΔT. Når isen når frysetemperaturen, må imidlertid tilført varmeenergi brukes for å hjelpe den med å endre fase. Temperaturen forblir konstant selv om det fortsatt tilføres varme. Ligningen som relaterer varmeenergi til masse under en faseendring fra fast til væske er følgende:
Q = ml_f
hvorLfer den latente fusjonsvarmen - en konstant som relaterer hvor mye energi som kreves per masseenhet for å forårsake endringen fra fast til væske.
Så, til en mengde varme likmlfer lagt til, forblir temperaturen konstant.
Når all isen har smeltet, stiger temperaturen igjen lineært til den når kokepunktet. Også her skjer en faseendring, denne gangen fra væske til gass. Ligningen som relaterer varme til masse under denne faseendringen er veldig lik:
hvorLver den latente fordampningsvarmen - en konstant som relaterer hvor mye energi som kreves per masseenhet for å forårsake overgangen fra væske til gass. Så temperaturen forblir igjen konstant til nok varmeenergi er tilsatt. Merk at den forblir konstant lenger denne gangen. Det er fordiLver vanligvis høyere ennLffor et stoff.
Den siste delen av grafen viser igjen det samme lineære forholdet som før.