Z doświadczenia wiesz, że gdy wartość na termometrze wskazuje temperatura wzrasta, warunki otoczenia stają się cieplejsze. Gdy ta wartość spada, warunki otoczenia stają się chłodniejsze. Prawdopodobnie zdajesz sobie również sprawę, że istnieje wiele popularnych skal temperatury, które pozwalają precyzyjnie określić ilościowo to zjawisko.
Jeśli zmiany temperatury w jakiś sposób wskazują na wzrost lub utratę ciepło w pobliżu, czy jest jakiś sposób na uchwycenie korelacji? To znaczy, czy dana zmiana temperatury (powiedzmy w stopniach Celsjusza lub °C) może być skorelowana z danym przyrostem lub utratą ciepła – zakładając, że „ciepło” jest nawet rzeczą, którą można precyzyjnie zmierzyć w fizyce?
Rzeczywiście, skorelowanie zmian temperatury z przyrostami lub stratami ciepła w przydatnych jednostkach ciepła, takich jak kilodżule (kJ), jest możliwe – o ile dosłownie wiesz, z czym masz do czynienia.
Temperatura i jej skale
Temperatura to wielkość mierzona przez urządzenie zwane termometrem. Jest matematycznie wyprowadzona ze średniej energii kinetycznej cząstek (atomów i cząsteczek) w układzie, takim jak zamknięty pojemnik lub pomieszczenie.
Energia kinetyczna to energia ruchu. Kiedy drobne cząsteczki przelatują przez powietrze, zderzają się ze sobą, a zderzenia uwalniają ciepło. Im większa jest średnia prędkość cząstek w układzie, tym bardziej będą się zderzać i tym więcej ciepła zostanie uwolnione, podnosząc mierzoną temperaturę.
Jednostką temperatury w układzie SI jest kelwin (K). Nie jest to stopień, a zatem nie ma związanego z nim symbolu, w przeciwieństwie do stopni Celsjusza i Fahrenheita. Jednak K i °C mają tę samą wielkość w tym sensie, że wzrost o 1 K i wzrost o 1 °C reprezentują tę samą zmianę fizyczną. Ale skale są przesunięte tak, że °C = -273,15 K, a minimalna teoretyczna wartość K wynosi 0.
Dodatkowo (9/5)°C + 32 = °F.
Energia, ciepło i ich jednostki
Bez wątpienia znasz ten termin kaloria jako jeden z wielu sposobów mierzenia tego, co spożywana żywność dostarcza do maszynerii komórkowej twojego systemu. Niektóre źródła twierdzą, że kaloria ma jednostki energii; inni twierdzą, że wymaga jednostek ciepła. W rzeczywistości oba twierdzenia są prawdziwe, ponieważ ciepło jest jednym z różnych podtypów „oficjalnej” – choć raczej nieuchwytnej do określenia – ilości w fizyce zwanej energią.
Podczas gdy kaloria (cal) jest podstawą większości publicznych rozmów w USA na temat energii dostarczanej przez żywność, nie jest to jednostka używana w podręcznikach fizyki i czasopismach. Standardową międzynarodową jednostką (SI) energii, a zatem i ciepła, jest dżul (JOT).
1 kaloria = 4,18 J, ale „kaloria”, którą widzisz na etykietach żywności, to w rzeczywistości kilokaloria (kcal) lub 1000 prawdziwych kalorii. Tak więc 1 „kaloria” na etykietę wartości odżywczej to w rzeczywistości 4180 dżuli lub 4,18 kJ.
Jak są powiązane ciepło i temperatura?
Widziałeś, jak temperatura ma się do ciepła. Ale jak w pierwszej kolejności określono wielkość „jednego stopnia”? Ludzie musieli mieć sposób zaznaczania punktów na skali temperatur pomiędzy „zamrożonymi” a „wygotowanymi” i przyporządkowania im numerów.
Jak to się dzieje, jeśli dodasz określoną ilość ciepła (Q) w dżulach do systemu lub usunąć ciepło z tego systemu, można określić, jak bardzo zmieni się temperatura systemu (T) w stopniach Celsjusza, o ile znasz masę układu (często próbka wody) mi w gramach i jego ciepło właściwe c, który różni się w zależności od substancji:
Q =mc(∆T)
Dla wody c = 1 cal/(g)(°C) = 4,186 J/(g)(°C).
Przykład: Jeśli masz litrową próbkę wody, która ma masę 1000 g, ile energii w kJ potrzeba, aby ogrzać próbkę o 1 °C?
Q =mc(∆T) = (1000 g)(4,186 J/g°C)(1°C) = 4186 = 4,186 kJ.
Przypomnij sobie, że jest to ilość energii w jednej „kalorii” pożywienia. To dziwne, biorąc pod uwagę, że 1 litr słodzonej sody ma około 400 razy więcej, ale organizm radzi sobie z „kaloriami” znacznie inaczej niż zwykły słoik wody.