Fizyka termiczna: przegląd

Prawdopodobnie znasz termometry i pomiary temperatury, uczucie gorąca i zimna oraz to, czego potrzeba do zagotowania wody. Teraz nadszedł czas, aby poszerzyć swoje intuicyjne rozumienie ciepła i temperatury i dowiedzieć się, jak to robią fizycy.

W tym wprowadzeniu do fizyki cieplnej dowiesz się, czym jest ciepło i temperatura, a także jakich zjawisk dotyczy ta gałąź fizyki.

Fizyka cieplna jest nauką o ciepło i temperatura. Ciepło jest definiowane jako energia, która przenosi się między dwoma obiektami o różnych temperaturach – przemieszczając się z cieplejszego obiektu do chłodniejszego obiektu.

Ciepło to rodzaj energii cieplnej. Energia cieplna to energia związana z ruchem molekularnym w obiekcie. Wewnątrz jakiegokolwiek obiektu molekuły nie stoją po prostu w bezruchu; nawet jeśli nie możesz wyraźnie zobaczyć ruchu, wszystkie podskakują i odbijają się od siebie.

Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej na cząsteczkę. Możesz być zaznajomiony z mierzeniem go w stopniach Fahrenheita lub nawet Celsjusza, ale preferowaną przez naukowców jednostką SI jest kelwin.

Suma energia wewnętrzna obiekt ma zależy od jego masy, temperatury i specyficzna pojemność cieplna. Ciepło właściwe jest miarą ilości energii cieplnej potrzebnej do podniesienia temperatury jednostki masy o 1 stopień. Różne materiały mają różne właściwe pojemności cieplne, a pojemność cieplną każdego konkretnego materiału można zwykle sprawdzić w tabeli.

Ciepło może przenosić się z jednego obiektu na drugi na trzy podstawowe sposoby. To są:

• Przewodzenie
• Konwekcja
• Promieniowanie

Podczas przewodzenia oba obiekty są w fizycznym kontakcie, a energia cieplna przemieszcza się z cieplejszego obiektu do chłodniejszego poprzez bezpośrednie zderzenia między cząsteczkami w obiektach.

W konwekcji ciepło jest przenoszone przez prądy konwekcyjne. Dzieje się tak, gdy gotujesz wodę na kuchence. Woda na dnie patelni najpierw się nagrzewa, a gdy się nagrzewa, rozszerza się, stając się mniej gęsta. Będąc mniej gęstą, unosi się na szczyt patelni, gdy chłodniejsza woda opada, a następnie się nagrzewa.

W promieniowaniu energia cieplna jest przekazywana przez promieniowanie elektromagnetyczne. W ten sposób czerpiesz energię ze słońca. Ta energia przemieszcza się przez próżnię kosmosu jako promieniowanie, które następnie ogrzewa Ziemię, kiedy do nas dociera.

W miarę dodawania energii cieplnej do materiałów wzrasta ich temperatura. W niektórych punktach, zwanych przejścia fazowe, faza zmian materiału. Materiały mogą zmieniać się ze stałego w płyn, z cieczy w gaz, a nawet z gazu w plazmę.

Temperatury, w których następuje zmiana fazy, zależą od samego materiału i warunków ciśnienia. Jest to badane za pomocą diagramu fazowego.

Ilość energii wymagana do zmiany fazy materiału zależy od utajonego ciepła tego materiału. Utajone ciepło topnienia materiału to ilość energii cieplnej wymaganej do zmiany masy jednostkowej tej substancji ze stałej na płynną. Ciepło utajone parowania materiału to ilość energii cieplnej potrzebnej do przekształcenia go z cieczy w gaz.

Fizyka termiczna ostatecznie prowadzi do badania termodynamiki, która jest gałęzią fizyki badającą zmieniające się układy termiczne za pomocą teorii kinetycznej i mechaniki statystycznej.

Istnieją trzy prawa termodynamiki rządzące procesami termodynamicznymi. Nazywa się je po prostu pierwszą zasadą termodynamiki, drugą zasadą termodynamiki i trzecią zasadą termodynamiki. Kiedy po raz pierwszy zapoznasz się z tymi prawami, zazwyczaj dowiesz się, jak odnoszą się one do gazu doskonałego i jak wykorzystają prawo gazu doskonałego.

Termodynamika może pomóc Ci zrozumieć, jak działają silniki parowe, lodówki, pompy ciepła i inne podobne przedmioty.