Ciepło (fizyka): definicja, wzór i przykłady

Każdy zna pojęcie bycia zbyt gorącym lub zbyt zimnym lub odczuwania ciepła słonecznego w ciepły dzień, ale co konkretnie oznacza słowo „ciepło”? Czy jest to właściwość czegoś „gorącego”? Czy to to samo co temperatura? Okazuje się, że ciepło jest mierzalną wielkością, którą fizycy precyzyjnie zdefiniowali.

Ciepło jest tym, co naukowcy nazywają formą energii, która jest przenoszona między dwoma materiałami o różnej temperaturze. Ten transfer energii występuje z powodu różnic w średniej translacyjnej energii kinetycznej na cząsteczkę w dwóch materiałach. Ciepło przepływa z materiału o wyższej temperaturze do materiału o niższej temperaturze aż do osiągnięcia równowagi termicznej. Jednostką ciepła w układzie SI jest dżul, gdzie 1 dżul = 1 niuton × metr.

Aby lepiej zrozumieć, co się dzieje, gdy następuje transfer energii, wyobraź sobie następujący scenariusz: Dwa różne pojemniki są wypełnione maleńkimi gumowymi kulkami, które podskakują dookoła. W jednym z pojemników średnia prędkość kulek (a co za tym idzie ich średnia energia kinetyczna) jest znacznie większa niż średnia prędkość kulek w drugim pojemnik (chociaż prędkość pojedynczej kuli może być dowolna w dowolnym momencie, ponieważ tak wiele kolizji powoduje ciągły transfer energii między kulki.)

Jeśli umieścisz te pojemniki tak, aby ich boki stykały się, a następnie usuniesz ściany oddzielające ich zawartość, czego byś się spodziewał?

Kulki z pierwszego pojemnika zaczną wchodzić w interakcję z kulami z drugiego pojemnika. W miarę jak dochodzi do coraz większej liczby kolizji między kulkami, stopniowo średnie prędkości kulek z obu pojemników stają się takie same. Część energii z kulek z pierwszego pojemnika jest przekazywana do kulek w drugim pojemniku, aż do osiągnięcia tej nowej równowagi.

To właśnie dzieje się na poziomie mikroskopowym, gdy stykają się ze sobą dwa obiekty o różnej temperaturze. Energia z obiektu o wyższej temperaturze jest przekazywana w postaci ciepła do obiektu o niższej temperaturze.

Temperatura jest miarą średniej translacyjnej energii kinetycznej na cząsteczkę w substancji. W analogii kulek w pojemniku jest to miara średniej energii kinetycznej na kulkę w danym pojemniku. Na poziomie molekularnym atomy i cząsteczki wibrują i poruszają się. Nie możesz zobaczyć tego ruchu, ponieważ dzieje się to na tak małą skalę.

Popularne skale temperatury to Fahrenheit, Celsjusz i Kelvin, przy czym Kelvin jest standardem naukowym. Skala Fahrenheita jest najczęściej stosowana w Stanach Zjednoczonych. W tej skali woda zamarza w 32 stopniach i wrze w 212 stopniach. W skali Celsjusza, która jest powszechna w większości innych miejsc na świecie, woda zamarza w 0 stopniach i wrze w 100 stopniach.

Standardem naukowym jest jednak skala Kelvina. Chociaż wielkość przyrostu w skali Kelvina jest taka sama jak wielkość stopnia w skali Celsjusza, jej wartość 0 jest ustawiona w innym miejscu. 0 Kelwina to -273,15 stopnia Celsjusza.

Skąd taki dziwny wybór za 0? Okazuje się, że jest to znacznie mniej dziwny wybór niż zerowa wartość w skali Celsjusza. 0 Kelwin to temperatura, w której zatrzymuje się wszelki ruch molekularny. Jest to teoretycznie absolutnie najniższa możliwa temperatura.

W tym świetle skala Kelvina ma znacznie więcej sensu niż skala Celsjusza. Pomyśl na przykład o tym, jak mierzy się odległość. Dziwne byłoby stworzenie skali odległości, w której wartość 0 odpowiadałaby znacznikowi 1 m. W takiej skali, co by oznaczało, że coś byłoby dwa razy dłuższe od czegoś innego?

Całkowita energia wewnętrzna substancji to suma energii kinetycznych wszystkich jej cząsteczek. Zależy to od temperatury substancji (średniej energii kinetycznej na cząsteczkę) i całkowitej ilości substancji (liczby cząsteczek).

Możliwe jest, że dwa obiekty mają taką samą całkowitą energię wewnętrzną, a jednocześnie mają zupełnie różne temperatury. Na przykład chłodniejszy obiekt będzie miał niższą średnią energię kinetyczną na cząsteczkę, ale jeśli liczba cząsteczki są duże, to nadal może mieć taką samą całkowitą energię wewnętrzną cieplejszego obiektu z mniejszą liczbą molekuły.

Zaskakującym wynikiem tej zależności między całkowitą energią wewnętrzną a temperaturą jest fakt, że duża bryła lodu może mieć więcej energii niż zapalona główka zapałki, mimo że główka zapałki jest tak gorąca, że ​​jest włączona ogień!

Istnieją trzy główne metody przenoszenia energii cieplnej z jednego obiektu na drugi. Są to przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.

​Przewodzeniewystępuje, gdy energia jest przenoszona bezpośrednio między dwoma materiałami w kontakcie termicznym ze sobą. Jest to rodzaj transferu, który występuje w analogii z gumową piłką opisaną wcześniej w tym artykule. Kiedy dwa obiekty są w bezpośrednim kontakcie, energia jest przenoszona przez zderzenia między ich cząsteczkami. Energia ta powoli przemieszcza się od punktu kontaktu do reszty początkowo chłodniejszego obiektu, aż do osiągnięcia równowagi termicznej.

Jednak nie wszystkie przedmioty czy substancje przewodzą w ten sposób energię równie dobrze. Niektóre materiały, zwane dobrymi przewodnikami ciepła, mogą przenosić energię cieplną łatwiej niż inne materiały, zwane dobrymi izolatorami ciepła.

Prawdopodobnie miałeś doświadczenie z takimi przewodnikami i izolatorami w swoim codziennym życiu. W zimny zimowy poranek, jak chodzenie boso po podłodze z płytek ma się do chodzenia boso po dywanie? Prawdopodobnie wydaje się, że dywan jest nieco cieplejszy, ale tak nie jest. Obie podłogi mają prawdopodobnie tę samą temperaturę, ale płytka jest znacznie lepszym przewodnikiem ciepła. Z tego powodu powoduje, że energia cieplna opuszcza ciało znacznie szybciej.

​Konwekcjajest formą wymiany ciepła, która zachodzi w gazach lub płynach. Gazy iw mniejszym stopniu płyny ulegają zmianom gęstości wraz z temperaturą. Zwykle im są cieplejsze, tym są mniej gęste. Z tego powodu, a także ponieważ cząsteczki w gazach i płynach mogą się swobodnie poruszać, jeśli dolna część się nagrzeje, rozszerzy się, a tym samym uniesie się do góry ze względu na mniejszą gęstość.

Jeśli na przykład postawisz na kuchence garnek z wodą, woda na dnie garnka nagrzeje się, rozszerzy i uniesie się do góry, gdy chłodniejsza woda opadnie. Chłodniejsza woda następnie ogrzewa się, rozszerza, unosi się i tak dalej, tworząc prądy konwekcyjne, które powodują rozproszenie energii cieplnej w systemie poprzez mieszanie cząsteczek w systemie (w przeciwieństwie do cząsteczek, które pozostają w mniej więcej tym samym miejscu, gdy poruszają się tam i z powrotem, odbijając się w każdym inny.)

Konwekcja sprawia, że ​​grzejniki najlepiej sprawdzają się w ogrzewaniu domu, jeśli są umieszczone blisko podłogi. Grzejnik umieszczony pod sufitem ogrzewałby powietrze pod sufitem, ale to powietrze pozostawałoby na swoim miejscu.

Trzecią formą wymiany ciepła jestpromieniowanie. Promieniowanie to przenoszenie energii za pomocą fal elektromagnetycznych. Ciepłe przedmioty mogą wydzielać energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego. W ten sposób np. energia cieplna ze słońca dociera do Ziemi. Gdy to promieniowanie wejdzie w kontakt z innym obiektem, atomy w tym obiekcie mogą zyskać energię, pochłaniając ją.

Dwa różne materiały o tej samej masie będą podlegały różnym zmianom temperatury, pomimo dodania tej samej energii całkowitej ze względu na różnice w ilości zwanejspecyficzna pojemność cieplna. Właściwa pojemność cieplna zależy od danego materiału. Wartość pojemności cieplnej właściwej materiału zazwyczaj sprawdza się w tabeli.

Bardziej formalnie, właściwa pojemność cieplna jest definiowana jako ilość energii cieplnej, którą należy dodać na jednostkę masy, aby podnieść temperaturę o stopień Celsjusza. Jednostki SI dla właściwej pojemności cieplnej, zwykle oznaczane przezdosą J/kgK.

Pomyśl o tym w ten sposób: Załóżmy, że masz dwie różne substancje, które ważą dokładnie tyle samo i mają dokładnie taką samą temperaturę. Pierwsza substancja ma wysoką pojemność cieplną, a druga substancja ma niską pojemność cieplną. Załóżmy teraz, że dodajesz do obu dokładnie taką samą ilość energii cieplnej. Pierwsza substancja – ta o większej pojemności cieplnej – nie wzrośnie tak bardzo, jak druga substancja.

Istnieje wiele czynników, które wpływają na to, jak zmieni się temperatura substancji, gdy zostanie do niej przekazana określona ilość energii cieplnej. Czynniki te obejmują masę materiału (mniejsza masa ulegnie większej zmianie temperatury dla danej ilości dodanego ciepła) oraz ciepło właściwedo​.

Jeśli istnieje źródło ciepła dostarczające energięP, to suma ciepła dodawanego zależy odPi czast. Czyli energia cieplnaQbędzie równyP​ × ​t​.

Innym interesującym czynnikiem do rozważenia jest szybkość zmian temperatury. Czy przedmioty zmieniają swoją temperaturę w stałym tempie? Okazuje się, że tempo zmian zależy od różnicy temperatur między obiektem a jego otoczeniem. Zmianę tę opisuje prawo ochładzania Newtona. Im bliżej temperatury otoczenia znajduje się obiekt, tym wolniej zbliża się do stanu równowagi.

Wzór, który wiąże zmianę temperatury z masą obiektu, jednostkową pojemnością cieplną i dodaną lub odprowadzoną energią cieplną, wygląda następująco:

Ten wzór ma jednak zastosowanie tylko wtedy, gdy substancja nie przechodzi przemiany fazowej. Kiedy substancja przechodzi ze stanu stałego w ciecz lub przechodzi z cieczy w gaz, dodaje się do niej ciepło użyć powodując tę ​​zmianę fazy i nie spowoduje zmiany temperatury, dopóki zmiana fazy nie nastąpi kompletny.

Wielkość zwana utajonym ciepłem topnienia, oznaczonaL_fa, opisuje, ile energii cieplnej na jednostkę masy jest potrzebne do zmiany substancji z ciała stałego w ciecz. Podobnie jak w przypadku ciepła właściwego, jego wartość zależy od właściwości fizycznych danego materiału i często jest podana w tabelach. Równanie odnoszące się do energii cieplnejQdo masy materiałuma utajone ciepło topnienia to:

To samo dzieje się przy zmianie z cieczy na gaz. W takiej sytuacji wielkość zwana utajonym ciepłem parowania, oznaczana:L_v, opisuje, ile energii na jednostkę masy należy dodać, aby spowodować zmianę fazy. Otrzymane równanie jest identyczne z wyjątkiem indeksu dolnego:

Energia wewnętrznamijest całkowitą wewnętrzną energią kinetyczną lub energią cieplną w materiale. Zakładając gaz doskonały, w którym energia potencjalna między cząsteczkami jest pomijalna, wyraża się ją wzorem:

gdzienieto liczba moli,Tto temperatura w kelwinach i uniwersalna stała gazowaR= 8,3145 J/molK. Energia wewnętrzna wynosi 0 J przy absolutnym 0 K.

W termodynamice związek między zmianami energii wewnętrznej, transferem ciepła i pracą wykonaną na lub przez system jest powiązany poprzez:

Ta zależność jest znana jako pierwsza zasada termodynamiki. W istocie jest to stwierdzenie zachowania energii.