Ciepło a temperatura: jakie są podobieństwa i różnice? (z wykresem)

Ludzie czasami używają terminówciepłoitemperaturazamiennie. Łączą ciepło ze słowemgorącoi rozumieć, że temperatura jest również powiązana z „gorącą” lub „zimną” czymś. Być może powiedzą, że temperatura w wiosenny dzień jest w sam raz, bo to odpowiednia ilość ciepła.

Jednak w fizyce te dwie wielkości różnią się od siebie. Nie są one miarami tego samego i nie mają tych samych jednostek, chociaż obie mogą pomóc w zrozumieniu właściwości termicznych.

Aby zrozumieć ciepło i temperaturę na podstawowym poziomie, najpierw ważne jest zrozumienie pojęcia energii wewnętrznej. Chociaż możesz być zaznajomiony z obiektami posiadającymi energię kinetyczną ze względu na ich ruch lub energię potencjalną ze względu na ich położenie w danym obiekcie, same cząsteczki mogą mieć również postać kinetyczną i potencjałową energia.

Ta molekularna energia kinetyczna i potencjalna jest oddzielona od tego, co można zobaczyć patrząc na, powiedzmy, cegłę. Cegła leżąca na ziemi wydaje się być nieruchoma i można założyć, że nie ma z nią żadnej energii kinetycznej ani potencjalnej. I rzeczywiście, nie w sensie twojego rozumienia podstawowej mechaniki.

Ale sama cegła składa się z wielu cząsteczek, które indywidualnie przechodzą różne rodzaje małych ruchów, których nie można zobaczyć. Cząsteczki mogą również doświadczać energii potencjalnej ze względu na ich bliskość do innych cząsteczek i siły wywierane między nimi. Całkowita energia wewnętrzna tej cegły jest sumą energii kinetycznej i potencjalnej samych cząsteczek.

Jak się zapewne nauczyłeś, energia jest oszczędzana. W przypadku, gdy na obiekt nie działają żadne siły tarcia lub rozpraszania, zachowana jest również energia mechaniczna. Oznacza to, że energia kinetyczna może zmienić się w energię potencjalną i odwrotnie, ale suma pozostaje stała. Kiedy jednak działa siła, taka jak tarcie, możesz zauważyć, że całkowita energia mechaniczna maleje. Dzieje się tak, ponieważ energia przybrała inne formy, takie jak energia dźwięku lub energia cieplna.

Kiedy zacierasz ręce w zimny dzień, zamieniasz energię mechaniczną w energię cieplną. Oznacza to, że energia kinetyczna twoich rąk poruszających się względem siebie zmieniła formę i stała się energią kinetyczną cząsteczek w twoich rękach względem siebie. Średnia tej energii kinetycznej w cząsteczkach w twoich rękach jest tym, co naukowcy określają jako temperaturę.

Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej na cząsteczkę substancji. Zauważ, że nie jest to to samo co energia wewnętrzna substancji, ponieważ nie obejmuje energii potencjalnej, a także nie jest miarą całkowitej energii substancji. Zamiast tego jest to całkowita energia kinetyczna podzielona przez liczbę cząsteczek. Jako takie, nie zależy to od tego, ile czegoś masz (jak całkowita energia wewnętrzna), ale raczej od tego, ile energii kinetycznej niesie przeciętna cząsteczka w substancji.

Temperatura może być mierzona w wielu różnych jednostkach. Wśród nich są Fahrenheit, który jest najczęściej spotykany w USA i kilka innych miejsc. W skali Fahrenheita woda zamarza w temperaturze 32 stopni i wrze w temperaturze 212. Inną popularną skalą jest skala Celsjusza, używana w wielu innych miejscach na świecie. W tej skali woda zamarza w 0 stopniach i wrze w 100 stopniach (co daje dość jasne wyobrażenie o tym, jak opracowano tę skalę).

Ale standardem naukowym jest skala Kelvina. Podczas gdy wielkość przyrostu w skali Kelvina jest taka sama jak stopień Celsjusza, skala Kelvina zaczyna się w temperaturze zwanej zerem bezwzględnym, w którym zatrzymuje się cały ruch molekularny. Innymi słowy, zaczyna się w najzimniejszej możliwej temperaturze.

Zero stopni Celsjusza to 273,15 w skali Kelvina. Skala Kelvina jest naukowym standardem nie bez powodu. Załóżmy, że coś ma temperaturę 0 stopni Celsjusza. Co by to znaczyło powiedzieć, że drugi obiekt ma dwukrotnie wyższą temperaturę? Czy ta pozycja również miałaby wartość 0 Celsjusza? Cóż, w skali Kelvina to pojęcie nie sprawia problemów, a to właśnie dlatego, że zaczyna się od zera absolutnego.

Rozważ dwie substancje lub przedmioty w różnych temperaturach. Co to znaczy? Oznacza to, że średnio cząsteczki w jednej z substancji (o wyższej temperaturze) są poruszanie się z większą średnią energią kinetyczną niż cząsteczki w niższej temperaturze substancja.

Jeśli te dwie substancje wejdą w kontakt, nic dziwnego, że energia zaczyna się uśredniać między substancjami, gdy dochodzi do mikroskopijnych zderzeń. Substancja, która początkowo była w wyższej temperaturze, ostygnie, gdy druga substancja wzrośnie, aż obie osiągną tę samą temperaturę. Naukowcy nazywają ten stan końcowyrównowaga termiczna; równowaga cieplna​.

Energia cieplna przekazywana z cieplejszego obiektu do chłodniejszego jest tym, co naukowcy nazywają ciepłem. Ciepło to forma energii przekazywana między dwoma materiałami o różnych temperaturach. Ciepło zawsze przepływa z materiału o wyższej temperaturze do materiału o niższej temperaturze, aż do osiągnięcia równowagi termicznej.

Ponieważ ciepło jest formą energii, jednostką ciepła w układzie SI jest dżul.

Jak widzieliście w poprzednich definicjach, ciepło i temperatura są rzeczywiście dwoma różnymi miarami fizycznymi. To tylko niektóre z ich różnic:

​Są mierzone w różnych jednostkach.Jednostką SI temperatury jest kelwin, a jednostką SI ciepła jest dżul. Kelwin jest uważany za jednostkę podstawową, co oznacza, że ​​nie można go podzielić na kombinację innych podstawowych jednostek. Dżul jest odpowiednikiem kgm²/s².

​Różnią się one zależnością od liczby cząsteczek.Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej na cząsteczkę, co oznacza, że ​​nie ma znaczenia, ile substancji masz, gdy mówisz o temperaturze. Jednak ilość energii cieplnej, która może zostać przekazana między substancjami, w dużym stopniu zależy od tego, ile posiadasz każdej substancji.

​Są to różne typy zmiennych.Temperatura jest znana jako zmienna stanu. Oznacza to, że określa stan, w jakim znajduje się substancja lub przedmiot. Z drugiej strony ciepło jest zmienną procesową. Opisuje zachodzący proces – w tym przypadku przekazywaną energię. Nie ma sensu mówić o cieple, kiedy wszystko jest w równowadze.

​Są mierzone inaczej.Temperaturę mierzy się za pomocą termometru, który jest zwykle urządzeniem wykorzystującym rozszerzalność cieplną do zmiany odczytu na skali. Natomiast ciepło mierzy się kalorymetrem.

Ciepło i temperatura nie są ze sobą całkowicie niezależne, jednak:

​Obie są ważnymi wielkościami w termodynamice.Badanie energii cieplnej opiera się na możliwości pomiaru temperatury, a także śledzenia wymiany ciepła.

​Wymiana ciepła jest napędzana przez różnice temperatur.Gdy dwa obiekty mają różne temperatury, energia cieplna będzie przenosić się z cieplejszego do chłodniejszego, aż do osiągnięcia równowagi termicznej. Jako takie, te różnice temperatur są motorem wymiany ciepła.

​Mają tendencję do wzrostu i spadku razem.Jeśli do systemu dodawane jest ciepło, temperatura wzrasta. Jeśli ciepło jest usuwane z systemu, temperatura spada. (Jeden wyjątek od tego występuje w przypadku przejść fazowych, w którym to przypadku energia cieplna jest wykorzystywana do spowodowania przejścia fazowego zamiast zmiany temperatury).

​Są ze sobą powiązane równaniem.Energia cieplnaQwiąże się ze zmianą temperaturyTpoprzez równanie Q = mcΔT gdziemto masa substancji idojest jego specyficzną pojemnością cieplną (tj. miarą ilości energii cieplnej wymaganej do podniesienia masy jednostkowej o stopień Kelvina dla danej substancji).

Energia wewnętrzna to całkowita wewnętrzna energia kinetyczna i potencjalna lub energia cieplna w materiale. Dla gazu doskonałego, w którym energia potencjalna między cząsteczkami jest znikoma, energia wewnętrznamijest wyrażona wzorem E = 3/2nRT gdzienieto liczba moli gazu i uniwersalna stała gazowaR= 8,3145 J/molK.

Związek między energią wewnętrzną a temperaturą pokazuje, że nie jest zaskoczeniem, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia cieplna. Energia wewnętrzna również staje się 0 przy absolutnym 0 Kelvina.

Ciepło pojawia się na obrazie, kiedy zaczynasz przyglądać się zmianom energii wewnętrznej. Pierwsza zasada termodynamiki daje następującą zależność:

gdzieQczy ciepło jest dodawane do systemu i?Wto praca wykonana przez system. W istocie jest to stwierdzenie zachowania energii. Kiedy dodajesz energię cieplną, wzrasta energia wewnętrzna. Jeśli system działa w swoim otoczeniu, energia wewnętrzna spada.

Jak wspomniano wcześniej, energia cieplna dodana do systemu zwykle powoduje odpowiedni wzrost temperatury, chyba że system przechodzi przemianę fazową. Aby przyjrzeć się temu bliżej, rozważ blok lodu, który zaczyna się poniżej zera, ponieważ energia cieplna jest dodawana w stałym tempie.

Jeśli energia cieplna jest dodawana w sposób ciągły, podczas gdy blok lodu rozgrzewa się do zamarzania, przechodzi przemianę fazową w wodę, a następnie nadal się nagrzewa, aż osiągnie wrzenie, gdzie przechodzi kolejną przemianę fazową, aby stać się parą, wykres temperatury vs. ciepło będzie wyglądać następująco:

Podczas gdy lód jest poniżej zera, istnieje liniowa zależność między energią cieplną a temperaturą. Nie jest to zaskakujące, jak powinno być, biorąc pod uwagę równanie Q = mcΔT. Jednak gdy lód osiągnie temperaturę zamarzania, wszelka dodana energia cieplna musi zostać wykorzystana, aby pomóc mu zmienić fazę. Temperatura pozostaje stała, nawet pomimo dodawania ciepła. Równanie, które wiąże energię cieplną z masą podczas zmiany fazy ze stałego na ciekły, jest następujące:

gdzieL_fato utajone ciepło topnienia – stała określająca, ile energii jest potrzebne na jednostkę masy, aby spowodować zmianę ze stanu stałego w ciecz.

Tak więc, dopóki ilość ciepła nie będzie równaml_fazostał dodany, temperatura pozostaje stała.

Gdy cały lód się roztopi, temperatura ponownie wzrośnie liniowo, aż osiągnie temperaturę wrzenia. Tu znowu następuje zmiana fazy, tym razem z cieczy na gaz. Równanie dotyczące ciepła do masy podczas tej zmiany fazy jest bardzo podobne:

gdzieL_vto utajone ciepło parowania – stała określająca, ile energii jest potrzebne na jednostkę masy, aby spowodować przejście z cieczy w gaz. Tak więc temperatura ponownie pozostaje stała, dopóki nie zostanie dodana wystarczająca ilość energii cieplnej. Zauważ, że tym razem pozostaje ona stała przez dłuższy czas. Tak jest ponieważL_vjest zazwyczaj wyższa niżL_fadla substancji.

Ostatnia część wykresu ponownie pokazuje tę samą zależność liniową, co poprzednio.