Każdy ma poczucie różnicy między „gorącym” a „zimnym”, przynajmniej w skali względnej, takiej jak temperatura. Jeśli włożysz litr wody stojącej na blacie w temperaturze pokojowej do normalnie działającej lodówki, zrobi się chłodniejsza. Jeśli zamiast tego włożysz go do kuchenki mikrofalowej ustawionej na wysoką temperaturę na trzy minuty, zrobi się cieplej.
Ponieważ „gorąco” i „zimno” są terminami subiektywnymi i mogą oznaczać różne rzeczy dla różnych osób w różnym czasie, an obiektywna skala jest potrzebna naukowcom i innym, aby precyzyjnie opisać „gorętość” i „chłód” w skali numerycznej. Ta skala to oczywiście temperatura, której najczęstszymi jednostkami na świecie są kelwiny (K), stopnie Celsjusza (°C) i stopnie Fahrenheita (°F).
Temperatura z kolei nie jest miarą „ciepła”, która ma jednostki energii i jest wielkością zbywalną w naukach fizycznych. Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek w materii; ruch tych cząsteczek generuje ciepło. Jeśli nadal jesteś zdezorientowany, nie martw się. Właśnie się rozgrzewasz!
Co to jest ciepło i skąd pochodzi?
Ciepło można wyobrazić sobie jako całkowitą ilość energii wynikającą z ruchu cząsteczkowego substancji. Ciepło można sobie wyobrazić jako „płynące” z miejsc, w których jest go dużo do miejsc, w których jest stosunkowo mało, tak jak płynie woda w dół pod wpływem grawitacji i cząsteczki mają tendencję do przemieszczania się z obszarów o wyższym stężeniu (gęstość cząstek) do obszarów o niższym stężenie.
Ciepło jest zwykle podawane w dżule (J), SI lub układ międzynarodowy, jednostka energii. To równa się 4,18 kalorie (cal), ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1 grama (1 g) wody (H2O) o 1 stopień Celsjusza (°C). („Kaloria” na etykietach żywności to w rzeczywistości kilokaloria (kcal) lub 1000 kalorii.
Ogrzewanie materii powoduje przyspieszenie cząstek w tej materii; materia chłodząca powoduje spowolnienie cząstek. W końcu prowadzi to nie tylko do większego (lub mniejszego) ciepła i wyższych (lub niższych) temperatur, ale także do zmian fazowych, o których wkrótce przeczytasz.
Definicje ruchu cząstek
Temperatura jest teoretycznie nieograniczoną wielkością na górnym końcu, ale jej wartość nie może być niższa niż 0 K, co jest równe temperaturze zwanej zerem bezwzględnym. Ujemne wartości są niemożliwe, ponieważ cząsteczki i atomy nie mogą mieć „ujemnego ruchu”. Mogą po prostu całkowicie przestać wibrować i w konsekwencji nie uwalniać ciepła.
średnia energia kinetyczna cząsteczek w próbce, czy to stałej, ciekłej czy gazowej, służy do ustalenia temperatury, ponieważ wartość ta jest stabilna w danej temperaturze.
Indywidualna wartość energii kinetycznej danej cząsteczki będzie się zmieniać w czasie, szczególnie w wysokich temperaturach. Ponieważ zwykle ocenia się miliony cząstek, średnia tych wartości energii pozostaje taka sama, jeśli warunki eksperymentalne nie są zaburzone (tj. dla gazu, ciśnienie, objętość i liczba cząstek w próba).
Stany materii, ciepła i temperatury
Stany lub fazy materii odpowiadają energii kinetycznej cząsteczek w substancji.
Materia w solidny stan ma „zimniejsze cząsteczki” niż ta sama substancja podgrzana dostatecznie, aby ją stopić lub spowodować, że stanie się płynna. (Płyn zestala się, ponieważ ochładza się i traci ciepło nazywamy zamarzaniem). Ciecz przyjmuje kształt pojemnika zachowując swoją objętość, dzięki czemu cząsteczki mogą prześlizgiwać się obok siebie, ale bardzo niewiele może „uciec” do otoczenia atmosfera.
Materia w gaz lub gazowy stan ma najwyższą energię kinetyczną i „najgorętsze” cząstki w swoich fazach istnienia. Poszczególne cząstki nie przylegają do siebie i zamiast tego mogą odbijać się od siebie i ścian pojemnika, który gaz łatwo wypełnia, a jego cząstki są równomiernie rozłożone w pojemniku, ale nadal są w ruchu.