Știi din experiență că atunci când indică valoarea unui termometru temperatura crește, condițiile ambientale devin mai calde. Când această valoare scade, condițiile ambientale devin mai reci. Este, de asemenea, probabil conștient de faptul că există mai multe scale comune de temperatură utilizate pentru a cuantifica cu precizie acest fenomen.
Dacă modificările de temperatură indică într-un fel un câștig sau o pierdere de căldură în vecinătate, există vreo modalitate de a surprinde corelația? Adică, o anumită modificare a temperaturii (să zicem, în grade Celsius sau ° C) poate fi corelată cu un câștig sau o pierdere dată de căldură - presupunând că „căldura” este chiar un lucru care poate fi măsurat cu precizie în fizică?
Într-adevăr, este posibilă corelarea schimbărilor de temperatură cu câștigurile sau pierderile de căldură, în unitățile de căldură utile, cum ar fi kilojulii (kJ), este posibilă - atâta timp cât știți literalmente cu ce aveți de-a face.
Temperatura și scările sale
Temperatura este o cantitate măsurată de un dispozitiv numit termometru. Este derivat matematic din energia cinetică medie a particulelor (atomi și molecule) dintr-un sistem, cum ar fi un container închis sau o cameră.
Energia cinetică este energia mișcării. Când particulele minuscule se închid prin aer, ele se ciocnesc între ele, iar coliziunile eliberează căldură. Cu cât viteza medie a particulelor din sistem este mai mare, cu atât acestea se vor ciocni și se va elibera mai multă căldură, crescând temperatura măsurată.
Unitatea SI de temperatură este Kelvin (K). Acesta nu este un grad și, prin urmare, nu are nici un simbol asociat, spre deosebire de cazul Celsius și Fahrenheit. Cu toate acestea, K și ° C au aceeași magnitudine în sensul că o creștere de 1 K și o creștere de 1 ° C reprezintă aceeași schimbare fizică. Dar scale sunt compensate astfel încât ° C = -273,15 K, iar valoarea teoretică minimă a lui K este 0.
În plus, (9/5) ° C + 32 = ° F.
Energie, căldură și unitățile lor
Fără îndoială că sunteți familiarizat cu termenul calorie ca una dintre numeroasele modalități de a măsura ceea ce alimentele pe care le consumați livrează echipamentelor celulare ale sistemului dumneavoastră. Unele surse afirmă că caloria are unități de energie; alții spun că este nevoie de unități de căldură. De fapt, ambele afirmații sunt adevărate, deoarece căldura este unul dintre diferitele subtipuri ale cantității „oficiale” - dacă este destul de evazivă de identificat - în fizică, cunoscută sub numele de energie.
În timp ce caloriile (cal) reprezintă baza pentru cea mai mare conversație publică din SUA despre energia furnizată de alimente, aceasta nu este unitatea utilizată în manualele și jurnalele de fizică. Unitatea internațională standard (SI) de energie și, prin urmare, de căldură, este joule (J).
1 calorie = 4,18 J, dar „caloria” pe care o vedeți pe etichetele alimentelor este de fapt o kilocalorie (kcal) sau 1.000 de calorii adevărate. Astfel, 1 „calorie” per etichetare nutrițională este de fapt 4,180 jouli, sau 4,18 kJ.
Cum sunt legate căldura și temperatura?
Ați văzut cum se raportează temperatura la căldură. Dar cum a fost determinată dimensiunea „unui grad” în primul rând? Oamenii trebuiau să aibă un mod de a marca punctele de pe scara de temperatură între „înghețat” și „fierte” și de a atribui numere acestor intervale.
Așa cum se întâmplă, dacă adăugați o anumită cantitate de căldură (Î) în jouli la un sistem sau eliminați căldura din sistemul respectiv, puteți determina cât de mult se va schimba temperatura sistemului (∆T) în Celsius atâta timp cât știți masa sistemului (adesea o probă de apă) m în grame și căldură specifică c, care variază de la substanță la substanță:
Q = mc (∆T)
Pentru apă, c = 1 cal / (g) (° C) = 4,186 J / (g) (° C).
Exemplu: Dacă aveți o probă de 1 litru de apă, care are o masă de 1.000 g, câtă energie în kJ este necesară pentru a încălzi proba cu 1 ° C?
Q = mc (∆T) = (1.000 g) (4.186 J / g ° C) (1 ° C) = 4.186 = 4.186 kJ.
Amintiți-vă că aceasta este cantitatea de energie dintr-o singură „calorie” din alimente. Acest lucru este ciudat atunci când considerați că, să zicem, 1 L de sifon îndulcit are de aproximativ 400 de ori această cantitate, dar corpul manipulează „caloriile” mult diferit decât un simplu borcan de apă.