Probabil că sunteți familiarizați cu termometrele, cu temperaturi ridicate, cu senzația de cald și de frig și cu ce este nevoie pentru a fierbe apa. Acum este timpul să vă extindeți înțelegerea intuitivă a căldurii și temperaturii și să aflați cum o fac fizicienii.
În această introducere a fizicii termice veți afla ce sunt căldura și temperatura, precum și la ce fenomene se aplică această ramură a fizicii.
Studiul căldurii și temperaturii
Fizica termică este studiul căldură și temperatură. Căldura este definită ca energia care se transferă între două obiecte cu temperaturi diferite - trecând de la obiectul mai cald la obiectul mai rece.
Căldură este un tip de energie termică. Energia termică este energia asociată cu mișcarea moleculară din interiorul unui obiect. În interiorul oricărui obiect, moleculele nu stau pur și simplu nemișcate; chiar dacă nu puteți vedea vizibil mișcarea, toți se mișcă în jurul lor și se bat între ei.
Temperatura este o măsură a energiei cinetice medii pe moleculă. S-ar putea să fiți familiarizați cu măsurarea acestuia în grade Fahrenheit sau chiar Celsius, dar unitatea SI pe care oamenii de știință o preferă este Kelvin.
Totalul energie interna un obiect are depinde de masa, temperatura și capacitate termică specifică. Capacitatea de căldură specifică este o măsură a cantității de energie termică necesară pentru a crește temperatura unei unități de masă cu 1 grad. Diferite materiale au capacități de căldură specifice diferite, iar capacitatea de căldură a unui anumit material poate fi de obicei căutată într-un tabel.
Transferul de căldură
Căldura se poate transfera de la un obiect la altul în trei moduri principale. Acestea sunt:
- Conducerea
- Convecție
- Radiații
În conducție, cele două obiecte sunt în contact fizic, iar energia termică se deplasează de la obiectul mai cald la obiectul mai rece prin coliziuni directe între moleculele din obiecte.
În convecție, căldura este transferată de curenții de convecție. Acest lucru se întâmplă când fierbeți apă pe aragaz. Apa din fundul cratiței se încălzește mai întâi și, pe măsură ce se încălzește, se extinde, devenind mai puțin densă. Fiind mai puțin dens, se ridică în vârful tigaiei pe măsură ce apa mai rece se scufundă și apoi se încălzește.
În radiații, energia termică este transferată prin radiație electromagnetică. Astfel veți obține energie de la soare. Această energie călătorește prin vidul spațiului ca radiație, care apoi încălzește Pământul când ajunge la noi.
Schimbări de fază
Pe măsură ce energia termică este adăugată materialelor, acestea cresc în temperatură. În anumite puncte, numit tranziții de fază, materialul se schimbă faza. Materialele se pot schimba de la solid la lichid și de la lichid la gaz și chiar de la gaz la plasmă.
Temperaturile la care se produce o schimbare de fază depind de materialul însuși și de condițiile de presiune. Acest lucru este studiat utilizând o diagramă de fază.
Cantitatea de energie necesară pentru schimbarea fazei unui material depinde de căldura latentă a acelui material. Căldura latentă de fuziune a unui material este cantitatea de energie termică necesară pentru a schimba o masă unitară a substanței respective din solid în lichid. Căldura latentă de vaporizare a unui material este cantitatea de energie termică necesară pentru a-l schimba dintr-un lichid în gaz.
Termodinamica
Fizica termică duce în cele din urmă la studiul termodinamicii, care este ramura fizicii care studiază schimbarea sistemelor termice utilizând teoria cinetică și mecanica statistică.
Există trei legi ale termodinamicii care guvernează procesele termodinamice. Acestea sunt numite, pur și simplu, prima lege a termodinamicii, a doua lege a termodinamicii și a treia lege a termodinamicii. Când aflați mai întâi despre aceste legi, veți învăța de obicei cum se aplică la un gaz ideal și cum se folosește legea gazului ideal.
Termodinamica vă poate ajuta să înțelegeți cum funcționează motoarele cu aburi, frigiderele, pompele de căldură și alte articole similare.