Căldură (fizică): definiție, formulă și exemple

Toată lumea este familiarizată cu conceptul de a fi prea cald sau prea rece sau de a simți căldură de la soare într-o zi caldă, dar ce înseamnă în mod specific cuvântul „căldură”? Este o proprietate a ceva „fierbinte?” Este același lucru cu temperatura? Se pare că căldura este o cantitate măsurabilă pe care fizicienii au definit-o cu precizie.

Căldura este ceea ce oamenii de știință numesc forma de energie care este transferată între două materiale cu temperatură diferită. Acest transfer de energie are loc din cauza diferențelor de energie cinetică translațională medie pe moleculă din cele două materiale. Căldura curge de la materialul cu temperatură mai mare la materialul cu temperatură mai mică până la atingerea echilibrului termic. Unitatea SI de căldură este joul, unde 1 joul = 1 newton × metru.

Pentru a înțelege mai bine ce se întâmplă atunci când are loc acest transfer de energie, imaginați-vă următorul scenariu: Două recipiente diferite sunt umplute cu mici bile de cauciuc care răsucesc în jur. Într-unul din containere, viteza medie a bilelor (și, prin urmare, energia lor cinetică medie) este mult mai mare decât viteza medie a bilelor din al doilea container (deși viteza oricărei mingi individuale ar putea fi orice în orice moment, deoarece atât de multe coliziuni provoacă un transfer continuu de energie între bile.)

Dacă așezați aceste containere astfel încât să se atingă laturile, apoi îndepărtați pereții care le separă conținutul, la ce vă așteptați să se întâmple?

Bilele din primul container vor începe să interacționeze cu bilele din cel de-al doilea container. Pe măsură ce apar tot mai multe coliziuni între bile, treptat viteza medie a bilelor de pe ambele containere devine aceeași. O parte din energia din bilele din primul container devine transferată în bilele din cel de-al doilea container până când se atinge acest nou echilibru.

Aceasta este în esență ceea ce se întâmplă la un nivel microscopic atunci când două obiecte cu temperatură diferită vin în contact unul cu celălalt. Energia de la obiect la temperatură mai mare este transferată sub formă de căldură la obiectul cu temperatură mai mică.

Temperatura este o măsură a energiei cinetice translaționale medii pe moleculă dintr-o substanță. În analogia bile-în-container, este o măsură a energiei cinetice medii per bilă într-un container dat. La nivel molecular, toți atomii și moleculele vibrează și se agită. Nu puteți vedea această mișcare, deoarece se întâmplă la o scară atât de mică.

Scalele comune de temperatură sunt Fahrenheit, Celsius și Kelvin, Kelvin fiind standardul științific. Scara Fahrenheit este cea mai comună în Statele Unite. Pe această scară, apa îngheață la 32 de grade și fierbe la 212 de grade. Pe scara Celsius, care este comună în majoritatea celorlalte locuri din lume, apa îngheață la 0 grade și fierbe la 100 de grade.

Cu toate acestea, standardul științific este scala Kelvin. În timp ce dimensiunea unui increment pe scara Kelvin este aceeași cu dimensiunea unui grad pe scara Celsius, valoarea sa 0 este setată la un loc diferit. 0 Kelvin este egal cu -273,15 grade Celsius.

De ce o astfel de alegere ciudată pentru 0? Se pare că este mult mai puțin o alegere ciudată decât valoarea zero a scalei Celsius. 0 Kelvin este temperatura la care se oprește toată mișcarea moleculară. Este cea mai rece temperatură absolută posibilă teoretic.

În această lumină, scara Kelvin are mult mai mult sens decât scara Celsius. Gândiți-vă cum se măsoară distanța, de exemplu. Ar fi ciudat să creăm o scară de distanță în care valoarea 0 să fie echivalentă cu marca de 1 m. Pe o astfel de scară, ce ar însemna ca ceva să fie de două ori mai lung decât altceva?

Energia internă totală a unei substanțe este totalul energiilor cinetice ale tuturor moleculelor sale. Depinde de temperatura substanței (energia cinetică medie pe moleculă) și de cantitatea totală a substanței (numărul de molecule).

Este posibil ca două obiecte să aibă aceeași energie internă totală în timp ce au temperaturi complet diferite. De exemplu, un obiect mai rece va avea o energie cinetică medie mai mică pe moleculă, dar dacă numărul de moleculele sunt mari, apoi se poate termina cu aceeași energie internă totală a unui obiect mai cald cu mai puține molecule.

Un rezultat surprinzător al acestei relații între energia internă totală și temperatură este faptul că o mare blocul de gheață poate ajunge la mai multă energie decât un cap de chibrit luminat, chiar dacă capul de chibrit este atât de fierbinte încât este aprins foc!

Există trei metode principale prin care energia termică se transferă de la un obiect la altul. Acestea sunt conducerea, convecția și radiațiile.

​Conducereaapare atunci când energia se transferă direct între două materiale în contact termic între ele. Acesta este tipul de transfer care are loc în analogia cu mingea de cauciuc descrisă anterior în acest articol. Când două obiecte sunt în contact direct, energia este transferată prin coliziuni între moleculele lor. Această energie își face drumul încet de la punctul de contact până la restul obiectului inițial mai rece până când se atinge echilibrul termic.

Cu toate acestea, nu toate obiectele sau substanțele conduc energia în acest fel la fel de bine. Unele materiale, numite conductori termici buni, pot transfera energia termică mai ușor decât alte materiale, numiți termoizolatori buni.

Probabil ați avut experiență cu astfel de conductori și izolatori în viața dvs. de zi cu zi. Într-o dimineață rece de iarnă, cum se compară pășirea cu picioarele goale pe pardoseala din dale față de a păși desculț pe covor? Probabil se pare că covorul este cumva mai cald, totuși nu este cazul. Ambele etaje au probabil aceeași temperatură, dar țigla este un conductor termic mult mai bun. Din această cauză, aceasta face ca energia căldurii să iasă din corp mult mai repede.

​Convecțieeste o formă de transfer de căldură care are loc în gaze sau fluide. Gazele și, într-o măsură mai mică, fluidele, suferă modificări ale densității lor cu temperatura. De obicei, cu cât sunt mai calde, cu atât sunt mai puțin dense. Din această cauză și pentru că moleculele din gaze și fluide sunt libere să se miște, dacă porțiunea inferioară devine caldă, aceasta se va extinde și, prin urmare, se va ridica la vârf datorită densității sale mai mici.

Dacă așezați o tigaie de apă pe aragaz, de exemplu, apa de pe fundul tigaiei se încălzește, se extinde și se ridică la vârf pe măsură ce apa mai rece se scufundă. Apa mai rece se încălzește, se extinde și crește și așa mai departe, creând curenți de convecție care determină dispersarea energiei termice prin sistem prin amestecare moleculelor din sistem (spre deosebire de molecule, toate rămânând în aproximativ același loc în care se mișcă înainte și înapoi, sărind în fiecare alte.)

Convecția este motivul pentru care încălzitoarele funcționează cel mai bine pentru a încălzi o casă dacă sunt așezate lângă podea. Un încălzitor amplasat lângă tavan ar încălzi aerul din apropierea tavanului, dar acel aer ar rămâne așezat.

A treia formă de transfer de căldură esteradiații. Radiația este transferul de energie prin unde electromagnetice. Obiectele care sunt calde pot emite energie sub formă de radiații electromagnetice. Acesta este modul în care energia termică de la soare ajunge, de exemplu, pe Pământ. Odată ce radiația vine în contact cu un alt obiect, atomii din acel obiect pot câștiga energie absorbind-o.

Două materiale diferite de aceeași masă vor suferi modificări de temperatură diferite, în ciuda faptului că au adăugat aceeași energie totală datorită diferențelor dintr-o cantitate numităcapacitate termică specifică. Capacitatea termică specifică depinde de materialul în cauză. De obicei, veți căuta valoarea capacității de căldură specifice unui material într-un tabel.

Mai formal, capacitatea termică specifică este definită ca cantitatea de energie termică care trebuie adăugată pe unitate de masă pentru a crește temperatura cu un grad Celsius. Unitățile SI pentru capacitatea termică specifică, de obicei notate cuc, sunt J / kgK.

Gândiți-vă astfel: Să presupunem că aveți două substanțe diferite care cântăresc exact la fel și sunt exact la aceeași temperatură. Prima substanță are o capacitate termică specifică ridicată, iar a doua substanță are o capacitate termică specifică scăzută. Acum, să presupunem că adăugați exact aceeași cantitate de energie termică la ambele. Prima substanță - cea cu capacitate termică mai mare - nu va crește la fel de mult ca temperatura ca a doua substanță.

Există mulți factori care afectează modul în care temperatura unei substanțe se va schimba atunci când o cantitate dată de energie termică este transferată către aceasta. Acești factori includ masa materialului (o masă mai mică va suferi o schimbare mai mare de temperatură pentru o anumită cantitate de căldură adăugată) și capacitatea de căldură specificăc​.

Dacă există o sursă de căldură care furnizează energieP, atunci căldura totală adăugată depinde dePsi timpult. Adică energia termicăÎva fi egalP​ × ​t​.

Rata de schimbare a temperaturii este un alt factor interesant de luat în considerare. Obiectele își schimbă temperaturile într-un ritm constant? Se pare că rata de schimbare depinde de diferența de temperatură dintre obiect și împrejurimi. Legea răcirii lui Newton descrie această schimbare. Cu cât un obiect este mai aproape de temperatura înconjurătoare, cu atât se apropie mai lent de echilibru.

Formula care leagă modificarea temperaturii de masa unui obiect, capacitatea de căldură specifică și energia termică adăugată sau eliminată este după cum urmează:

Această formulă se aplică, totuși, dacă substanța nu suferă o schimbare de fază. Când o substanță se schimbă de la solid la lichid sau se schimbă de la lichid la gaz, căldura adăugată la acesta este pusă a utiliza care provoacă această schimbare de fază și nu va avea ca rezultat o schimbare de temperatură până când schimbarea de fază nu este complet.

O cantitate numită căldură latentă de fuziune, notatăL_f, descrie câtă energie termică pe unitate de masă este necesară pentru a schimba o substanță dintr-un solid în lichid. La fel ca în cazul capacității de căldură specifice, valoarea sa depinde de proprietățile fizice ale materialului în cauză și este adesea căutată în tabele. Ecuația care leagă energia termicăÎla masa unui materialmiar căldura latentă de fuziune este:

Același lucru se întâmplă atunci când se trece de la lichid la gaz. Într-o astfel de situație, se indică o cantitate numită căldură latentă de vaporizareL_v, descrie cantitatea de energie pe unitate de masă care trebuie adăugată pentru a provoca schimbarea fazei. Ecuația rezultată este identică, cu excepția indicelui:

Energie internaEeste energia cinetică internă totală sau energia termică dintr-un material. Presupunând un gaz ideal în care orice energie potențială între molecule este neglijabilă, este dată de formula:

Undeneste numărul de alunițe,Teste temperatura în Kelvin și constanta universală a gazuluiR= 8,3145 J / molK. Energia internă devine 0 J la 0 K absolută

În termodinamică, relația dintre schimbările de energie internă, căldura transferată și lucrările efectuate pe sau de către un sistem sunt legate de:

Această relație este cunoscută ca prima lege a termodinamicii. În esență, este o declarație de conservare a energiei.