Căldură vs temperatură: Care sunt asemănările și diferențele? (cu grafic)

Oamenii folosesc uneori termeniicăldurășitemperaturainterschimbabil. Ei asociază căldura cu cuvântulFierbinteși înțelegeți temperatura ca fiind, de asemenea, legată de „căldura” sau „răceala” a ceva. Poate vor spune că temperatura într-o zi de primăvară se simte corect, deoarece este doar cantitatea potrivită de căldură.

Cu toate acestea, în fizică, aceste două cantități sunt destul de distincte una de cealaltă. Nu sunt măsuri ale aceluiași lucru și nu au aceleași unități, deși ambele vă pot informa înțelegerea proprietăților termice.

Pentru a înțelege căldura și temperatura la un nivel fundamental, este mai întâi important să înțelegem conceptul de energie internă. Deși este posibil să fiți familiarizați cu obiecte care au energie cinetică datorită mișcării lor sau cu energie potențială datorată poziția lor, în cadrul unui anumit obiect, moleculele în sine pot avea, de asemenea, o formă de cinetică și potențială energie.

Această energie cinetică moleculară și potențială este separată de ceea ce puteți vedea când priviți, să zicem, o cărămidă. O cărămidă așezată pe sol pare a fi nemișcată și s-ar putea să presupunem că nu are energie cinetică sau potențială asociată cu aceasta. Și într-adevăr, nu în sensul înțelegerii dvs. de mecanica de bază.

Dar cărămida în sine este compusă din multe molecule care individual suferă diferite tipuri de mișcări mici pe care nu le puteți vedea. De asemenea, moleculele pot experimenta energie potențială datorită apropierii lor de alte molecule și a forțelor exercitate între ele. Energia internă totală a acestei cărămizi este suma energiilor cinetice și potențiale ale moleculelor în sine.

După cum probabil ați învățat, energia este conservată. În cazul în care nu acționează forțe de frecare sau disipative asupra unui obiect, se păstrează și energia mecanică. Adică, energia cinetică se poate transforma în energie potențială și invers, dar totalul rămâne constant. Cu toate acestea, atunci când acționează o forță de frecare, este posibil să observați că energia mecanică totală scade. Acest lucru se datorează faptului că energia a luat alte forme, cum ar fi energia sonoră sau energia termică.

Când vă frecați mâinile împreună într-o zi rece, convertiți energia mecanică în energie termică. Adică, energia cinetică a mâinilor care se mișcă unul împotriva celuilalt s-a schimbat forma și a devenit energie cinetică a moleculelor din mâinile voastre unul față de celălalt. Media acestei energii cinetice din moleculele din mâinile voastre este ceea ce oamenii de știință definesc ca fiind temperatura.

Temperatura este o măsură a energiei cinetice medii pe moleculă dintr-o substanță. Rețineți că nu este același lucru cu energia internă a substanței, deoarece nu include energia potențială și, de asemenea, nu reprezintă o măsură a energiei totale din substanță. În schimb, este energia cinetică totală împărțită la numărul de molecule. Ca atare, nu depinde de cât de mult aveți ceva (cum are energia internă totală), ci mai degrabă de câtă energie cinetică transportă molecula medie din substanță.

Temperatura poate fi măsurată în mai multe unități diferite. Printre acestea se numără Fahrenheit, care este cel mai frecvent în SUA și în alte câteva locuri. Pe scara Fahrenheit, apa îngheață la 32 de grade și fierbe la 212. O altă scară comună este scala Celsius, utilizată în multe alte locuri din lume. Pe această scară, apa îngheață la 0 grade și fierbe la 100 de grade (ceea ce oferă o idee destul de clară despre modul în care a fost concepută această scară).

Dar standardul științific este scara Kelvin. În timp ce dimensiunea unui increment pe scara Kelvin este aceeași cu un grad Celsius, scara Kelvin începe la o temperatură numită zero absolut, care este locul în care se oprește toată mișcarea moleculară. Cu alte cuvinte, începe la cea mai rece temperatură posibilă.

Zero grade Celsius este 273,15 pe scara Kelvin. Scara Kelvin este standardul științific din motive întemeiate. Să presupunem că ceva este la 0 grade Celsius. Ce ar însemna să spunem că un al doilea obiect este de două ori mai mare decât temperatura? Ar fi acel element și 0 Celsius? Ei bine, pe scara Kelvin, această noțiune nu cauzează probleme și tocmai pentru că începe de la zero absolut.

Luați în considerare două substanțe sau obiecte la temperaturi diferite. Ce inseamna asta? Aceasta înseamnă că, în medie, moleculele dintr-una din substanțe (cea cu temperatură mai mare) sunt deplasându-se cu o energie cinetică medie mai mare decât moleculele la temperatura inferioară substanţă.

Dacă aceste două substanțe intră în contact, nu este surprinzător, energia începe să medieze între substanțe pe măsură ce apar coliziuni microscopice. Substanța care a fost inițial la temperatura mai ridicată se va răci pe măsură ce cealaltă substanță crește până când ambele au aceeași temperatură. Oamenii de știință numesc această stare finalăechilibru termic​.

Energia termică care este transferată de la obiectul mai cald la obiectul mai rece este ceea ce oamenii de știință numesc căldură. Căldura este forma de energie transferată între două materiale care se află la temperaturi diferite. Căldura curge întotdeauna de la materialul cu temperatură mai mare la materialul cu temperatură mai scăzută până la atingerea echilibrului termic.

Deoarece căldura este o formă de energie, unitatea SI de căldură este joul.

După cum ați văzut prin definițiile anterioare, căldura și temperatura sunt într-adevăr două măsuri fizice distincte. Acestea sunt doar câteva dintre diferențele lor:

​Ele sunt măsurate în diferite unități.Unitatea SI pentru temperatură este Kelvin, iar unitatea SI pentru căldură este joul. Kelvin este considerat o unitate de bază, ceea ce înseamnă că nu poate fi împărțit într-o combinație de alte unități fundamentale. Joule-ul este echivalent cu un kgm²/ s².

​Ele diferă prin dependența lor de numărul de molecule.Temperatura este o măsură a energiei cinetice medii pe moleculă, ceea ce înseamnă că nu contează cât de multă substanță ai atunci când vorbești despre temperatură. Cantitatea de energie termică care ar putea fi transferată între substanțe, însă, depinde foarte mult de cât din fiecare substanță pe care o aveți.

​Sunt diferite tipuri de variabile.Temperatura este cunoscută ca o variabilă de stare. Adică definește starea în care se află o substanță sau un obiect. Căldura, pe de altă parte, este o variabilă de proces. Descrie un proces care are loc - în acest caz, energia fiind transferată. Nu are sens să vorbim despre căldură când totul este în echilibru.

​Ele sunt măsurate diferit.Temperatura este măsurată cu un termometru, care este de obicei un dispozitiv care folosește expansiunea termică pentru a schimba citirea pe o scală. Căldura, pe de altă parte, este măsurată cu un calorimetru.

Cu toate acestea, căldura și temperatura nu sunt în totalitate lipsite de legătură între ele:

​Ambele sunt cantități importante în termodinamică.Studiul energiei termice se bazează pe capacitatea de a măsura temperatura, precum și capacitatea de a urmări transferurile de căldură.

​Transferul de căldură este determinat de diferențele de temperatură.Atunci când două obiecte sunt la temperaturi diferite, energia termică se va transfera de la cea mai caldă la cea mai rece până la atingerea echilibrului termic. Ca atare, aceste diferențe de temperatură sunt motorul transferului de căldură.

​Ei tind să crească și să scadă împreună.Dacă se adaugă căldură unui sistem, temperatura crește. Dacă căldura este eliminată dintr-un sistem, temperatura scade. (O excepție la acest lucru se întâmplă cu tranzițiile de fază, caz în care energia termică este utilizată pentru a provoca o tranziție de fază în loc de o modificare a temperaturii.)

​Acestea sunt legate între ele printr-o ecuație.Energie termicăÎeste legat de o modificare a temperaturiiΔTprin ecuația Q = mcΔT undemeste masa substanței șiceste capacitatea sa termică specifică (adică o măsură a cantității de energie termică necesară pentru a crește o unitate de masă cu un grad Kelvin pentru o anumită substanță.)

Energia internă este energia cinetică și potențială internă totală sau energia termică dintr-un material. Pentru un gaz ideal, în care energia potențială dintre molecule este neglijabilă, energia internăEeste dat de formula E = 3 / 2nRT undeneste numărul de moli ai gazului și constanta gazului universalR= 8,3145 J / molK.

Relația dintre energia internă și temperatură arată că, nu este surprinzător, pe măsură ce temperatura crește, energia termică crește. Energia internă devine și 0 la 0 Kelvin absolut.

Căldura intră în imagine atunci când începeți să priviți modificările energiei interne. Prima lege a termodinamicii dă următoarea relație:

UndeÎeste căldura adăugată sistemului șiWeste munca depusă de sistem. În esență, aceasta este o declarație de conservare a energiei. Când adăugați energie termică, energia internă crește. Dacă sistemul funcționează pe împrejurimile sale, energia internă scade.

Așa cum s-a menționat anterior, energia termică adăugată la un sistem are ca rezultat o creștere a temperaturii corespunzătoare, cu excepția cazului în care sistemul suferă o schimbare de fază. Pentru a privi mai atent acest lucru, luați în considerare un bloc de gheață care începe sub îngheț, deoarece energia termică este adăugată la o rată constantă.

Dacă energia termică este adăugată continuu în timp ce blocul de gheață se încălzește până la îngheț, suferă o schimbare de fază pentru a deveni apă și apoi continuă să se încălzească până ajunge la fierbere, unde suferă o altă schimbare de fază pentru a deveni abur, graficul temperaturii vs. căldura va arăta după cum urmează:

În timp ce gheața este sub îngheț, există o relație liniară între energia termică și temperatura. Acest lucru nu este surprinzător așa cum ar trebui, având în vedere ecuația Q = mcΔT. Odată ce gheața atinge temperatura de îngheț, totuși, orice energie termică adăugată trebuie folosită pentru a ajuta la schimbarea fazei. Temperatura rămâne constantă, chiar dacă încă se adaugă căldură. Ecuația care leagă energia termică de masă în timpul unei schimbări de fază de la solid la lichid este următoarea:

UndeL_feste căldura latentă de fuziune - o constantă care raportează câtă energie este necesară pe unitate de masă pentru a provoca schimbarea de la solid la lichid.

Deci, până la o cantitate de căldură egală cumL_fa fost adăugată, temperatura rămâne constantă.

Odată ce toată gheața s-a topit, temperatura crește din nou liniar până ajunge la punctul de fierbere. Aici apare din nou o schimbare de fază, de data aceasta de la lichid la gaz. Ecuația care leagă căldura de masă în timpul acestei schimbări de fază este foarte similară:

UndeL_veste căldura latentă de vaporizare - o constantă care raportează câtă energie este necesară pe unitate de masă pentru a provoca schimbarea de la lichid la gaz. Așadar, temperatura rămâne din nou constantă până când se adaugă suficientă energie termică. Rețineți că rămâne constant mai mult timp de această dată. Asta pentru căL_veste de obicei mai mare decâtL_fpentru o substanță.

Ultima parte a graficului arată din nou aceeași relație liniară ca înainte.