По опыту вы знаете, что когда значение на градуснике температура увеличивается, окружающие условия становятся теплее. Когда это значение падает, окружающие условия становятся холоднее. Вы также, вероятно, знаете, что для точной количественной оценки этого явления используется несколько общих температурных шкал.
Если изменения температуры каким-либо образом указывают на увеличение или уменьшение нагревать поблизости, есть ли способ зафиксировать корреляцию? То есть, может ли данное изменение температуры (скажем, в градусах Цельсия или ° C) быть коррелировано с заданным приростом или потерей тепла - если предположить, что «тепло» - это даже вещь, которую можно точно измерить с помощью физики?
Действительно, можно сопоставить изменения температуры с приростом или потерей тепла в полезных единицах тепла, таких как килоджоули (кДж), если вы буквально знаете, с чем имеете дело.
Температура и ее масштабы
Температура - это величина, измеряемая устройством, называемым термометром. Он математически выводится из средней кинетической энергии частиц (атомов и молекул) в системе, такой как закрытый контейнер или комната.
Кинетическая энергия - это энергия движения. Когда крошечные частицы проносятся по воздуху, они сталкиваются друг с другом, и при столкновении выделяется тепло. Чем выше средняя скорость частиц в системе, тем больше они будут сталкиваться и тем больше тепла будет выделяться, повышая измеренную температуру.
Единицей измерения температуры в системе СИ является Кельвин (К). Это не градус и, следовательно, не имеет связанного символа, в отличие от градусов Цельсия и Фаренгейта. Однако K и ° C имеют одинаковую величину в том смысле, что увеличение на 1 K и увеличение на 1 ° C представляет собой одно и то же физическое изменение. Но шкалы смещены так, что ° C = -273,15 K, а минимальное теоретическое значение K равно 0.
Кроме того, (9/5) ° C + 32 = ° F.
Энергия, тепло и их единицы
Вы, несомненно, знакомы с этим термином калорийность как один из многих способов измерить то, что пища, которую вы едите, доставляет в клеточные механизмы вашей системы. Некоторые источники утверждают, что калория состоит из единиц энергии; другие говорят, что для этого нужны единицы тепла. Фактически, оба утверждения верны, поскольку тепло является одним из различных подтипов «официального» - хотя и неуловимого - количества в физике, известного как энергия.
Хотя калория (cal) является основой для большинства публичных разговоров в США об энергии, обеспечиваемой продуктами питания, это не единица измерения, используемая в учебниках и журналах по физике. Стандартная международная (СИ) единица энергии и, следовательно, тепла - это джоуль (J).
1 калория = 4,18 Дж, но «калория», которую вы видите на этикетках продуктов питания, на самом деле является килокалорией (ккал) или 1000 настоящих калорий. Таким образом, 1 «калория» на этикетке питания на самом деле составляет 4180 джоулей, или 4,18 кДж.
Как связаны тепло и температура?
Вы видели, как температура соотносится с теплом. Но как вообще определялся размер «одного градуса»? Люди должны были иметь способ отмечать точки на шкале температур между «замороженными» и «выкипевшими» и присваивать этим интервалам числа.
Как это бывает, если добавить заданное количество тепла (Q) в джоулях к системе или отводите тепло от этой системы, вы можете определить, насколько изменится температура системы (∆T) в градусах Цельсия, если вам известна масса системы (часто образец воды) м в граммах и его удельная теплоемкость c, который варьируется от вещества к веществу:
Q = mc (∆T)
Для воды c = 1 кал / (г) (° C) = 4,186 Дж / (г) (° C).
Пример: Если у вас есть 1-литровая проба воды, имеющая массу 1000 г, сколько энергии в кДж необходимо для нагревания пробы на 1 ° C?
Q = mc (∆T) = (1000 г) (4,186 Дж / г ° C) (1 ° C) = 4,186 = 4,186 кДж.
Напомним, что это количество энергии в одной «калории» пищи. Это странно, если учесть, что, скажем, в 1 литре подслащенной газировки примерно в 400 раз больше, но организм обрабатывает «калории» совсем иначе, чем простая банка с водой.
