Вы, вероятно, знакомы с термометрами и измерением температуры, ощущением жара и холода, а также с тем, что нужно, чтобы вскипятить воду. Пришло время расширить свое интуитивное понимание тепла и температуры и узнать, как это делают физики.
Из этого введения в теплофизику вы узнаете, что такое тепло и температура, а также к каким явлениям относится эта область физики.
Изучение тепла и температуры
Теплофизика - это изучение тепло и температура. Тепло определяется как энергия, которая передается между двумя объектами разной температуры - от более теплого объекта к более холодному.
Нагревать это вид тепловой энергии. Тепловая энергия - это энергия, связанная с движением молекул внутри объекта. Внутри любого объекта молекулы не просто стоят на месте; даже если вы не видите движения, все они покачиваются и подпрыгивают друг от друга.
Температура является мерой средней кинетической энергии на молекулу. Возможно, вы знакомы с его измерением в градусах Фаренгейта или даже Цельсия, но единицей СИ, которую предпочитают ученые, является Кельвин.
Общая внутренняя энергия объект имеет в зависимости от его массы, температуры и удельная теплоемкость. Удельная теплоемкость - это мера того, сколько тепловой энергии требуется для повышения температуры единицы массы на 1 градус. Различные материалы имеют разную удельную теплоемкость, и теплоемкость любого конкретного материала обычно можно посмотреть в таблице.
Передача тепла
Тепло может передаваться от одного объекта к другому тремя основными способами. Эти:
- Проведение
- Конвекция
- Радиация
В процессе проводимости два объекта находятся в физическом контакте, и тепловая энергия перемещается от более теплого объекта к более холодному за счет прямых столкновений между молекулами в объектах.
При конвекции тепло передается конвекционными токами. Это происходит при кипячении воды на плите. Вода на дне кастрюли сначала нагревается, а по мере того, как она нагревается, расширяется, становясь менее плотной. Будучи менее плотным, он поднимается к верху кастрюли по мере того, как более холодная вода опускается, а затем нагревается.
При излучении тепловая энергия передается посредством электромагнитного излучения. Так вы получаете энергию от солнца. Эта энергия проходит через космический вакуум в виде излучения, которое затем нагревает Землю, когда достигает нас.
Фазовые изменения
Когда к материалам добавляется тепловая энергия, их температура повышается. В определенные моменты называется фазовые переходы, материал меняет фазу. Материалы могут меняться из твердого состояния в жидкость, из жидкости в газ и даже из газа в плазму.
Температура, при которой происходит фазовый переход, зависит от самого материала и условий давления. Это изучается с помощью фазовой диаграммы.
Количество энергии, необходимое для изменения фазы материала, зависит от скрытой теплоты этого материала. Скрытая теплота плавления материала - это количество тепловой энергии, необходимое для изменения единицы массы этого вещества с твердого состояния на жидкое. Скрытая теплота испарения материала - это количество тепловой энергии, необходимое для превращения его из жидкости в газ.
Термодинамика
Теплофизика в конечном итоге приводит к изучению термодинамики, раздела физики, изучающего изменяющиеся тепловые системы с помощью кинетической теории и статистической механики.
Есть три закона термодинамики, которые управляют термодинамическими процессами. Их называют просто первым законом термодинамики, вторым началом термодинамики и третьим началом термодинамики. Когда вы впервые узнаете об этих законах, вы обычно узнаете, как они применяются к идеальному газу, и воспользуетесь законом идеального газа.
Термодинамика может помочь вам понять, как работают паровые двигатели, холодильники, тепловые насосы и другие подобные устройства.