Тепло (физика): определение, формула и примеры

Всем знакомо понятие «быть слишком горячим или слишком холодным» или ощущать тепло от солнца в теплый день, но что конкретно означает слово «тепло»? Это свойство чего-то «горячего»? Это то же самое, что и температура? Оказывается, тепло - это измеримая величина, которую физики точно определили.

Тепло - это то, что ученые называют формой энергии, которая передается между двумя материалами разной температуры. Эта передача энергии происходит из-за различий в средней поступательной кинетической энергии на молекулу в двух материалах. Тепло передается от материала с более высокой температурой к материалу с более низкой температурой до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие. Единицей измерения тепла в системе СИ является джоуль, где 1 джоуль = 1 ньютон × метр.

Чтобы лучше понять, что происходит, когда происходит передача энергии, представьте следующий сценарий: два разных контейнера заполнены крошечными резиновыми шариками, подпрыгивающими вокруг. В одном из контейнеров средняя скорость шаров (а значит, и их средняя кинетическая энергия) намного больше, чем средняя скорость шаров во втором. контейнер (хотя скорость любого отдельного шара может быть любой в любой момент времени, так как такое количество столкновений вызывает постоянную передачу энергии между мячи.)

Если вы разместите эти контейнеры так, чтобы их стороны соприкасались, а затем удалили стенки, разделяющие их содержимое, чего вы ожидаете?

Шары из первого контейнера начнут взаимодействовать с шарами из второго контейнера. По мере того, как происходит все больше и больше столкновений между шарами, постепенно средние скорости шаров из обоих контейнеров становятся одинаковыми. Часть энергии от шаров из первого контейнера передается шарам во втором контейнере, пока не будет достигнуто это новое равновесие.

По сути, это то, что происходит на микроскопическом уровне, когда два объекта с разной температурой соприкасаются друг с другом. Энергия от объекта с более высокой температурой передается в виде тепла объекту с более низкой температурой.

Температура - это мера средней поступательной кинетической энергии на молекулу вещества. В аналогии с шарами в контейнере это мера средней кинетической энергии, приходящейся на шар в данном контейнере. На молекулярном уровне все атомы и молекулы колеблются и покачиваются. Вы не можете увидеть это движение, потому что оно происходит в таком маленьком масштабе.

Обычные температурные шкалы - Фаренгейта, Цельсия и Кельвина, а Кельвин является научным стандартом. Шкала Фаренгейта наиболее распространена в США. По этой шкале вода замерзает при 32 градусах и закипает при 212 градусах. По шкале Цельсия, которая распространена в большинстве других мест в мире, вода замерзает при 0 градусах и закипает при 100 градусах.

Однако научным стандартом является шкала Кельвина. Хотя размер шага на шкале Кельвина такой же, как размер градуса на шкале Цельсия, его значение 0 устанавливается в другом месте. 0 Кельвин равен -273,15 градуса Цельсия.

Почему такой странный выбор для 0? Оказывается, это гораздо менее странный выбор, чем нулевое значение шкалы Цельсия. 0 Кельвин - это температура, при которой прекращается движение всех молекул. Это теоретически возможная самая низкая температура.

В этом свете шкала Кельвина имеет гораздо больший смысл, чем шкала Цельсия. Подумайте, например, о том, как измеряется расстояние. Было бы странно создать шкалу расстояний, где значение 0 было бы эквивалентно отметке 1 м. В таком масштабе, что будет означать, если что-то будет вдвое длиннее другого?

Полная внутренняя энергия вещества - это сумма кинетических энергий всех его молекул. Это зависит от температуры вещества (средняя кинетическая энергия на молекулу) и общего количества вещества (количества молекул).

Два объекта могут иметь одинаковую общую внутреннюю энергию при совершенно разных температурах. Например, более холодный объект будет иметь более низкую среднюю кинетическую энергию на молекулу, но если количество молекулы велики, тогда она может получить ту же полную внутреннюю энергию, что и более теплый объект, с меньшим количеством молекулы.

Удивительным результатом такой связи между полной внутренней энергией и температурой является тот факт, что большая глыба льда может получить больше энергии, чем зажженная спичечная головка, даже если спичечная головка настолько горячая, что горит Пожар!

Существует три основных метода передачи тепловой энергии от одного объекта к другому. Это проводимость, конвекция и излучение.

​Проведениепроисходит, когда энергия передается напрямую между двумя материалами, находящимися в тепловом контакте друг с другом. Это тип передачи, который происходит в аналогии с резиновым мячом, описанной ранее в этой статье. Когда два объекта находятся в прямом контакте, энергия передается через столкновения между их молекулами. Эта энергия медленно проходит от точки контакта к остальной части изначально более холодного объекта, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Однако не все предметы или вещества одинаково хорошо проводят энергию. Некоторые материалы, называемые хорошими теплопроводниками, могут передавать тепловую энергию легче, чем другие материалы, называемые хорошими теплоизоляторами.

Скорее всего, вы уже сталкивались с такими проводниками и изоляторами в повседневной жизни. Холодным зимним утром, чем походить босиком по кафельному полу или босиком по ковру? Наверное, кажется, что ковер как-то теплее, но это не так. Оба этажа, вероятно, имеют одинаковую температуру, но плитка является гораздо лучшим проводником тепла. Из-за этого тепловая энергия намного быстрее покидает ваше тело.

​Конвекцияэто форма теплопередачи, которая происходит в газах или жидкостях. Плотность газов и, в меньшей степени, жидкостей изменяется в зависимости от температуры. Обычно чем они теплее, тем они менее плотные. Из-за этого, а также поскольку молекулы в газах и жидкостях могут свободно перемещаться, если нижняя часть становится теплой, она расширяется и, следовательно, поднимается кверху из-за своей более низкой плотности.

Например, если вы поставите таз с водой на плиту, вода на дне кастрюли нагреется, расширится и поднимется вверх по мере того, как более холодная вода опускается. Затем более холодная вода нагревается, расширяется, поднимается и т. Д., Создавая конвекционные потоки, которые заставляют тепловую энергию рассеиваться по системе за счет перемешивания. молекул внутри системы (в отличие от молекул, которые все остаются примерно в одном и том же месте, когда они покачиваются взад и вперед, отскакивая от каждой Другие.)

Конвекция - вот почему обогреватели лучше всего работают для обогрева дома, если их размещают около пола. Обогреватель, установленный под потолком, согревает воздух под потолком, но этот воздух остается на месте.

Третья форма теплопередачи -радиация. Излучение - это передача энергии посредством электромагнитных волн. Теплые предметы могут испускать энергию в виде электромагнитного излучения. Так, например, солнечная тепловая энергия достигает Земли. Как только это излучение входит в контакт с другим объектом, атомы в этом объекте могут получать энергию, поглощая ее.

Два разных материала с одинаковой массой будут претерпевать разные изменения температуры, несмотря на одинаковую общую добавленную энергию из-за различий в величине, называемойудельная теплоемкость. Удельная теплоемкость зависит от рассматриваемого материала. Обычно значение удельной теплоемкости материала ищется в таблице.

Более формально удельная теплоемкость определяется как количество тепловой энергии, которое необходимо добавить на единицу массы, чтобы повысить температуру на градус Цельсия. Единицы СИ для удельной теплоемкости, обычно обозначаемые какc, являются Дж / кгК.

Подумайте об этом так: предположим, что у вас есть два разных вещества, которые весят совершенно одинаково и имеют одинаковую температуру. Первое вещество имеет высокую удельную теплоемкость, а второе вещество - низкую удельную теплоемкость. Теперь предположим, что вы добавили им обоим одинаковое количество тепловой энергии. Первое вещество, обладающее большей теплоемкостью, не нагреется так сильно, как второе.

Есть много факторов, которые влияют на то, как изменится температура вещества, когда ему будет передано определенное количество тепловой энергии. Эти факторы включают массу материала (меньшая масса будет претерпевать большее изменение температуры при заданном количестве добавленного тепла) и удельную теплоемкость.c​.

Если есть источник тепла, обеспечивающий питаниеп, тогда общее добавленное тепло зависит отпи времят. То есть тепловая энергияQбудет равноп​ × ​т​.

Скорость изменения температуры - еще один интересный фактор, который следует учитывать. Меняют ли объекты температуру с постоянной скоростью? Оказывается, скорость изменения зависит от разницы температур между объектом и его окружением. Это изменение описывает закон охлаждения Ньютона. Чем ближе объект к окружающей температуре, тем медленнее он приближается к равновесию.

Формула, которая связывает изменение температуры с массой объекта, удельной теплоемкостью и добавленной или удаленной тепловой энергией, выглядит следующим образом:

Однако эта формула применима только в том случае, если вещество не претерпевает фазового перехода. Когда вещество превращается из твердого в жидкое или из жидкости в газ, добавленное к нему тепло передается. использовать, вызывая это фазовое изменение, и не приведет к изменению температуры до тех пор, пока фазовый переход не будет полный.

Величина, называемая скрытой теплотой плавления, обозначаетсяL_ж, описывает, сколько тепловой энергии на единицу массы требуется для превращения вещества из твердого в жидкое. Как и в случае с удельной теплоемкостью, ее значение зависит от физических свойств рассматриваемого материала и часто просматривается в таблицах. Уравнение, связывающее тепловую энергиюQк массе материалама скрытая теплота плавления равна:

То же самое происходит при переходе с жидкости на газ. В такой ситуации величина, называемая скрытой теплотой парообразования, обозначаетсяL_v, описывает, сколько энергии на единицу массы необходимо добавить, чтобы вызвать фазовый переход. Полученное уравнение идентично, за исключением нижнего индекса:

Внутренняя энергияEэто полная внутренняя кинетическая энергия или тепловая энергия в материале. В предположении идеального газа, в котором любая потенциальная энергия между молекулами пренебрежимо мала, она определяется формулой:

гдепэто количество родинок,Т- температура в Кельвинах, а универсальная газовая постояннаяр= 8,3145 Дж / мольК. Внутренняя энергия становится равной 0 Дж при абсолютном 0 К.

В термодинамике взаимосвязь между изменениями внутренней энергии, передаваемого тепла и работы, выполняемой в системе или выполняемой системой, связана через:

Эта связь известна как первый закон термодинамики. По сути, это заявление о сохранении энергии.