Тепло против температуры: в чем сходства и различия? (с графиком)

Иногда люди используют терминынагреватьа такжетемпературавзаимозаменяемо. У них тепло ассоциируется со словомгорячийи понимать, что температура также связана с «жаркостью» или «холодностью» чего-либо. Возможно, они скажут, что температура в весенний день кажется подходящей, потому что это как раз нужное количество тепла.

Однако в физике эти две величины сильно отличаются друг от друга. Они не являются мерой одного и того же, и у них разные единицы измерения, хотя они оба могут дать вам представление о тепловых свойствах.

Чтобы понять тепло и температуру на фундаментальном уровне, сначала важно понять концепцию внутренней энергии. Хотя вы, возможно, знакомы с объектами, обладающими кинетической энергией из-за их движения или потенциальной энергией из-за их положение внутри данного объекта, сами молекулы также могут иметь форму кинетического и потенциального энергия.

Эта молекулярная кинетическая и потенциальная энергия отделены от того, что вы можете увидеть, например, глядя на кирпич. Кирпич, лежащий на земле, кажется неподвижным, и вы можете предположить, что с ним не связана кинетическая или потенциальная энергия. И действительно, это не в том смысле, в котором вы понимаете основную механику.

Но сам кирпич состоит из множества молекул, которые по отдельности претерпевают различные типы небольших движений, которые вы не видите. Молекулы также могут испытывать потенциальную энергию из-за их близости к другим молекулам и сил, действующих между ними. Полная внутренняя энергия этого кирпича складывается из кинетической и потенциальной энергий самих молекул.

Как вы, наверное, уже знаете, энергия сохраняется. В том случае, если на объект не действуют силы трения или диссипации, механическая энергия также сохраняется. То есть кинетическая энергия может превращаться в потенциальную и наоборот, но общая остается постоянной. Однако когда действует сила, подобная трению, вы можете заметить, что общая механическая энергия уменьшается. Это потому, что энергия принимала другие формы, такие как энергия звука или тепловая энергия.

Когда вы потираете руки в холодный день, вы превращаете механическую энергию в тепловую. То есть кинетическая энергия ваших рук, движущихся друг относительно друга, изменила форму и стала кинетической энергией молекул в ваших руках по отношению друг к другу. Среднее значение этой кинетической энергии в молекулах в ваших руках - это то, что ученые определяют как температуру.

Температура - это мера средней кинетической энергии на молекулу вещества. Обратите внимание, что это не то же самое, что внутренняя энергия вещества, потому что она не включает в себя потенциальную энергию, а также не является мерой полной энергии в веществе. Вместо этого это полная кинетическая энергия, деленная на количество молекул. Таким образом, это зависит не от того, сколько чего-то у вас есть (например, от общей внутренней энергии), а от того, сколько кинетической энергии несет средняя молекула в веществе.

Температуру можно измерять во многих различных единицах. Среди них - Фаренгейт, который наиболее распространен в США и некоторых других местах. По шкале Фаренгейта вода замерзает при 32 градусах и закипает при 212 градусах. Другой распространенной шкалой является шкала Цельсия, которая используется во многих других местах мира. На этой шкале вода замерзает при 0 градусах и закипает при 100 градусах (что дает довольно четкое представление о том, как была изобретена эта шкала).

Но научным стандартом является шкала Кельвина. В то время как размер приращения шкалы Кельвина такой же, как градус Цельсия, шкала Кельвина начинается с температуры, называемой абсолютным нулем, на которой останавливается все движение молекул. Другими словами, он начинается при максимально низкой температуре.

Нулевой градус Цельсия равен 273,15 по шкале Кельвина. Шкала Кельвина не зря является научным стандартом. Предположим, что температура где-то 0 градусов по Цельсию. Что означало бы сказать, что температура второго объекта в два раза выше? Будет ли этот предмет также иметь 0 Цельсия? По шкале Кельвина это понятие не вызывает проблем, и именно потому, что оно начинается с абсолютного нуля.

Рассмотрим два вещества или объекта при разных температурах. Что это значит? Это означает, что в среднем в одном из веществ (более высокотемпературном) молекулы движутся с большей средней кинетической энергией, чем молекулы в более низкотемпературных вещество.

Неудивительно, что если эти два вещества вступают в контакт, энергия начинает усредняться между веществами по мере возникновения микроскопических столкновений. Вещество, которое изначально было при более высокой температуре, будет охлаждаться по мере повышения температуры другого вещества, пока они оба не достигнут одинаковой температуры. Ученые называют это конечное состояниетепловое равновесие​.

Тепловая энергия, которая передается от более теплого объекта к более холодному, - это то, что ученые называют теплом. Тепло - это форма энергии, передаваемая между двумя материалами, имеющими разную температуру. Тепло всегда течет от материала с более высокой температурой к материалу с более низкой температурой, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Поскольку тепло - это форма энергии, единицей измерения тепла в системе СИ является джоуль.

Как вы видели из предыдущих определений, тепло и температура на самом деле являются двумя разными физическими измерениями. Это лишь некоторые из их отличий:

​Они измеряются в разных единицах.Единицей измерения температуры в системе СИ является Кельвин, а единицей измерения тепла - джоуль. Кельвин считается базовой единицей, то есть его нельзя разбить на комбинацию других фундаментальных единиц. Джоуль эквивалентен кг · м²/ с².

​Они различаются своей зависимостью от числа молекул.Температура - это мера средней кинетической энергии, приходящейся на одну молекулу, что означает, что не имеет значения, сколько у вас вещества, когда вы говорите о температуре. Однако количество тепловой энергии, которая может передаваться между веществами, во многом зависит от того, сколько каждого вещества у вас есть.

​Это разные типы переменных.Температура известна как переменная состояния. То есть он определяет состояние, в котором находится вещество или объект. С другой стороны, тепло - это переменная процесса. Он описывает происходящий процесс - в данном случае передаваемую энергию. Бессмысленно говорить о тепле, когда все находится в равновесии.

​Их измеряют по-разному.Температура измеряется термометром, который обычно представляет собой устройство, использующее тепловое расширение для изменения показаний шкалы. С другой стороны, тепло измеряется калориметром.

Однако тепло и температура не совсем не связаны друг с другом:

​Оба они являются важными величинами в термодинамике.Изучение тепловой энергии основывается на способности измерять температуру, а также на способности отслеживать теплопередачу.

​Передача тепла зависит от разницы температур.Когда два объекта находятся при разных температурах, тепловая энергия будет передаваться от более теплого к более холодному, пока не будет достигнуто тепловое равновесие. Таким образом, эти температурные различия являются движущей силой теплопередачи.

​Они имеют тенденцию увеличиваться и уменьшаться вместе.Если в систему добавляется тепло, температура повышается. Если тепло отводится от системы, температура понижается. (Одно исключение - фазовые переходы, когда тепловая энергия используется для фазового перехода вместо изменения температуры.)

​Они связаны друг с другом уравнением.Тепловая энергияQсвязано с изменением температурыΔTуравнением Q = mcΔT, гдеммасса вещества иc- его удельная теплоемкость (то есть мера количества тепловой энергии, необходимой для увеличения единицы массы на градус Кельвина для определенного вещества.)

Внутренняя энергия - это полная внутренняя кинетическая и потенциальная энергия или тепловая энергия в материале. Для идеального газа, в котором потенциальная энергия между молекулами пренебрежимо мала, внутренняя энергияEзадается формулой E = 3 / 2nRT, гдепчисло молей газа и универсальная газовая постояннаяр= 8,3145 Дж / мольК.

Связь между внутренней энергией и температурой показывает, что неудивительно, что с увеличением температуры увеличивается тепловая энергия. Внутренняя энергия также становится равной 0 при абсолютном 0 Кельвина.

Тепло появляется в картине, когда вы начинаете смотреть на изменения внутренней энергии. Первый закон термодинамики дает следующее соотношение:

гдеQдобавляется ли тепло в систему иWэто работа, проделанная системой. По сути, это заявление о сохранении энергии. Когда вы добавляете тепловую энергию, внутренняя энергия увеличивается. Если система действительно работает со своим окружением, внутренняя энергия уменьшается.

Как упоминалось ранее, тепловая энергия, добавляемая к системе, обычно приводит к соответствующему повышению температуры, если в системе не происходит фазового перехода. Чтобы взглянуть на это более внимательно, рассмотрим глыбу льда, которая начинается при температуре ниже точки замерзания, поскольку тепловая энергия добавляется с постоянной скоростью.

Если тепловая энергия добавляется непрерывно, пока ледяная глыба нагревается до замерзания, претерпевает фазовый переход, превращаясь в воду, а затем продолжает нагреваться, пока не достигнет точки кипения, где претерпевает еще одно фазовое превращение, чтобы стать паром, график зависимости температуры от температуры тепло будет выглядеть так:

Пока лед ниже точки замерзания, существует линейная зависимость между тепловой энергией и температурой. Это неудивительно, как и должно быть, учитывая уравнение Q = mcΔT. Однако, когда лед достигает температуры замерзания, необходимо использовать любую добавленную тепловую энергию, чтобы помочь ему сменить фазу. Температура остается постоянной, даже если тепло все еще добавляется. Уравнение, связывающее тепловую энергию с массой во время фазового перехода от твердого тела к жидкости, выглядит следующим образом:

гдеL_жэто скрытая теплота плавления - константа, определяющая, сколько энергии требуется на единицу массы, чтобы вызвать переход от твердого тела к жидкости.

Итак, пока количество тепла не будет равномл_ждобавлен, температура остается постоянной.

Как только лед растает, температура снова линейно повышается, пока не достигнет точки кипения. Здесь снова происходит фазовый переход, на этот раз из жидкости в газ. Уравнение, связывающее тепло с массой во время этого фазового перехода, очень похоже:

гдеL_v- скрытая теплота испарения - константа, определяющая, сколько энергии требуется на единицу массы, чтобы вызвать переход от жидкости к газу. Таким образом, температура снова остается постоянной, пока не будет добавлено достаточно тепловой энергии. Обратите внимание, что на этот раз он остается постоянным дольше. Это потому, чтоL_vобычно выше, чемL_ждля вещества.

Последняя часть графика снова показывает ту же линейную зависимость, что и раньше.