Teplo (fyzika): Definícia, vzorec a príklady

Každý pozná pojem príliš horúce alebo príliš studené alebo pocit tepla zo slnka v teplom dni, ale čo konkrétne znamená slovo „teplo“? Je to vlastnosť niečoho „horúceho“? Je to to isté ako teplota? Ukazuje sa, že teplo je merateľná veličina, ktorú fyzici presne definovali.

Teplo vedci nazývajú formou energie, ktorá sa prenáša medzi dvoma materiálmi s rôznou teplotou. Tento prenos energie nastáva z dôvodu rozdielov v priemernej translačnej kinetickej energii na molekulu v dvoch materiáloch. Teplo prúdi z materiálu s vyššou teplotou do materiálu s nižšou teplotou, kým sa nedosiahne tepelná rovnováha. Jednotkou tepla SI je joule, kde 1 joule = 1 newton × meter.

Aby ste lepšie pochopili, čo sa deje, keď dôjde k tomuto prenosu energie, predstavte si nasledujúci scenár: Dva rôzne zásobníky sú naplnené malými gumenými guľkami, ktoré sa odrážajú všade naokolo. V jednom z kontajnerov je priemerná rýchlosť guľôčok (a teda ich priemerná kinetická energia) oveľa vyššia ako priemerná rýchlosť guľôčok v druhej kontajnera (hoci rýchlosť ktorejkoľvek jednotlivej gule môže byť v ktoromkoľvek okamihu akákoľvek, pretože toľko kolízií spôsobuje neustály prenos energie medzi gule.)

Ak umiestnite tieto kontajnery tak, aby sa ich boky dotýkali, a potom ste odstránili steny oddeľujúce ich obsah, čo by ste očakávali?

Gule z prvého kontajnera začnú interagovať s guľkami z druhého kontajnera. S pribúdajúcimi kolíziami medzi loptičkami sa postupne stávajú priemerné rýchlosti guličiek z oboch nádob rovnaké. Časť energie z guľôčok z prvého zásobníka sa prenáša na guľky z druhého zásobníka, kým sa nedosiahne táto nová rovnováha.

To sa v podstate deje na mikroskopickej úrovni, keď sa dva objekty s rozdielnou teplotou dostanú do kontaktu navzájom. Energia z objektu pri vyššej teplote sa prenáša vo forme tepla do objektu s nižšou teplotou.

Teplota je mierou priemernej translačnej kinetickej energie na molekulu v látke. V analógii guľky v nádobe je to miera priemernej kinetickej energie na guľôčku v danom zásobníku. Na molekulárnej úrovni všetky atómy a molekuly vibrujú a vrtia sa okolo. Tento pohyb nevidíte, pretože sa deje v takom malom rozsahu.

Bežné teplotné stupnice sú Fahrenheita, Celzia a Kelvina, vedeckým štandardom je Kelvin. Stupnica Fahrenheita je najbežnejšia v USA. V tejto mierke voda zamrzne pri 32 stupňoch a vrie pri 212 stupňoch. Na stupnici Celzia, ktorá je bežná na väčšine iných miest na svete, voda zamrzne pri 0 stupňoch a vrie pri 100 stupňoch.

Vedeckým štandardom je však Kelvinova stupnica. Zatiaľ čo veľkosť prírastku na Kelvinovej stupnici je rovnaká ako veľkosť stupňa na stupnici Celzia, jeho hodnota 0 je nastavená na inom mieste. 0 Kelvinov sa rovná -273,15 stupňov Celzia.

Prečo taká nepárna voľba pre 0? Ukázalo sa, že to je oveľa menej zvláštna voľba ako nulová hodnota stupnice Celzia. 0 Kelvinov je teplota, pri ktorej sa zastaví všetok molekulárny pohyb. Je to teoreticky úplne najchladnejšia teplota.

V tomto svetle má Kelvinova stupnica oveľa väčší zmysel ako stupnica Celzia. Popremýšľajte, ako sa meria napríklad vzdialenosť. Bolo by čudné vytvoriť stupnicu vzdialenosti, kde by hodnota 0 zodpovedala značke 1 m. Čo by to v takom meradle znamenalo, keby bolo niečo dvakrát také dlhé ako niečo iné?

Celková vnútorná energia látky je súčtom kinetických energií všetkých jej molekúl. Závisí to od teploty látky (priemerná kinetická energia na molekulu) a od celkového množstva látky (počet molekúl).

Je možné, že dva objekty majú rovnakú celkovú vnútornú energiu a majú úplne odlišné teploty. Napríklad chladnejší objekt bude mať nižšiu priemernú kinetickú energiu na molekulu, ale ak počet molekuly sú veľké, potom môže skončiť s rovnakou celkovou vnútornou energiou teplejšieho objektu s menej molekuly.

Prekvapujúcim výsledkom tohto vzťahu medzi celkovou vnútornou energiou a teplotou je skutočnosť, že veľká blok ľadu môže skončiť s viac energie ako zapálená zápalková hlavica, aj keď je zápalková hlavica taká horúca, že je zapnutá oheň!

Existujú tri hlavné spôsoby prenosu tepelnej energie z jedného objektu do druhého. Sú to vedenie, konvekcia a žiarenie.

​Vedenienastáva, keď sa energia prenáša priamo medzi dvoma materiálmi v tepelnom kontakte. Toto je typ prenosu, ku ktorému dochádza pri analógii gumovej gule opísanej vyššie v tomto článku. Keď sú dva objekty v priamom kontakte, energia sa prenáša zrážkami medzi ich molekulami. Táto energia sa pomaly dostáva z bodu dotyku do zvyšku pôvodne chladnejšieho objektu, kým sa nedosiahne tepelná rovnováha.

Nie všetky predmety alebo látky však vedú energiu týmto spôsobom rovnako dobre. Niektoré materiály, nazývané dobré tepelné vodiče, môžu prenášať tepelnú energiu ľahšie ako iné materiály, ktoré sa nazývajú dobré tepelné izolátory.

Pravdepodobne ste s takýmito vodičmi a izolátormi mali skúsenosti vo svojom každodennom živote. Ako je v chladné zimné ráno porovnanie šliapania naboso na podlahu s dlaždicami v porovnaní so šliapaním naboso na koberec? Pravdepodobne sa zdá, že koberec je akosi teplejší, avšak nie je to tak. Obe poschodia majú pravdepodobne rovnakú teplotu, ale dlaždica je oveľa lepším tepelným vodičom. Z tohto dôvodu spôsobuje, že tepelná energia opúšťa vaše telo oveľa rýchlejšie.

​Konvekciaje forma prenosu tepla, ktorá sa vyskytuje v plynoch alebo tekutinách. Plyny, a v menšej miere aj tekutiny, prechádzajú zmenami svojej hustoty s teplotou. Zvyčajne sú teplejšie, tým sú menej husté. Z tohto dôvodu a pretože molekuly v plynoch a tekutinách sa môžu voľne pohybovať, ak sa spodná časť zahreje, rozšíri sa a vďaka svojej nižšej hustote vystúpi na vrchol.

Ak napríklad postavíte na sporák panvicu s vodou, voda na dne panvice sa zahrieva, rozširuje a stúpa nahor, keď chladnejšia voda klesá. Chladnejšia voda sa potom ohrieva, rozširuje a stúpa a tak ďalej, pričom vytvára konvekčné prúdy, ktoré spôsobujú zmiešanie tepelnej energie v systéme zmiešaním molekúl v systéme (na rozdiel od toho, že všetky molekuly zostávajú zhruba na rovnakom mieste, kde sa pohybujú tam a späť a odrážajú sa do každej z nich) iné.)

Konvekcia je dôvod, prečo vykurovacie telesá najlepšie fungujú na vykurovanie domu, ak sú umiestnené blízko podlahy. Ohrievač umiestnený v blízkosti stropu by ohrial vzduch v blízkosti stropu, ale tento vzduch by zostal na mieste.

Treťou formou prenosu tepla ježiarenie. Žiarenie je prenos energie prostredníctvom elektromagnetických vĺn. Predmety, ktoré sú teplé, môžu vydávať energiu vo forme elektromagnetického žiarenia. Takto sa napríklad na Zem dostane tepelná energia zo slnka. Len čo toto žiarenie príde do kontaktu s iným objektom, môžu atómy v danom objekte získať energiu jeho absorpciou.

Dva rôzne materiály tej istej hmoty prejdú rôznymi teplotnými zmenami napriek tomu, že majú rovnakú celkovú energiu pridanú v dôsledku rozdielov v volanom množstveŠpecifická tepelná kapacita. Merná tepelná kapacita závisí od použitého materiálu. Hodnotu špecifickej tepelnej kapacity materiálu zvyčajne vyhľadáte v tabuľke.

Formálnejšie je špecifická tepelná kapacita definovaná ako množstvo tepelnej energie, ktoré sa musí pridať na jednotku hmotnosti, aby sa teplota zvýšila o stupeň Celzia. Jednotky SI pre špecifickú tepelnú kapacitu, obvykle označenéc, sú J / kgK.

Popremýšľajte o tom takto: Predpokladajme, že máte dve rôzne látky, ktoré vážia úplne rovnako a majú úplne rovnakú teplotu. Prvá látka má vysokú špecifickú tepelnú kapacitu a druhá látka má nízku špecifickú tepelnú kapacitu. Teraz predpokladajme, že do oboch pridáte presne rovnaké množstvo tepelnej energie. Prvá látka - látka s vyššou tepelnou kapacitou - nebude mať vyššiu teplotu ako druhá látka.

Existuje veľa faktorov, ktoré ovplyvňujú to, ako sa teplota látky zmení, keď sa na ňu prenesie dané množstvo tepelnej energie. Medzi tieto faktory patrí hmotnosť materiálu (menšia hmotnosť podstúpi väčšiu zmenu teploty pre dané množstvo pridaného tepla) a špecifická tepelná kapacitac​.

Ak existuje zdroj tepla dodávajúci energiuP, potom celkové pridané teplo závisí odPa čast. Teda tepelná energiaQbude sa rovnaťP​ × ​t​.

Rýchlosť zmeny teploty je ďalším zaujímavým faktorom, ktorý treba brať do úvahy. Menia objekty stále teplotu? Ukazuje sa, že rýchlosť zmeny závisí od teplotného rozdielu medzi objektom a jeho okolím. Newtonov zákon chladenia túto zmenu popisuje. Čím je objekt bližšie k okolitej teplote, tým pomalšie sa približuje k rovnováhe.

Vzorec, ktorý súvisí so zmenou teploty s hmotnosťou objektu, špecifickou tepelnou kapacitou a pridanou alebo odstránenou tepelnou energiou, je nasledovný:

Tento vzorec sa však uplatňuje, iba ak látka neprechádza fázovou zmenou. Pri zmene látky z pevnej na kvapalnú alebo z kvapalnej na plynnú sa teplo, ktoré sa k nej pridáva, umiestňuje použitie spôsobujúce túto fázovú zmenu a nebude mať za následok teplotnú zmenu, kým fázová zmena nebude kompletný.

Veličina nazývaná latentné teplo fúzieĽ_f, popisuje koľko tepelnej energie na jednotku hmotnosti je potrebné na zmenu látky z tuhej látky na kvapalinu. Rovnako ako pri špecifickej tepelnej kapacite, jej hodnota závisí od fyzikálnych vlastností predmetného materiálu a často ju vyhľadávajú tabuľky. Rovnica, ktorá sa týka tepelnej energieQdo hmotnosti materiáluma latentné teplo fúzie je:

To isté sa deje pri prechode z kvapaliny na plyn. V takejto situácii je veličina nazývaná latentné teplo odparovaniaĽ_v, popisuje koľko energie na jednotku hmotnosti je potrebné pridať, aby došlo k fázovej zmene. Výsledná rovnica je rovnaká okrem dolného indexu:

Vnútorná energiaEje celková vnútorná kinetická energia alebo tepelná energia v materiáli. Za predpokladu ideálneho plynu, kde je potenciálna energia medzi molekulami zanedbateľná, je daný vzorcom:

kdenje počet mólov,Tje teplota v Kelvinoch a univerzálna plynová konštantaR= 8,3 145 J / molK. Vnútorná energia sa stáva 0 J pri absolútnej 0 K.

V termodynamike súvis medzi zmenami vnútornej energie, odovzdávaného tepla a prácou vykonanou na systéme alebo prostredníctvom systému súvisí prostredníctvom:

Tento vzťah je známy ako prvý zákon termodynamiky. V podstate ide o vyhlásenie o zachovaní energie.