Ľudia niekedy používajú výrazyteploateplotazameniteľné. Spájajú teplo so slovomhorúcia chápať teplotu ako súvisiacu s „horúčavou“ alebo „chladom“ niečoho. Možno si povedia, že teplota v jarný deň je správna, pretože je to správne množstvo tepla.
Vo fyzike sú však tieto dve veličiny navzájom dosť odlišné. Nie sú mierou toho istého a nemajú rovnaké jednotky, aj keď obidve môžu informovať o porozumení tepelných vlastností.
Vnútorná energia
Aby sme pochopili teplo a teplotu na základnej úrovni, je najskôr dôležité porozumieť pojmu vnútorná energia. Aj keď by ste mohli byť oboznámení s objektmi, ktoré majú kinetickú energiu z dôvodu ich pohybu alebo potenciálnu energiu z dôvodu ich poloha v danom objekte môže mať samotné molekuly tiež formu kinetiky a potenciálu energie.
Táto molekulárna kinetická a potenciálna energia je oddelená od toho, čo vidíte pri pohľade napríklad na tehlu. Tehla sediaca na zemi sa javí ako nehybná a môžete predpokladať, že s ňou nie je spojená žiadna kinetická alebo potenciálna energia. A skutočne to nie je v zmysle vášho porozumenia základnej mechaniky.
Ale samotná tehla je zložená z mnohých molekúl, ktoré jednotlivo prechádzajú rôznymi druhmi malých pohybov, ktoré nevidíte. Molekuly môžu tiež zažiť potenciálnu energiu kvôli svojej blízkosti k iným molekulám a silám, ktoré medzi nimi pôsobia. Celková vnútorná energia tejto tehly je súčtom kinetických a potenciálnych energií samotných molekúl.
Ako ste sa pravdepodobne dozvedeli, energia sa šetrí. V prípade, že na predmet nepôsobí žiadne trenie alebo disipatívne sily, je tiež zachovaná mechanická energia. To znamená, že kinetická energia sa môže zmeniť na potenciálnu energiu a naopak, ale celková zostáva konštantná. Keď však pôsobí sila ako trenie, môžete si všimnúť, že celková mechanická energia klesá. Je to preto, že energia mala iné formy, ako je zvuková energia alebo tepelná energia.
Keď si v chladnom dni pošúchate ruky, premeníte mechanickú energiu na tepelnú. To znamená, že kinetická energia vašich rúk pohybujúcich sa proti sebe zmenila formu a stala sa kinetickou energiou molekúl vo vašich rukách navzájom. Priemer tejto kinetickej energie v molekulách vo vašich rukách je to, čo vedci definujú ako teplotu.
Definícia teploty
Teplota je mierou priemernej kinetickej energie na molekulu v látke. Upozorňujeme, že to nie je to isté ako vnútorná energia látky, pretože nezahŕňa potenciálnu energiu a tiež nie je mierou celkovej energie v látke. Namiesto toho je to celková kinetická energia vydelená počtom molekúl. Nezávisí to od toho, koľko niečoho máte (ako napríklad celková vnútorná energia), ale skôr od toho, koľko kinetickej energie nesie priemerná molekula v látke.
Teplotu je možné merať v mnohých rôznych jednotkách. Medzi nimi je Fahrenheit, ktorý je najbežnejší v USA a na niekoľkých ďalších miestach. Na stupnici Fahrenheita voda zamrzne pri 32 stupňoch a vrie pri 212 ° C. Ďalšou bežnou stupnicou je stupnica Celzia, ktorá sa používa na mnohých ďalších miestach na svete. Na tejto stupnici voda zamrzne pri 0 stupňoch a varí sa pri 100 stupňoch (čo poskytuje celkom jasnú predstavu o tom, ako bola táto stupnica navrhnutá).
Vedeckým štandardom je ale Kelvinova stupnica. Zatiaľ čo veľkosť prírastku na Kelvinovej stupnici je rovnaká ako stupeň Celzia, Kelvinova stupnica začína pri teplote nazývanej absolútna nula, pri ktorej sa zastaví všetok molekulárny pohyb. Inými slovami, začína sa pri najchladnejšej možnej teplote.
Nula stupňov Celzia je 273,15 na Kelvinovej stupnici. Kelvinova stupnica je vedeckým štandardom z dobrého dôvodu. Predpokladajme, že niečo má teplotu 0 stupňov Celzia. Čo by to znamenalo povedať, že druhý objekt má dvojnásobnú teplotu? Bola by táto položka tiež 0 stupňov Celzia? Na Kelvinovej škále táto predstava nespôsobuje žiadne problémy a je to práve preto, že začína na absolútnej nule.
Definícia tepla
Zvážte dve látky alebo predmety pri rôznych teplotách. Čo to znamená? To znamená, že v priemere sú to molekuly v jednej z látok (vo vysokoteplotnej) pohybujú sa okolo s väčšou priemernou kinetickou energiou ako molekuly pri nižšej teplote látka.
Ak tieto dve látky prídu do kontaktu, nie je prekvapením, že energia sa začne priemerne zväčšovať medzi látkami, keď dôjde k mikroskopickým zrážkam. Látka, ktorá mala spočiatku vyššiu teplotu, sa bude ochladzovať, keď teplota druhej látky stúpa, až kým nebudú obe rovnaké. Vedci tento stav nazývajú konečnýtepelná rovnováha.
Tepelná energia, ktorá sa prenáša z teplejšieho objektu na chladnejší objekt, vedci nazývajú teplo. Teplo je forma energie prenášanej medzi dvoma materiálmi, ktoré majú rôzne teploty. Teplo vždy prúdi z materiálu s vyššou teplotou do materiálu s nižšou teplotou, kým sa nedosiahne tepelná rovnováha.
Pretože teplo je forma energie, jednotkou tepla SI je joule.
Rozdiely medzi teplom a teplotou
Ako ste videli v predchádzajúcich definíciách, teplo a teplota sú skutočne dve odlišné fyzikálne opatrenia. Je len niekoľko ich rozdielov:
Merajú sa v rôznych jednotkách.Jednotkou SI pre teplotu je Kelvin a jednotkou SI pre teplo je joule. Kelvin sa považuje za základnú jednotku, čo znamená, že ho nemožno rozdeliť na kombináciu iných základných jednotiek. Joule sa rovná kgm2/ s2.
Líšia sa závislosťou od počtu molekúl.Teplota je mierou priemernej kinetickej energie na molekulu, čo znamená, že nezáleží na tom, koľko látky máte, keď hovoríte o teplote. Množstvo tepelnej energie, ktoré by sa mohlo preniesť medzi látkami, však veľmi závisí od toho, koľko z každej látky máte.
Sú to rôzne typy premenných.Teplota je známa ako stavová premenná. To znamená, že definuje stav, v ktorom sa látka alebo predmet nachádza. Teplo je na druhej strane premenná procesu. Opisuje prebiehajúci proces - v tomto prípade prenos energie. Nemá zmysel hovoriť o horúčave, keď je všetko v rovnováhe.
Merajú sa rôzne.Teplota sa meria teplomerom, čo je zvyčajne zariadenie, ktoré využíva tepelnú rozťažnosť na zmenu odpočtu na stupnici. Teplo sa naopak meria pomocou kalorimetra.
Podobnosti a vzťahy medzi teplom a teplotou.
Teplo a teplota navzájom celkom nesúvisia, avšak:
Obidve sú dôležité veličiny v termodynamike.Štúdium tepelnej energie sa spolieha na schopnosť merať teplotu, ako aj na schopnosť sledovať prenosy tepla.
Prenos tepla je riadený teplotnými rozdielmi.Keď majú dva objekty rôzne teploty, bude sa tepelná energia prenášať z teplejšieho do chladnejšieho, kým sa nedosiahne tepelná rovnováha. Preto sú tieto teplotné rozdiely hnacou silou prenosu tepla.
Majú tendenciu sa spoločne zväčšovať a zmenšovať.Ak sa do systému pridá teplo, teplota stúpa. Ak sa zo systému odstráni teplo, teplota klesá. (Jedna výnimka z toho nastáva pri fázových prechodoch, kedy sa namiesto zmeny teploty použije tepelná energia na vyvolanie fázového prechodu.)
Vzťahujú sa k sebe rovnicou.Tepelná energiaQsúvisí so zmenou teplotyΔTpomocou rovnice Q = mcΔT kdemje hmotnosť látky acje jeho špecifická tepelná kapacita (to je miera množstva tepelnej energie potrebnej na zvýšenie jednotkovej hmotnosti o stupeň Kelvina pre konkrétnu látku.)
Teplo, teplota a celková vnútorná energia
Vnútorná energia je celková vnútorná kinetická a potenciálna energia alebo tepelná energia v materiáli. Pre ideálny plyn, v ktorom je potenciálna energia medzi molekulami zanedbateľná, je vnútorná energiaEje dané vzorcom E = 3 / 2nRT kdenje počet mólov plynu a konštanta univerzálneho plynuR= 8,3 145 J / molK.
Vzťah medzi vnútornou energiou a teplotou ukazuje, že nie je prekvapením, že so zvyšovaním teploty rastie aj tepelná energia. Vnútorná energia sa tiež stáva 0 pri absolútnej 0 Kelvinoch.
Teplo prichádza do obrazu, keď sa začnete dívať na zmeny vnútornej energie. Prvý zákon termodynamiky dáva tento vzťah:
\ Delta E = Q - W
kdeQje teplo pridané do systému aŽje práca vykonaná systémom. V podstate ide o vyhlásenie o zachovaní energie. Keď pridáte tepelnú energiu, vnútorná energia sa zvýši. Ak systém pracuje na svojom okolí, vnútorná energia klesá.
Teplota ako funkcia tepelnej energie
Ako už bolo spomenuté vyššie, tepelná energia pridávaná do systému má zvyčajne za následok zodpovedajúce zvýšenie teploty, pokiaľ systém neprechádza fázovou zmenou. Ak sa chcete pozrieť na to podrobnejšie, zvážte blok ľadu, ktorý začína pod bodom mrazu, keď sa tepelná energia dodáva konštantnou rýchlosťou.
Ak sa tepelná energia pridáva nepretržite, zatiaľ čo sa blok ľadu ohrieva na bod mrazu, prechádza fázovou zmenou, aby sa z nej stala voda a potom pokračuje v ohrievaní, kým nedosiahne teplotu varu, kde podstúpi ďalšiu fázovú zmenu na paru, graf teploty vs. teplo bude vyzerať nasledovne:
Zatiaľ čo ľad je pod bodom mrazu, existuje lineárny vzťah medzi tepelnou energiou a teplotou. To nie je prekvapujúce, ako by malo byť, vzhľadom na rovnicu Q = mcΔT. Len čo ľad dosiahne bod mrazu, musí sa na jeho zmenu použiť akákoľvek pridaná tepelná energia. Teplota zostáva konštantná, aj keď sa teplo stále pridáva. Rovnica, ktorá spája tepelnú energiu s hmotou počas fázovej zmeny z tuhej na kvapalnú, je nasledovná:
Q = ml_f
kdeĽfje latentné teplo fúzie - konštanta súvisiaca s tým, koľko energie je potrebné na jednotku hmotnosti na to, aby došlo k zmene z tuhej látky na kvapalinu.
Takže, kým sa množstvo tepla nebude rovnaťmlfbol pridaný, teplota zostáva konštantná.
Len čo sa všetok ľad roztopí, teplota opäť lineárne stúpa, až kým nedosiahne teplotu varu. Aj tu opäť nastáva fázová zmena, tentokrát z kvapaliny na plyn. Rovnica vzťahujúca sa na teplo a hmotu je počas tejto fázovej zmeny veľmi podobná:
kdeĽvje latentné teplo odparovania - konštanta, ktorá súvisí s tým, koľko energie je potrebné na jednotku hmotnosti na to, aby došlo k zmene z kvapaliny na plyn. Takže teplota opäť zostáva konštantná, kým sa nepridá dostatok tepelnej energie. Upozorňujeme, že tentoraz zostáva konštantný dlhšie. Je to pretoĽvje zvyčajne vyššia akoĽfpre látku.
Posledná časť grafu opäť ukazuje rovnaký lineárny vzťah ako predtým.
