Iz izkušenj veste, da ko vrednost na termometru kaže temperatura povečajo, razmere v okolici postanejo toplejše. Ko ta vrednost pade, se pogoji okolja ohladijo. Verjetno se tudi zavedate, da je v uporabi več običajnih temperaturnih lestvic za natančno kvantifikacijo tega pojava.
Če spremembe temperature na nek način kažejo na dobiček ali izgubo toplota v bližini, ali obstaja način, kako zajeti korelacijo? Se pravi, ali je mogoče določeno spremembo temperature (recimo v stopinjah Celzija ali ° C) povezati z določenim dobičkom ali izgubo toplote - ob predpostavki, da je "toplota" sploh stvar, ki jo je mogoče natančno izmeriti v fiziki?
Dejansko je mogoče povezati spremembe temperature z dobički ali izgubami toplote v koristnih toplotnih enotah, kot so kilodžuli (kJ), če dobesedno veste, s čim imate opravka.
Temperatura in njene lestvice
Temperatura je količina, ki jo izmeri naprava, imenovana termometer. Matematično izhaja iz povprečne kinetične energije delcev (atomov in molekul) v sistemu, kot je zaprta posoda ali soba.
Kinetična energija je energija gibanja. Ko drobni delci zdrsnejo po zraku, trčijo med seboj in trki sproščajo toploto. Hitrejša kot je povprečna hitrost delcev v sistemu, bolj se bodo trčili in več toplote se bo sprostilo, s čimer se bo izmerjena temperatura zvišala.
Enota temperature SI je Kelvin (K). To ni stopinja in zato nima povezanega simbola, za razliko od stopinj Celzija in Fahrenheita. Vendar imata K in ° C enako velikost v smislu, da povečanje za 1 K in povečanje za 1 ° C predstavljata enako fizično spremembo. Toda tehtnica je izravnana tako, da je ° C = -273,15 K, najmanjša teoretična vrednost K pa 0.
Poleg tega (9/5) ° C + 32 = ° F.
Energija, toplota in njihove enote
Tega izraza nedvomno poznate kalorija kot enega od mnogih načinov za merjenje, kaj hrana, ki jo jeste, prinaša celičnim strojem vašega sistema. Nekateri viri trdijo, da ima kalorija enote energije; drugi pravijo, da potrebujejo enote toplote. Dejansko sta obe trditvi resnični, saj je toplota ena izmed različnih podvrst "uradne" - če je le težko dosegljiva - količine v fiziki, znane kot energija.
Medtem ko je kalorija (cal) osnova za večino javnih pogovorov v ZDA o energiji, ki jo zagotavljajo živila, to ni enota, ki se uporablja v učbenikih in revijah za fiziko. Standardna mednarodna enota (SI) za energijo in s tem toploto je džul (J).
1 kalorija = 4,18 J, toda "kalorija", ki jo vidite na oznakah živil, je dejansko kilokalorija (kcal) ali 1000 pravih kalorij. Tako je 1 "kalorija" na oznako hranilne vrednosti dejansko 4.180 džul ali 4,18 kJ.
Kako so povezani toplota in temperatura?
Videli ste, kako je temperatura povezana s toploto. Kako pa je bila sploh določena velikost "ene stopinje"? Ljudje so morali imeti način, kako označiti mesta na temperaturni lestvici med "zamrznjenimi" in "prekuhanimi" in jim dodeliti številke.
Kot se zgodi, če dodate določeno količino toplote (V) v džuljih na sistem ali odstranite toploto iz tega sistema, lahko določite, koliko se bo temperatura sistema spremenila (∆T) v Celziju, dokler poznate maso sistema (pogosto vzorec vode) m v gramih in njegova specifična toplota c, ki se razlikuje od snovi do snovi:
Q = mc (∆T)
Za vodo je c = 1 kal / (g) (° C) = 4,186 J / (g) (° C).
Primer: Če imate 1-litrski vzorec vode z maso 1.000 g, koliko energije v kJ potrebujete za ogrevanje vzorca za 1 ° C?
Q = mc (∆T) = (1.000 g) (4.186 J / g ° C) (1 ° C) = 4.186 = 4.186 kJ.
Spomnimo se, da je to količina energije v posamezni "kaloriji" hrane. To je nenavadno, če pomislite, da ima recimo 1 L sladkane sode približno 400-krat večjo količino, vendar telo s "kalorijami" ravna precej drugače kot s preprostim kozarcem vode.