Verjetno ste seznanjeni s termometri in merjenjem temperatur, občutkom vročine in mraza ter potrebnim vrenjem vode. Zdaj je čas, da razširite svoje intuitivno razumevanje toplote in temperature in se naučite, kako to počnejo fiziki.
V tem uvodu v termično fiziko boste izvedeli, kaj sta toplota in temperatura ter na katere pojave se nanaša ta veja fizike.
Študija toplote in temperature
Toplotna fizika je študij toplota in temperatura. Toplota je opredeljena kot energija, ki se prenaša med dvema predmetoma z različnimi temperaturami - od toplejšega do hladnejšega.
Vročina je vrsta toplotne energije. Toplotna energija je energija, povezana z molekularnim gibanjem znotraj predmeta. Znotraj katerega koli predmeta molekule ne stojijo mirno; čeprav gibanja vidno ne vidite, se vsi mešajo in premetavajo drug v drugega.
Temperatura je merilo povprečne kinetične energije na molekulo. Morda ste seznanjeni z merjenjem v stopinjah Fahrenheita ali celo Celzija, toda enota SI, ki jo imajo znanstveniki raje, je Kelvin.
Skupaj notranja energija predmet je odvisen od njegove mase, temperature in specifična toplotna zmogljivost. Specifična toplotna zmogljivost je merilo, koliko toplotne energije je potrebno za dvig temperature enote mase za 1 stopinjo. Različni materiali imajo različne specifične toplotne kapacitete in toplotno zmogljivost katerega koli določenega materiala lahko običajno poiščemo v tabeli.
Prenos toplote
Toplota se lahko prenaša z enega predmeta na drugega na tri primarne načine. To so:
- Prevajanje
- Konvekcija
- Sevanje
Pri prevodnosti sta oba predmeta v fizičnem stiku, toplotna energija pa se z neposrednejših trkov med molekulami v objektih premika od toplejšega do hladnejšega predmeta.
Pri konvekciji se toplota prenaša s konvekcijskimi tokovi. To se zgodi, ko na štedilniku zavrete vodo. Voda na dnu posode se najprej segreje, in ko se segreje, se razširi in postane manj gosta. Ker je manj gosta, se dvigne na vrh posode, ko hladnejša voda potone in se nato ogreje.
Pri sevanju se toplotna energija prenaša z elektromagnetnim sevanjem. Tako dobivate energijo od sonca. Ta energija potuje skozi vakuum vesolja kot sevanje, ki nato ogreje Zemljo, ko pride do nas.
Fazne spremembe
Ko se materialom dodaja toplotna energija, se temperatura zviša. Na določenih točkah klic fazni prehodi, faza sprememb materiala. Materiali se lahko spremenijo iz trdnega v tekočega in iz tekočega v plin in celo iz plina v plazmo.
Temperature, pri katerih pride do fazne spremembe, so odvisne od samega materiala in pogojev tlaka. To preučujemo z uporabo faznega diagrama.
Količina energije, potrebna za spremembo faze materiala, je odvisna od latentne toplote tega materiala. Latentna toplota fuzije materiala je količina toplotne energije, ki je potrebna za spremembo enote mase te snovi iz trdne v tekočo. Latentna toplota uparjanja materiala je količina toplotne energije, ki je potrebna, da se iz tekočine spremeni v plin.
Termodinamika
Termalna fizika sčasoma pripelje do študija termodinamike, ki je veja fizike, ki s pomočjo kinetične teorije in statistične mehanike preučuje spreminjanje toplotnih sistemov.
Obstajajo trije termodinamični zakoni, ki urejajo termodinamične procese. Imenujemo jih preprosto prvi zakon termodinamike, drugi zakon termodinamike in tretji zakon termodinamike. Ko se prvič seznanite s temi zakoni, se običajno naučite, kako se uporabljajo za idealen plin, in uporabite zakon o idealnem plinu.
Termodinamika vam lahko pomaga razumeti, kako delujejo parni stroji, hladilniki, toplotne črpalke in drugi podobni predmeti.