Vročina (fizika): opredelitev, formula in primeri

Vsakdo pozna koncept, da je vroče ali premrzlo ali da vroč dan občuti toploto od sonca, toda kaj konkretno pomeni beseda "toplota"? Je to lastnost nečesa "vročega?" Je to isto kot temperatura? Izkazalo se je, da je toplota merljiva količina, ki so jo fiziki natančno določili.

Toplota je tisto, kar znanstveniki imenujejo oblika energije, ki se prenaša med dvema materialoma z različno temperaturo. Ta prenos energije se zgodi zaradi razlik v povprečni translacijski kinetični energiji na molekulo v obeh materialih. Toplota teče iz materiala z višjo temperaturo v material z nižjo temperaturo, dokler ne dosežemo toplotnega ravnovesja. Enota toplote SI je džul, kjer je 1 džul = 1 njuton × meter.

Da bi bolje razumeli, kaj se dogaja, ko pride do tega prenosa energije, si predstavljamo naslednji scenarij: Dve različni posodi sta napolnjeni z drobnimi gumijastimi kroglicami, ki se premetavajo naokoli. V enem od vsebnikov je povprečna hitrost kroglic (in s tem njihova povprečna kinetična energija) veliko večja od povprečne hitrosti kroglic v drugem posoda (čeprav je lahko hitrost katere koli posamezne krogle kadar koli v katerem koli trenutku, saj toliko trkov povzroči neprekinjen prenos energije med kroglice.)

Če bi te posode postavili tako, da se bodo stranice dotaknile in nato odstranili stene, ki ločujejo njihovo vsebino, kaj bi pričakovali?

Kroglice iz prve posode bodo začele interakcijo s kroglicami iz druge posode. Ko pride do vedno več trkov med kroglicami, postopoma postanejo povprečne hitrosti kroglic iz obeh posod enake. Nekaj ​​energije iz kroglic iz prve posode se prenese na kroglice v drugi posodi, dokler ne dosežemo tega novega ravnovesja.

V bistvu se to dogaja na mikroskopski ravni, ko prideta med seboj dva predmeta z različno temperaturo. Energija iz predmeta pri višji temperaturi se v obliki toplote prenese na objekt z nižjo temperaturo.

Temperatura je merilo povprečne translacijske kinetične energije na molekulo v snovi. V analogiji kroglice v posodi je merilo povprečne kinetične energije na kroglico v dani posodi. Na molekularni ravni vsi atomi in molekule vibrirajo in se premikajo. Tega gibanja ne vidite, ker se dogaja v tako majhnem obsegu.

Skupne temperaturne lestvice so stopinje Fahrenheita, Celzija in Kelvina, pri čemer je Kelvin znanstveni standard. Fahrenheitova lestvica je najpogostejša v ZDA. V tej lestvici voda zmrzne pri 32 stopinjah in zavre pri 212 stopinjah. Na lestvici Celzija, ki je pogosta v večini drugih krajev na svetu, voda zmrzne pri 0 stopinjah in zavre pri 100 stopinjah.

Znanstveni standard pa je Kelvinova lestvica. Medtem ko je velikost prirastka na Kelvinovi lestvici enaka velikosti stopinje na stopnji Celzija, je njegova vrednost 0 nastavljena na drugem mestu. 0 Kelvin je enak -273,15 stopinj Celzija.

Zakaj tako čudna izbira za 0? Izkazalo se je, da je to veliko manj čudna izbira kot ničelna vrednost Celzijeve lestvice. 0 Kelvin je temperatura, pri kateri se ustavi vsa molekularna gibanja. Teoretično je absolutno najhladnejša temperatura.

V tej luči je Kelvinova lestvica veliko bolj smiselna kot Celzijeva lestvica. Pomislite, kako se na primer meri razdalja. Nenavadno bi bilo ustvariti lestvico razdalje, kjer bi bila vrednost 0 enaka oznaki 1 m. Kaj bi v takem obsegu pomenilo, da je nekaj dvakrat daljše od česa drugega?

Skupna notranja energija snovi je vsota kinetičnih energij vseh njenih molekul. Odvisno je od temperature snovi (povprečne kinetične energije na molekulo) in celotne količine snovi (števila molekul).

Možno je, da imata dva predmeta enako celotno notranjo energijo, medtem ko imata povsem različne temperature. Na primer, hladnejši objekt bo imel nižjo povprečno kinetično energijo na molekulo, če pa je število molekul je velika, potem lahko še vedno dobi enako celotno notranjo energijo toplejšega predmeta z manj molekul.

Presenetljiv rezultat tega razmerja med skupno notranjo energijo in temperaturo je dejstvo, da je velik blok ledu lahko na koncu dobi več energije kot prižgana glava vžigalice, čeprav je glava vžigalice tako vroča, da je vklopljena ogenj!

Obstajajo tri glavne metode, s katerimi se toplotna energija prenaša z enega predmeta na drugega. So prevodnost, konvekcija in sevanje.

​Prevajanjese pojavi, ko se energija prenaša neposredno med dvema materialoma v medsebojnem toplotnem stiku. To je vrsta prenosa, ki se zgodi v analogiji z gumijasto kroglo, opisano prej v tem članku. Ko sta dva predmeta v neposrednem stiku, se energija prenaša s trki med njunima molekulama. Ta energija se počasi prebija od stične točke do preostalega sprva hladnejšega predmeta, dokler ne dosežemo toplotnega ravnovesja.

Vsi predmeti ali snovi pa energije ne prevajajo enako dobro. Nekateri materiali, imenovani dobri toplotni vodniki, lahko toplotno energijo prenašajo lažje kot drugi materiali, imenovani dobri toplotni izolatorji.

Verjetno ste v svojem vsakdanjem življenju imeli izkušnje s takimi vodniki in izolatorji. Kako se v hladnem zimskem jutru stopi bos na tla po ploščicah v primerjavi z bosonogo stopitvijo na preprogo? Verjetno se zdi, da je preproga nekako toplejša, vendar temu ni tako. V obeh nadstropjih je verjetno enaka temperatura, vendar je ploščica veliko boljši toplotni prevodnik. Zaradi tega toplotna energija veliko hitreje zapusti vaše telo.

​Konvekcijaje oblika prenosa toplote, ki se pojavi v plinih ali tekočinah. Plini in v manjši meri tekočine doživljajo spremembe v gostoti s temperaturo. Običajno so toplejši, manj gosti so. Zaradi tega in ker se molekule v plinih in tekočinah prosto gibljejo, se spodnji del segreje, zato se zaradi svoje manjše gostote razširi in tako dvigne na vrh.

Če na štedilnik na primer postavite posodo z vodo, se voda na dnu posode segreje, razširi in dvigne na vrh, ko hladnejša voda potone. Nato hladnejša voda se segreje, razširi in naraste in tako naprej, pri čemer nastanejo konvekcijski tokovi, ki povzročajo, da se toplotna energija skozi mešanje razprši skozi sistem molekul v sistemu (v nasprotju s tem, da vse molekule ostanejo približno na istem mestu, ko se premikajo naprej in nazaj, odbijajo se v vsako drugo.)

Konvekcija je razlog, zakaj grelniki najbolje delujejo za ogrevanje hiše, če so nameščeni blizu tal. Grelec, nameščen blizu stropa, bi ogreval zrak blizu stropa, vendar bi ta zrak ostal.

Tretja oblika prenosa toplote jesevanje. Sevanje je prenos energije z elektromagnetnimi valovi. Predmeti, ki so topli, lahko oddajajo energijo v obliki elektromagnetnega sevanja. Tako na primer pride do Zemlje toplotna energija sonca. Ko to sevanje pride v stik z drugim predmetom, lahko atomi v tem objektu pridobijo energijo, tako da ga absorbirajo.

Dva različna materiala z enako maso se bosta različno spreminjala, kljub enaki dodani skupni energiji zaradi razlik v imenovani količinispecifična toplotna zmogljivost. Specifična toplotna zmogljivost je odvisna od zadevnega materiala. V tabeli običajno poiščete vrednost specifične toplotne zmogljivosti materiala.

Bolj formalno je specifična toplotna zmogljivost opredeljena kot količina toplotne energije, ki jo je treba dodati na enoto mase, da se temperatura zviša za stopinjo Celzija. Enote SI za specifično toplotno zmogljivost, običajno označene zc, so J / kgK.

Razmislite tako: Recimo, da imate dve različni snovi, ki tehtata popolnoma enako in imata popolnoma enako temperaturo. Prva snov ima visoko specifično toplotno kapaciteto, druga snov pa nizko specifično toplotno kapaciteto. Zdaj predpostavimo, da obema dodate popolnoma enako količino toplotne energije. Prva snov - tista z večjo toplotno zmogljivostjo - se ne bo tako močno dvignila kot druga snov.

Številni dejavniki vplivajo na to, kako se bo temperatura snovi spreminjala, ko bo nanjo prenesena določena količina toplotne energije. Ti dejavniki vključujejo maso materiala (manjša masa bo pri določeni količini dodane toplote imela večje spremembe temperature) in specifično toplotno zmogljivostc​.

Če obstaja vir toplote, ki napaja elektrikoP, potem je skupna dodana toplota odvisna odPin čast. To je toplotna energijaVbo enakoP​ × ​t​.

Hitrost spremembe temperature je še en zanimiv dejavnik, ki ga je treba upoštevati. Ali predmeti stalno spreminjajo temperature? Izkazalo se je, da je hitrost spremembe odvisna od temperaturne razlike med predmetom in okolico. Newtonov zakon hlajenja opisuje to spremembo. Bližje kot je objekt okoliški temperaturi, počasneje se približuje ravnotežju.

Formula, ki povezuje spremembo temperature z maso predmeta, specifično toplotno zmogljivostjo in dodano ali odvzeto toplotno energijo, je naslednja:

Ta formula pa velja le, če snov ne spreminja faz. Ko se snov spremeni iz trdne v tekočo ali iz tekoče v plinsko, se ji doda toplota, ki ji je dodana za uporabo, ki povzroča to fazno spremembo, in ne bo povzročila spremembe temperature, dokler fazna sprememba ne bo popolna.

Označena količina, imenovana latentna toplota fuzijeL_f, opisuje, koliko toplotne energije na enoto mase je potrebno za spremembo snovi iz trdne snovi v tekočo. Tako kot pri specifični toplotni zmogljivosti je njegova vrednost odvisna od fizikalnih lastnosti zadevnega materiala in je pogosto prikazana v tabelah. Enačba, ki se nanaša na toplotno energijoVna maso materialamin latentna toplota fuzije je:

Enako se zgodi pri menjavi s tekočine na plin. V takem primeru je označena količina, imenovana latentna toplota uparjanjaL_v, opisuje, koliko energije na enoto mase je treba dodati, da povzroči fazno spremembo. Nastala enačba je enaka, razen za podpis:

Notranja energijaEje skupna notranja kinetična energija ali toplotna energija v materialu. Ob predpostavki idealnega plina, kjer je potencialna energija med molekulami zanemarljiva, je podana s formulo:

kjenje število molov,Tje temperatura v Kelvinih in univerzalna plinska konstantaR= 8,3145 J / molK. Notranja energija postane 0 J pri absolutnih 0 K.

V termodinamiki je razmerje med spremembami notranje energije, prenosom toplote in delom, opravljenim na sistemu ali s sistemom, povezano z:

To razmerje je znano kot prvi zakon termodinamike. V bistvu gre za izjavo o ohranjanju energije.