Ljudje včasih uporabljajo izrazetoplotaintemperaturazamenljivo. Z besedo povezujejo toplotovročein temperaturo razumemo kot povezano tudi z "vročino" ali "hladnostjo" nečesa. Morda bodo rekli, da se temperatura spomladanskega dne počuti ravno prav, ker gre ravno za pravo količino toplote.
V fiziki pa se ti dve količini med seboj precej razlikujeta. Ne gre za merjenje iste stvari in nimata enakih enot, čeprav sta oba lahko seznanjena z vašim razumevanjem toplotnih lastnosti.
Notranja energija
Da bi toploto in temperaturo razumeli na temeljni ravni, je najprej pomembno razumeti koncept notranje energije. Čeprav ste morda seznanjeni s predmeti, ki imajo kinetično energijo zaradi njihovega gibanja ali potencialno energijo zaradi v svojem položaju znotraj danega predmeta imajo lahko molekule same tudi obliko kinetike in potenciala energija.
Ta molekularna kinetična in potencialna energija je ločena od tistega, kar lahko vidite, če pogledate recimo opeko. Zdi se, da je opeka, ki sedi na tleh, nepremična in lahko domnevate, da z njo ni povezana kinetična ali potencialna energija. In res, ne v smislu vašega razumevanja osnovne mehanike.
Toda sama opeka je sestavljena iz številnih molekul, ki posamezno izvajajo različne vrste majhnih gibov, ki jih ne morete videti. Molekule lahko izkusijo tudi potencialno energijo zaradi bližine drugih molekul in sil, ki delujejo med njimi. Skupna notranja energija te opeke je vsota kinetične in potencialne energije samih molekul.
Kot ste se verjetno že naučili, je energija ohranjena. V primeru, da na predmet ne delujejo sile trenja ali razpršilne sile, se ohrani tudi mehanska energija. To pomeni, da se kinetična energija lahko spremeni v potencialno energijo in obratno, vendar vsota ostane nespremenjena. Ko deluje sila, podobna trenju, pa lahko opazite zmanjšanje celotne mehanske energije. To je zato, ker je energija dobila druge oblike, kot sta zvočna ali toplotna energija.
Ko si v hladnem dnevu drgnete roke, pretvorite mehansko energijo v toplotno. To pomeni, da se je kinetična energija vaših rok, ki se premikata druga proti drugi, spremenila in postala kinetična energija molekul v rokah glede na drugo. Povprečje te kinetične energije v molekulah v rokah je tisto, kar znanstveniki opredeljujejo kot temperaturo.
Opredelitev temperature
Temperatura je merilo povprečne kinetične energije na molekulo v snovi. Upoštevajte, da ni enako kot notranja energija snovi, ker ne vključuje potencialne energije in tudi ni merilo celotne energije v snovi. Namesto tega gre za skupno kinetično energijo, deljeno s številom molekul. Kot taka ni odvisna od tega, koliko nečesa imate (na primer celotna notranja energija), temveč od tega, koliko kinetične energije nosi povprečna molekula v snovi.
Temperaturo lahko merimo v različnih enotah. Med njimi so Fahrenheit, ki je najpogostejši v ZDA in še nekaj drugih krajih. Po Fahrenheitovi lestvici voda zmrzne pri 32 stopinjah in zavre pri 212. Druga pogosta lestvica je lestvica Celzija, ki se uporablja marsikje drugje po svetu. Na tej lestvici voda zmrzne pri 0 stopinjah in vre pri 100 stopinjah (kar daje precej jasno predstavo o tem, kako je bila zasnovana ta lestvica).
Toda znanstveni standard je Kelvinova lestvica. Medtem ko je velikost prirastka na Kelvinovi lestvici enaka stopnji Celzija, se Kelvinova lestvica začne pri temperaturi, imenovani absolutna ničla, kjer se ustavi vse molekularno gibanje. Z drugimi besedami, začne se pri najhladnejši možni temperaturi.
Zero stopinj Celzija je 273,15 po Kelvinovi lestvici. Kelvinova lestvica je znanstveni standard z dobrim razlogom. Recimo, da je nekaj pri 0 stopinjah Celzija. Kaj bi pomenilo reči, da je drugi objekt dvakrat višji od temperature? Bi bil tudi ta element 0 stopinj Celzija? Na Kelvinovi lestvici ta pojem ne povzroča težav in ravno zato, ker se začne pri absolutni ničli.
Opredelitev toplote
Upoštevajte dve snovi ali predmete pri različnih temperaturah. Kaj to pomeni? To pomeni, da so v povprečju molekule ene od snovi (tiste z višjo temperaturo) ki se gibljejo z večjo povprečno kinetično energijo kot molekule pri nižji temperaturi snov.
Če prideta ti dve snovi v stik, ni presenetljivo, da se začne energija povprečno povprečevati med snovma, ko pride do mikroskopskih trkov. Snov, ki je bila sprva pri višji temperaturi, se bo ohladila, ko druga snov narašča, dokler ne bosta obe enaki. Znanstveniki temu pravijo končno stanjetoplotno ravnovesje.
Toplotna energija, ki se prenaša s toplejšega na hladnejši objekt, znanstveniki imenujejo toplota. Toplota je oblika energije, ki se prenaša med dvema materialoma, ki imata različne temperature. Toplota vedno teče iz materiala z višjo temperaturo v material z nižjo temperaturo, dokler ne dosežemo toplotnega ravnovesja.
Ker je toplota oblika energije, je enota toplote SI džul.
Razlike med toploto in temperaturo
Kot ste videli v prejšnjih definicijah, sta toplota in temperatura resnično dva različna fizična merila. To je le nekaj njihovih razlik:
Merijo se v različnih enotah.Enota SI za temperaturo je Kelvin, enota SI za toploto pa je džul. Kelvin velja za osnovno enoto, kar pomeni, da ga ni mogoče razčleniti na kombinacijo drugih temeljnih enot. Joule je enak kgm2/ s2.
Razlikujejo se po odvisnosti od števila molekul.Temperatura je merilo povprečne kinetične energije na molekulo, kar pomeni, da ni pomembno, koliko snovi imate, ko govorite o temperaturi. Količina toplotne energije, ki se lahko prenaša med snovmi, pa je zelo odvisna od tega, koliko posamezne snovi imate.
Gre za različne vrste spremenljivk.Temperatura je znana kot spremenljivka stanja. To pomeni, da definira stanje, v katerem je snov ali predmet. Po drugi strani pa je toplota procesna spremenljivka. Opisuje postopek, ki se dogaja - v tem primeru energija, ki se prenaša. O vročini ni smiselno govoriti, ko je vse v ravnovesju.
Izmerijo se drugače.Temperatura se meri s termometrom, ki je običajno naprava, ki s pomočjo toplotnega raztezanja spreminja odčitke na lestvici. Po drugi strani pa se toplota meri s kalorimetrom.
Podobnosti in razmerja med toploto in temperaturo.
Vendar vročina in temperatura med seboj nista popolnoma povezani:
Obe sta pomembni količini v termodinamiki.Študija toplotne energije temelji na sposobnosti merjenja temperature in sposobnosti sledenja prenosom toplote.
Prenos toplote temelji na temperaturnih razlikah.Ko sta dva predmeta pri različnih temperaturah, se bo toplotna energija iz toplejšega prenesla v hladnejšega, dokler ne dosežemo toplotnega ravnovesja. Kot take so te temperaturne razlike gonilnik prenosa toplote.
Ponavadi se skupaj povečujejo in zmanjšujejo.Če sistemu dodamo toploto, se temperatura dvigne. Če se iz sistema odstrani toplota, se temperatura zniža. (Ena izjema pri tem je pri faznih prehodih, v tem primeru se toplotna energija uporabi za fazni prehod namesto spremembe temperature.)
Med seboj so povezani z enačbo.Toplotna energijaVje povezana s spremembo temperatureΔTpreko enačbe Q = mcΔT kjermmasa snovi incje njegova specifična toplotna zmogljivost (to je mera količine toplotne energije, potrebne za dvig enote mase za stopinjo Kelvina za določeno snov.)
Toplota, temperatura in celotna notranja energija
Notranja energija je skupna notranja kinetična in potencialna energija ali toplotna energija v materialu. Za idealen plin, pri katerem je potencialna energija med molekulami zanemarljiva, notranja energijaEje podana s formulo E = 3 / 2nRT, kjer jenje število molov plina in univerzalna plinska konstantaR= 8,3145 J / molK.
Razmerje med notranjo energijo in temperaturo kaže, da se presenetljivo s povečevanjem temperature povečuje toplotna energija. Notranja energija postane tudi 0 pri absolutnih 0 Kelvinov.
Toplota se pojavi na sliki, ko začnete gledati spremembe v notranji energiji. Prvi zakon termodinamike daje naslednje razmerje:
\ Delta E = Q - Z
kjeVje toplota, dodana sistemu inWje delo, ki ga opravi sistem. V bistvu je to izjava o ohranjanju energije. Ko dodate toplotno energijo, se notranja energija poveča. Če sistem deluje na okolico, se notranja energija zmanjša.
Temperatura kot funkcija toplotne energije
Kot smo že omenili, toplotna energija, dodana sistemu, običajno povzroči ustrezno povišanje temperature, razen če je sistem v fazi spremembe. Če si to želite podrobneje ogledati, razmislite o ledenem bloku, ki se začne pod lediščem, saj se toplotna energija dodaja s konstantno hitrostjo.
Če se toplotna energija dodaja neprekinjeno, medtem ko se ledeni blok segreje do ledišča, se fazna sprememba spremeni v vodo in nato še naprej se segreva, dokler ne zavre, kjer se ponovno spremeni faza, da postane para, graf temperature vs. toplota bo videti tako:
Medtem ko je led pod lediščem, obstaja linearna povezava med toplotno energijo in temperaturo. To ni presenetljivo, kot bi moralo biti, glede na enačbo Q = mcΔT. Ko led doseže temperaturo ledišča, pa je treba za dodajanje toplotne energije spremeniti fazo. Temperatura ostaja stalna, čeprav se še vedno dodaja toplota. Enačba, ki povezuje toplotno energijo z maso med fazno spremembo iz trdne v tekočo, je naslednja:
Q = ml_f
kjeLfje latentna toplota fuzije - konstanta, ki pove, koliko energije je na enoto mase potrebno, da povzroči spremembo trdne snovi v tekočo.
Torej, dokler količina toplote ni enakamlfdodana, temperatura ostane konstantna.
Ko se ves led stopi, temperatura spet linearno narašča, dokler ne doseže vrelišča. Tu se spet zgodi fazna sprememba, tokrat iz tekočine v plin. Enačba, ki se nanaša na toploto in maso med to fazno spremembo, je zelo podobna:
kjeLvje latentna toplota uparjanja - konstanta, ki pove, koliko energije je na enoto mase potrebno, da povzroči spremembo tekočine v plin. Tako temperatura spet ostane konstantna, dokler ne dodamo dovolj toplotne energije. Upoštevajte, da ta čas ostane dalj časa nespremenjen. To je zatoLvje običajno višja odLfza snov.
Zadnji del grafa spet prikazuje enako linearno razmerje kot prej.