Вероватно сте упознати са термометрима и мерите температуре, осећате се топло и хладно и шта је потребно за кључање воде. Сада је време да проширите своје интуитивно разумевање топлоте и температуре и научите како то раде физичари.
У овом уводу у термичку физику научићете шта су топлота и температура као и на које појаве се односи ова грана физике.
Проучавање топлоте и температуре
Термална физика је проучавање топлота и температура. Топлота се дефинише као енергија која се преноси између два објекта различитих температура - прелазећи са топлијег на хладнији објекат.
Топлота је врста топлотне енергије. Термичка енергија је енергија повезана са молекуларним кретањем унутар објекта. Унутар било ког предмета, молекули не стоје мирно; иако не можете видљиво да видите покрет, сви се врте око себе и поскакују једни у друге.
Температура је мера просечне кинетичке енергије по молекулу. Можда вам је познато да га мерите у степени Фахренхеита или чак Целзијуса, али СИ јединица коју научници преферирају је Келвин.
Укупна унутрашња енергија који предмет има зависи од његове масе, температуре и специфични топлотни капацитет. Специфични топлотни капацитет је мера колико је топлотне енергије потребно за подизање температуре јединице масе за 1 степен. Различити материјали имају различите специфичне топлотне капацитете, а топлотни капацитет било ког одређеног материјала обично се може потражити у табели.
Пренос топлоте
Топлота се може пренијети са једног предмета на други на три основна начина. Су:
- Кондукција
- Конвекција
- Зрачење
У проводљивости, два објекта су у физичком контакту, а топлотна енергија се из топлијег објекта креће у хладнији објекат директним сударима између молекула у објектима.
У конвекцији се топлота преноси конвекционим струјама. То се дешава када воду прокувате на шпорету. Вода на дну посуде се прво загреје, а како се загреје, шири се и постаје мање густа. Будући да је мање густ, подиже се на врх посуде како хладнија вода тоне, а затим се загрева.
У зрачењу се топлотна енергија преноси електромагнетним зрачењем. Тако добијате енергију од сунца. Та енергија путује кроз вакуум свемира као зрачење, које затим загрева Земљу кад стигне до нас.
Фазне промене
Како се материјалима додаје топлотна енергија, они повећавају температуру. У одређеним тачкама, тзв фазни прелази, фаза промене материјала. Материјали се могу мењати из чврстог у течни и из течног у гас, па чак и из гаса у плазму.
Температуре на којима долази до промене фазе зависе од самог материјала и услова притиска. Ово се проучава помоћу фазног дијаграма.
Количина енергије потребна за промену фазе материјала зависи од латентне топлоте тог материјала. Латентна топлота топљења материјала је количина топлотне енергије потребна за промену јединичне масе те супстанце из чврсте у течну. Латентна топлота испаравања материјала је количина топлотне енергије потребна да се из течности претвори у гас.
Термодинамика
Термална физика на крају доводи до проучавања термодинамике, што је грана физике која проучава променљиве топлотне системе користећи кинетичку теорију и статистичку механику.
Постоје три закона термодинамике која управљају термодинамичким процесима. Они се називају, једноставно, први закон термодинамике, други закон термодинамике и трећи закон термодинамике. Када први пут упознате ове законе, обично ћете научити како се они примењују на идеалан гас и искористити закон о идеалном гасу.
Термодинамика вам може помоћи да разумете како раде парне машине, фрижидери, топлотне пумпе и други слични предмети.