Топлина (физика): дефиниција, формула и примери

Сви су упознати са концептом да је превруће или прехладно или да осећате топлоту од сунца у топлом дану, али шта конкретно значи реч „топлота“? Да ли је то својство нечега „врућег“? Да ли је то иста ствар као и температура? Испоставља се да је топлота мерљива величина коју су физичари тачно дефинисали.

Топлота је оно што научници називају обликом енергије која се преноси између два материјала различите температуре. До овог преноса енергије долази због разлика у просечној транслационој кинетичкој енергији по молекулу у два материјала. Топлота тече од материјала са вишом температуром до материјала са нижом температуром док се не постигне топлотна равнотежа. СИ јединица топлоте је џул, где је 1 џул = 1 њутон × метар.

Да бисте боље разумели шта се дешава када дође до овог преноса енергије, замислите следећи сценарио: Два различита контејнера напуњена су ситним гуменим куглицама које се поскакују около. У једном од контејнера просечна брзина куглица (а самим тим и њихова просечна кинетичка енергија) је много већа од просечне брзине куглица у другом контејнер (мада брзина било које појединачне кугле може бити било која у било ком тренутку, јер толико судара узрокује непрекидни пренос енергије између куглице.)

Ако ове посуде поставите тако да им се странице додирују, а затим уклоните зидове који одвајају њихов садржај, шта бисте очекивали?

Куглице из првог контејнера започињу интеракцију са куглицама из другог контејнера. Како се јавља све више судара између куглица, постепено просечне брзине куглица из оба контејнера постају исте. Део енергије из куглица из првог контејнера се преноси на куглице у другом контејнеру док се не постигне нова равнотежа.

То се у основи дешава на микроскопском нивоу када два предмета различите температуре дођу у контакт једни с другима. Енергија из предмета на вишој температури преноси се у облику топлоте на објекат ниже температуре.

Температура је мера просечне транслационе кинетичке енергије по молекулу у супстанци. У аналогији куглице у контејнеру, то је мера просечне кинетичке енергије по лопти у датом контејнеру. На молекуларном нивоу, атоми и молекули сви вибрирају и врте се око себе. Не можете да видите овај покрет, јер се дешава у тако малом обиму.

Уобичајене температурне скале су Фахренхеит, Целзијус и Келвин, а Келвин је научни стандард. Фаренхајтова скала је најчешћа у Сједињеним Државама. На овој скали, вода се смрзава на 32 степена, а кључа на 212 степени. На Целзијусовој скали, која је честа у већини других места на свету, вода се смрзава на 0 степени, а кључа на 100 степени.

Научни стандард је, међутим, Келвинова скала. Иако је величина прираштаја на Келвиновој скали једнака величини степена на Целзијусовој скали, његова вредност 0 подешава се на другом месту. 0 Келвина је једнако -273,15 степени Целзијуса.

Зашто тако чудан избор за 0? Испоставило се да је ово много мање чудан избор од нулте вредности Целзијусове скале. 0 Келвина је температура на којој се зауставља свако молекуларно кретање. То је апсолутно најхладнија температура теоретски могућа.

У овом светлу, Келвинова скала има много више смисла од Целзијусове скале. Размислите о томе како се мери раздаљина, на пример. Било би чудно створити скалу удаљености где је вредност 0 била еквивалентна ознаци од 1 м. У таквој скали, шта би значило да нешто буде двоструко дуже од нечега другог?

Укупна унутрашња енергија супстанце је укупна кинетичка енергија свих њених молекула. Зависи од температуре супстанце (просечне кинетичке енергије по молекулу) и укупне количине супстанце (броја молекула).

Могуће је да два објекта имају исту укупну унутрашњу енергију док имају потпуно различите температуре. На пример, хладнији објекат имаће нижу просечну кинетичку енергију по молекулу, али ако број молекула је велика, онда још увек може завршити са истом укупном унутрашњом енергијом топлијег објекта са мање молекула.

Изненађујући резултат овог односа између укупне унутрашње енергије и температуре је чињеница да је велика блок леда може завршити са више енергије од осветљене главе шибице, иако је глава шибице толико врућа да је укључена ватра!

Постоје три главне методе помоћу којих се топлотна енергија преноси са једног објекта на други. Они су проводљивост, конвекција и зрачење.

​Кондукцијајавља се када се енергија преноси директно између два материјала у међусобном топлотном контакту. Ово је врста преноса која се јавља у аналогији са гуменом куглицом која је описана раније у овом чланку. Када су два објекта у директном контакту, енергија се преноси сударима између њихових молекула. Ова енергија полако пролази од додирне тачке до остатка првобитно хладнијег објекта док се не постигне топлотна равнотежа.

Међутим, сви предмети или супстанце не спроводе енергију на једнак начин. Неки материјали, који се називају добрим топлотним проводницима, могу преносити топлотну енергију лакше од других материјала, који се називају добрим топлотним изолаторима.

Вероватно сте у свом свакодневном животу имали искуства са таквим проводницима и изолаторима. У хладном зимском јутру, како се босоного корачање по поду плочица упоређује са босоного корачањем по тепиху? Вероватно се чини да је тепих некако топлији, али то није случај. Оба пода имају вероватно исту температуру, али плочица је много бољи топлотни проводник. Због тога узрокује да топлотна енергија много брже напушта ваше тело.

​Конвекцијаје облик преноса топлоте који се јавља у гасовима или течностима. Гасови, а у мањој мери и течности, доживљавају промене у својој густини са температуром. Обично су топлији, мање густи. Због овога и зато што се молекули у гасовима и течностима могу слободно кретати, ако се доњи део загреје, он ће се проширити и, према томе, подићи на врх због своје мање густине.

Ако на пример ставите посуду са водом на шпорет, вода на дну посуде се загрева, шири и подиже на врх док хладнија вода тоне. Хладнија вода се затим загрева, шири и подиже и тако даље, стварајући конвекционе струје због којих се топлотна енергија шири кроз систем мешањем. молекула у систему (за разлику од молекула који остају отприлике на истом месту док се крећу напред-назад, одбијајући се у сваки друго.)

Конвекција је разлог зашто грејачи најбоље раде за загревање куће ако су постављени близу пода. Грејач постављен близу плафона загревао би ваздух близу плафона, али тај ваздух би остао на месту.

Трећи облик преноса топлоте језрачење. Зрачење је пренос енергије путем електромагнетних таласа. Објекти који су топли могу давати енергију у облику електромагнетног зрачења. Тако на пример топлотна енергија сунца стиже до Земље. Једном када то зрачење дође у контакт са другим објектом, атоми у том објекту могу да добију енергију упијајући га.

Два различита материјала исте масе претрпеће различите температурне промене упркос томе што им је додата иста укупна енергија због разлика у тзвспецифични топлотни капацитет. Специфични топлотни капацитет зависи од материјала о коме је реч. Вредност специфичног топлотног капацитета материјала обично ћете потражити у табели.

Формалније, специфични топлотни капацитет се дефинише као количина топлотне енергије која се мора додати по јединици масе да би се температура повисила за степен Целзијуса. СИ јединице за специфични топлотни капацитет, обично означене сац, су Ј / кгК.

Размислите о овоме овако: Претпоставимо да имате две различите супстанце које су потпуно једнаке и имају потпуно исту температуру. Прва супстанца има висок специфични топлотни капацитет, а друга супстанца има мали специфични топлотни капацитет. Сада претпоставимо да обома додате потпуно једнаку количину топлотне енергије. Прва супстанца - она ​​са већим топлотним капацитетом - неће толико порасти на температури као друга супстанца.

Много је фактора који утичу на то како ће се температура неке супстанце променити када јој се пренесе одређена количина топлотне енергије. Ови фактори укључују масу материјала (мања маса ће претрпети већу температурну промену за дату количину додане топлоте) и специфични топлотни капацитетц​.

Ако постоји извор топлоте који напаја струјуП., тада укупна додата топлота зависи одП.и времет. Односно топлотна енергијаКизједначиће сеП.​ × ​т​.

Брзина промене температуре је још један занимљив фактор који треба узети у обзир. Да ли објекти стално мењају температуру? Испоставља се да брзина промене зависи од температурне разлике између предмета и његове околине. Њутнов закон хлађења описује ову промену. Што је објект ближи температури у окружењу, то се спорије приближава равнотежи.

Формула која повезује промену температуре са масом предмета, специфичним топлотним капацитетом и доданом или уклоњеном топлотном енергијом је следећа:

Ова формула се примењује само ако супстанца не пролази кроз фазну промену. Када се супстанца мења из чврсте у течну или из течности у гас, додаје се топлота која јој се додаје да се користи узроковање ове фазне промене и неће резултирати променом температуре све док фазна промена не буде комплетан.

Означена је величина која се назива латентна топлота фузијеЛ_ф, описује колико је топлотне енергије по јединици масе потребно за промену супстанце из чврсте у течну. Као и код специфичног топлотног капацитета, његова вредност зависи од физичких својстава предметног материјала и често се тражи у табелама. Једначина која се односи на топлотну енергијуКна масу материјалама латентна топлота фузије је:

Иста ствар се дешава приликом промене течности у гас. У таквој ситуацији означена је величина која се назива латентна топлота испаравањаЛ_в, описује колико енергије по јединици масе треба додати да би дошло до промене фазе. Добијена једначина је идентична, осим за индекс:

Унутрашња енергијаЕ.је укупна унутрашња кинетичка енергија или топлотна енергија у материјалу. Под претпоставком идеалног гаса где је било која потенцијална енергија између молекула занемарљива, даје се формулом:

гденје број кртица,Т.је температура у Келвинима и универзална гасна константаР.= 8,3145 Ј / молК. Унутрашња енергија постаје 0 Ј у апсолутних 0 К.

У термодинамици су односи између промена унутрашње енергије, преноса топлоте и рада на систему или од стране система повезани преко:

Овај однос познат је као први закон термодинамике. У суштини то је изјава о очувању енергије.