Хеат вс Температуре: Које су сличности и разлике? (са графиконом)

Људи се понекад користе терминиматоплотаитемпературанаизменично. Повезују топлоту са речјуврућеи температуру схватити као повезану са „врућином“ или „хладноћом“ нечега. Можда ће рећи да се температура у пролећном дану осећа баш како треба, јер је то тачна количина топлоте.

Међутим, у физици се ове две величине међусобно прилично разликују. Они нису мере исте ствари и немају исте јединице, иако обоје могу да вам објасне ваше разумевање топлотних својстава.

Да бисмо топлоту и температуру разумели на основном нивоу, прво је важно разумети концепт унутрашње енергије. Иако су вам можда познати објекти који имају кинетичку енергију услед њиховог кретања или потенцијалну енергију услед у свом положају, унутар датог објекта, сами молекули такође могу имати облик кинетике и потенцијала енергије.

Ова молекуларна кинетичка и потенцијална енергија одвојена је од онога што можете видети када погледате, рецимо, циглу. Цигла која седи на земљи изгледа да је непомична и могли бисте претпоставити да са њом није повезана никаква кинетичка или потенцијална енергија. И заиста, то није у смислу вашег разумевања основне механике.

Али сама цигла је састављена од многих молекула који појединачно трпе различите врсте малих покрета које не можете да видите. Молекули такође могу искусити потенцијалну енергију због близине других молекула и сила које делују између њих. Укупна унутрашња енергија ове цигле је збир кинетичке и потенцијалне енергије самих молекула.

Као што сте вероватно научили, енергија се чува. У случају да на предмет не делују силе трења или расипања, чува се и механичка енергија. Односно, кинетичка енергија се може претворити у потенцијалну енергију и обрнуто, али укупна количина остаје константна. Међутим, када делује сила попут трења, приметићете да се укупна механичка енергија смањује. То је зато што је енергија попримила друге облике попут звучне енергије или топлотне енергије.

Када трљате руке хладног дана, механичку енергију претварате у топлотну. То јест, кинетичка енергија ваших руку које се крећу једна против друге променила је облик и постала кинетичка енергија молекула у вашим рукама у односу једна на другу. Просек ове кинетичке енергије у молекулима у вашим рукама је оно што научници дефинишу као температуру.

Температура је мера просечне кинетичке енергије по молекулу у супстанци. Имајте на уму да то није исто што и унутрашња енергија супстанце јер не укључује потенцијалну енергију и такође није мера укупне енергије у супстанци. Уместо тога, то је укупна кинетичка енергија подељена бројем молекула. Као такав, не зависи од тога колико нечега имате (попут укупне унутрашње енергије), већ од тога колико кинетичке енергије просечан молекул у супстанци носи око себе.

Температура се може мерити у више различитих јединица. Међу њима су Фахренхеит, који је најчешћи у САД-у и на неколико других места. На Фахренхеитовој скали, вода се смрзава на 32 степена, а кључа на 212. Још једна уобичајена скала је Целзијусова скала, која се користи на многим другим местима у свету. На овој скали, вода се смрзава на 0 степени, а кључа на 100 степени (што даје прилично јасну представу о томе како је ова скала замишљена).

Али научни стандард је Келвинова скала. Док је величина прираста на Келвиновој скали једнака Целзијусовом степену, Келвинова скала започиње на температури која се назива апсолутна нула, и ту престају сва молекуларна кретања. Другим речима, почиње на најхладнијој могућој температури.

Нула степени Целзијуса је 273,15 на Келвиновој скали. Келвинова скала је научни стандард са добрим разлогом. Претпоставимо да је нешто на 0 степени Целзијуса. Шта би значило рећи да је други објекат двоструко већи од температуре? Да ли би та ставка такође била 0 Целзијуса? Па на Келвиновој скали, овај појам не ствара проблеме, и управо зато што почиње на апсолутној нули.

Размотрите две супстанце или предмете на различитим температурама. Шта ово значи? То значи да су у просеку молекули једне од супстанци (оне са вишом температуром) крећући се са већом просечном кинетичком енергијом од молекула на нижим температурама супстанца.

Ако те две супстанце дођу у контакт, није изненађујуће, енергија почиње да се просечно одређује између супстанци како се дешавају микроскопски судари. Супстанца која је у почетку била на вишој температури хладиће се док друга супстанца расте на температури док обе не буду исте температуре. Научници ово називају коначним стањемтоплотна равнотежа​.

Топлотна енергија која се преноси са топлијег на хладнији објекат оно што научници називају топлотом. Топлота је облик енергије која се преноси између два материјала који су на различитим температурама. Топлота увек тече од материјала са вишом температуром до материјала са нижом температуром док се не постигне топлотна равнотежа.

Пошто је топлота облик енергије, СИ јединица топлоте је џул.

Као што сте видели по претходним дефиницијама, топлота и температура су заиста две различите физичке мере. Ово су само неке од њихових разлика:

​Мере се у различитим јединицама.СИ јединица за температуру је Келвин, а СИ јединица за топлоту је џул. Келвин се сматра основном јединицом, што значи да се не може раставити на комбинацију других основних јединица. Џул је еквивалентан кгм²/ с².

​Они се разликују у зависности од броја молекула.Температура је мера просечне кинетичке енергије по молекулу, што значи да није важно колико супстанце имате када говорите о температури. Количина топлотне енергије која се може пренети између супстанци, у великој мери зависи од тога колико сваке супстанце имате.

​То су различите врсте променљивих.Температура је позната као променљива стања. Односно, дефинише стање у којем се налази супстанца или предмет. С друге стране, топлота је процесна променљива. Описује процес који се дешава - у овом случају, енергија која се преноси. Нема смисла говорити о топлоти када је све у равнотежи.

​Они се различито мере.Температура се мери термометром, који је обично уређај који користи термичко ширење за промену очитавања на скали. С друге стране, топлота се мери калориметром.

Међутим, топлота и температура нису потпуно неповезани:

​Обоје су важне величине у термодинамици.Проучавање топлотне енергије ослања се на способност мерења температуре као и на способност праћења преноса топлоте.

​Пренос топлоте условљен је температурним разликама.Када су два објекта на различитим температурама, топлотна енергија ће се пренети са топлијег на хладније све док се не постигне топлотна равнотежа. Као такве, ове температурне разлике су покретач преноса топлоте.

​Склони су повећању и смањењу.Ако се систему дода топлота, температура расте. Ако се топлота уклања из система, температура опада. (Један изузетак од овога јавља се код фазних прелаза, у ком случају се топлотна енергија користи за фазни прелаз уместо промене температуре.)

​Међусобно су повезани једначином.Топлотна енергијаКвезан је за промену температуреΔТпреко једначине К = мцΔТ гдемје маса супстанце ицје његов специфични топлотни капацитет (односно мера количине топлотне енергије потребне за подизање јединице масе за степен Келвина за одређену супстанцу.)

Унутрашња енергија је укупна унутрашња кинетичка и потенцијална енергија, односно топлотна енергија у материјалу. За идеалан гас, у коме је потенцијална енергија између молекула занемарљива, унутрашња енергијаЕ.дат је формулом Е = 3 / 2нРТ гденје број молова гаса и универзална гасна константаР.= 8,3145 Ј / молК.

Однос између унутрашње енергије и температуре показује да, што није изненађујуће, како се температура повећава, топлотна енергија се повећава. Унутрашња енергија такође постаје 0 на апсолутних 0 Келвина.

Топлота долази на слику када почнете да гледате промене у унутрашњој енергији. Први закон термодинамике даје следећи однос:

гдеКје топлота додата у систем иВје посао који систем обавља. У суштини, ово је изјава о очувању енергије. Када додате топлотну енергију, унутрашња се повећава. Ако систем делује на околину, унутрашња енергија се смањује.

Као што је претходно поменуто, топлотна енергија додата у систем обично резултира одговарајућим порастом температуре уколико систем не пролази кроз фазну промену. Да бисте ово боље погледали, размотрите блок леда који започиње испод леда јер се топлотна енергија додаје константном брзином.

Ако се топлотна енергија континуирано додаје док се ледени блок загрева до смрзавања, подвргава се фази променама и постаје вода наставља да се загрева док не достигне кључање, где се подвргава још једној фази промене да би постала пара, графикон температуре вс. топлота ће изгледати овако:

Док је лед испод леда, постоји линеарни однос између топлотне енергије и температуре. То није изненађујуће како би требало да буде, с обзиром на једначину К = мцΔТ. Једном када лед достигне температуру смрзавања, сва додата топлотна енергија мора се користити да би му се помогло да промени фазу. Температура остаје константна иако се топлота још увек додаје. Једначина која повезује топлотну енергију са масом током фазне промене са чврсте на течну је следећа:

гдеЛ_фје латентна топлота фузије - константа која односи колико енергије је потребно по јединици масе да проузрокује промену са чврстог на течно.

Дакле, док количина топлоте не буде једнакамл_фје додата, температура остаје константна.

Једном када се сав лед отопи, температура поново расте линеарно док не достигне тачку кључања. Овде се поново дешава промена фазе, овог пута са течности на гас. Једначина која односи топлоту на масу током ове фазне промене је врло слична:

гдеЛ_вје латентна топлота испаравања - константа која односи колико енергије је потребно по јединици масе да проузрокује промену течности у гас. Тако температура поново остаје константна док се не дода довољно топлотне енергије. Имајте на уму да ово време остаје константно дуже. То је зато штоЛ_вје обично већи одЛ_фза супстанцу.

Последњи део графикона поново показује исти линеарни однос као и раније.