Du vet av erfarenhet att när värdet på en termometer indikerar temperatur ökar, omgivningsförhållandena blir varmare. När detta värde sjunker blir omgivningsförhållandena svalare. Du är sannolikt också medveten om att det finns flera vanliga temperaturskalor som används för att kvantifiera detta fenomen exakt.
Om temperaturförändringar på något sätt indikerar en förstärkning eller förlust av värme i närheten, finns det något sätt att fånga korrelationen? Det vill säga, kan en given temperaturförändring (säg i grader Celsius eller ° C) korreleras med en given förstärkning eller förlust av värme - förutsatt att "värme" till och med är en sak som kan mätas exakt i fysiken?
Det är faktiskt möjligt att korrelera temperaturförändringar med värmeökningar eller värmeförluster, i hjälpsamma värmeenheter som kilojoules (kJ) - så länge du bokstavligen vet vad du har att göra med.
Temperatur och dess skalor
Temperatur är en kvantitet som mäts av en enhet som kallas termometer. Det härrör matematiskt från den genomsnittliga kinetiska energin hos partiklar (atomer och molekyler) i ett system, såsom en sluten behållare eller ett rum.
Kinetisk energi är rörelseenergi. När små partiklar glider genom luften kolliderar de med varandra och kollisionerna släpper ut värme. Ju snabbare medelhastigheten för partiklarna i systemet är, desto mer kolliderar de och desto mer värme frigörs och höjer den uppmätta temperaturen.
SI-temperaturenheten är Kelvin (K). Detta är inte en grad och har därför ingen tillhörande symbol, till skillnad från fallet med grader Celsius och Fahrenheit. K och ° C har dock samma storlek i den meningen att en ökning med 1 K och en ökning med 1 ° C representerar samma fysiska förändring. Men skalorna är förskjutna så att ° C = -273,15 K, och det minsta teoretiska värdet på K är 0.
Dessutom (9/5) ° C + 32 = ° F.
Energi, värme och deras enheter
Du är utan tvekan bekant med termen kalori som ett av de många sätten att mäta vad maten du äter levererar till ditt systems cellulära maskiner. Vissa källor hävdar att kalorin har enheter av energi; andra säger att det tar värmeenheter. Faktum är att båda påståendena är sanna, eftersom värme är en av olika undertyper av den "officiella" - om det är ganska svårfångad att fastställa - kvantitet i fysik som kallas energi.
Medan kalorin (cal) är grunden för de flesta offentliga samtal i USA om energin som mat tillhandahåller, är detta inte den enhet som används i fysikböcker och tidskrifter. Standard internationell (SI) enhet för energi, och därmed av värme, är joule (J).
1 kalori = 4,18 J, men den "kalori" som du ser på livsmedelsetiketter är faktiskt en kilokalori (kcal) eller 1000 riktiga kalorier. Således är 1 "kalori" per näringsmärkning egentligen 4,180 joule, eller 4,18 kJ.
Hur är värme och temperatur relaterade?
Du har sett hur temperaturen relaterar till värme. Men hur bestämdes i första hand storleken på "en grad"? Människor måste ha ett sätt att markera fläckarna på temperaturskalan mellan "frysta" och "kokta bort" och tilldela siffror till dessa intervall.
När det händer, om du lägger till en viss mängd värme (F) i joule till ett system eller ta bort värme från det systemet kan du bestämma hur mycket systemets temperatur kommer att förändras (∆T) i Celsius så länge du känner till systemets massa (ofta ett vattenprov) m i gram och dess specifik värme c, som varierar från ämne till ämne:
Q = mc (∆T)
För vatten, c = 1 cal / (g) (° C) = 4,166 J / (g) (° C).
Exempel: Om du har ett 1-liters vattenprov, som har en massa på 1000 g, hur mycket energi i kJ behövs för att värma provet med 1 ° C?
Q = mc (∆T) = (1000 g) (4,166 J / g ° C) (1 ° C) = 4,186 = 4,166 kJ.
Kom ihåg att detta är mängden energi i en enda "kalori" mat. Det här är konstigt när man tänker på att, säg, 1 liter sötad läsk har cirka 400 gånger så mycket, men kroppen hanterar "kalorier" mycket annorlunda än en enkel burk vatten.