Värme (fysik): Definition, formel och exempel

Alla känner till begreppet att vara för varmt eller för kallt eller känna värme från solen på en varm dag, men vad betyder ordet "värme" specifikt? Är det en egenskap hos något "hett?" Är det samma sak som temperatur? Det visar sig att värme är en mätbar kvantitet som fysiker har definierat exakt.

Värme är vad forskare kallar den energiform som överförs mellan två material med olika temperatur. Denna överföring av energi sker på grund av skillnader i den genomsnittliga translationella kinetiska energin per molekyl i de två materialen. Värme flyter från materialet med högre temperatur till materialet med lägre temperatur tills termisk jämvikt uppnås. SI-enheten för värme är joule, där 1 joule = 1 newton × meter.

För att bättre förstå vad som händer när denna energiöverföring sker, föreställ dig följande scenario: Två olika behållare är fyllda med små gummikulor som studsar runt. I en av behållarna är bollarnas medelhastighet (och därmed deras genomsnittliga kinetiska energi) mycket större än bollarnas genomsnittliga hastighet under den andra behållare (även om hastigheten på varje enskild boll kan vara vad som helst när som helst eftersom så många kollisioner orsakar en kontinuerlig överföring av energi mellan bollar.)

Om du placerar dessa behållare så att sidorna berörs och sedan tar bort väggarna som skiljer deras innehåll, vad förväntar du dig att hända?

Bollarna från den första behållaren börjar interagera med bollarna från den andra behållaren. När fler och fler kollisioner uppträder mellan kulorna blir gradvis medelhastigheterna för kulorna från båda behållarna desamma. En del av energin från kulorna från den första behållaren överförs till kulorna i den andra behållaren tills denna nya jämvikt uppnås.

Detta är i huvudsak vad som händer på en mikroskopisk nivå när två objekt med olika temperatur kommer i kontakt med varandra. Energi från objektet vid högre temperatur överförs i form av värme till objektet med lägre temperatur.

Temperatur är ett mått på genomsnittlig translationell kinetisk energi per molekyl i ett ämne. I boll-i-behållar-analogin är det ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin per boll i en given behållare. På molekylär nivå vibrerar alla atomer och molekyler. Du kan inte se den här rörelsen eftersom den händer i så liten skala.

Vanliga temperaturskalor är Fahrenheit, Celsius och Kelvin, med Kelvin som den vetenskapliga standarden. Fahrenheit-skalan är vanligast i USA. På denna skala fryser vatten vid 32 grader och kokar vid 212 grader. På Celsius-skalan, som är vanlig på de flesta andra platser i världen, fryser vattnet vid 0 grader och kokar vid 100 grader.

Den vetenskapliga standarden är dock Kelvin-skalan. Medan storleken på ett steg på Kelvin-skalan är densamma som storleken på en grad på Celsius-skalan, ställs dess 0-värde på en annan plats. 0 Kelvin är lika med -273,15 grader Celsius.

Varför ett så udda val för 0? Det visar sig att detta är mycket mindre av ett udda val än Celsius-skalans nollvärde. 0 Kelvin är den temperatur vid vilken all molekylär rörelse slutar. Det är den absolut kallaste temperaturen teoretiskt möjligt.

Mot denna bakgrund är Kelvin-skalan mycket mer meningsfull än Celsius-skalan. Tänk till exempel på hur avståndet mäts. Det skulle vara konstigt att skapa en avståndsskala där 0-värdet motsvarade 1 m-märket. I en sådan skala, vad skulle det betyda för något att vara dubbelt så långt som något annat?

Den totala inre energin för ett ämne är den totala kinetiska energin för alla dess molekyler. Det beror på ämnets temperatur (den genomsnittliga kinetiska energin per molekyl) och ämnets totala mängd (antalet molekyler).

Det är möjligt för två objekt att ha samma totala inre energi samtidigt som de har helt olika temperaturer. Till exempel kommer ett kallare objekt att ha en lägre kinetisk energi per molekyl, men om antalet molekyler är stora, då kan det fortfarande sluta med samma totala inre energi hos ett varmare föremål med färre molekyler.

Ett överraskande resultat av detta förhållande mellan total intern energi och temperatur är det faktum att en stor isblock kan sluta med mer energi än ett tändtändstickshuvud, även om tändstickshuvudet är så varmt att det är på brand!

Det finns tre huvudmetoder genom vilka värmeenergi överförs från ett objekt till ett annat. De är ledning, konvektion och strålning.

​Ledninguppstår när energi överförs direkt mellan två material i termisk kontakt med varandra. Detta är den typ av överföring som sker i gummikula-analogin som beskrivs tidigare i den här artikeln. När två objekt är i direktkontakt överförs energi via kollisioner mellan deras molekyler. Denna energi går långsamt från kontaktpunkten till resten av det ursprungligen kallare föremålet tills termisk jämvikt uppnås.

Inte alla föremål eller ämnen leder dock energi lika bra. Vissa material, kallade bra värmeledare, kan överföra värmeenergi lättare än andra material, kallade bra värmeisolatorer.

Du har sannolikt haft erfarenhet av sådana ledare och isolatorer i ditt dagliga liv. På en kall vintermorgon, hur går det att gå barfota på kakelgolvet med att gå barfota på mattan? Det verkar antagligen som att mattan är något varmare, men så är inte fallet. Båda våningarna har sannolikt samma temperatur, men plattan är en mycket bättre värmeledare. På grund av detta orsakar det att värmeenergin lämnar kroppen mycket snabbare.

​Konvektionär en form av värmeöverföring som sker i gaser eller vätskor. Gaser och i mindre utsträckning vätskor upplever förändringar i densitet med temperatur. Vanligtvis är de varmare, desto mindre täta är de. På grund av detta och på grund av att molekylerna i gaser och vätskor är fria att röra sig, om bottenpartiet blir varmt, kommer det att expandera och därmed stiga till toppen på grund av dess lägre densitet.

Om du till exempel placerar en vattenpanna på kaminen värms vattnet på botten av pannan upp, expanderar och stiger till toppen när det kallare vattnet sjunker. Det kallare vattnet värms upp, expanderar och stiger och så vidare, vilket skapar konvektionsströmmar som får värmeenergin att spridas genom systemet genom blandning av molekylerna i systemet (i motsats till att molekylerna alla stannar på ungefär samma plats som de jigglar fram och tillbaka och studsar in i varje Övrig.)

Konvektion är därför värmare fungerar bäst för att värma ett hus om de placeras nära golvet. En värmare placerad nära taket skulle värma luften nära taket, men den luften skulle stanna kvar.

Den tredje formen av värmeöverföring ärstrålning. Strålning är överföring av energi via elektromagnetiska vågor. Föremål som är varma kan avge energi i form av elektromagnetisk strålning. Så här når exempelvis värmeenergi från solen. När strålningen väl kommer i kontakt med ett annat objekt kan atomerna i det objektet få energi genom att absorbera det.

Två olika material av samma massa kommer att genomgå olika temperaturförändringar trots att de har tillsatt samma totala energi på grund av skillnader i en kvantitet som kallasspecifik värmekapacitet. Specifik värmekapacitet beror på materialet i fråga. Du ser vanligtvis upp värdet på ett materials specifika värmekapacitet i en tabell.

Mer formellt definieras specifik värmekapacitet som mängden värmeenergi som måste adderas per massenhet för att höja temperaturen med en grad Celsius. SI-enheterna för specifik värmekapacitet, vanligtvis betecknad medc, är J / kgK.

Tänk på det så här: Antag att du har två olika ämnen som väger exakt samma och har exakt samma temperatur. Det första ämnet har hög specifik värmekapacitet och det andra ämnet har låg specifik värmekapacitet. Antag nu att du lägger till exakt samma mängd värmeenergi till dem båda. Den första substansen - den med högre värmekapacitet - kommer inte att öka så mycket i temperatur som den andra substansen.

Det finns många faktorer som påverkar hur ämnets temperatur förändras när en viss mängd värmeenergi överförs till den. Dessa faktorer inkluderar materialets massa (en mindre massa kommer att genomgå en större temperaturförändring för en viss mängd tillsatt värme) och den specifika värmekapacitetenc​.

Om det finns en värmekälla som levererar strömP, beror då den totala tillsatta värmen påPoch tidt. Det vill säga värmeenerginFkommer att vara likaP​ × ​t​.

Temperaturförändringshastigheten är en annan intressant faktor att tänka på. Ändrar föremål temperaturen med konstant hastighet? Det visar sig att förändringshastigheten beror på temperaturskillnaden mellan objektet och dess omgivning. Newtons lag för kylning beskriver denna förändring. Ju närmare ett objekt är den omgivande temperaturen, desto långsammare närmar det sig jämvikten.

Formeln som relaterar temperaturförändringen till ett objekts massa, specifik värmekapacitet och värmeenergi som tillsätts eller avlägsnas är följande:

Denna formel gäller endast om ämnet inte genomgår en fasförändring. När ett ämne byter från fast till vätska eller byter från vätska till gas läggs värmen som läggs till den att använda som orsakar denna fasändring och kommer inte att resultera i en temperaturförändring förrän fasändringen är komplett.

En mängd som kallas den latenta fusionsvärmen, betecknadL_f, beskriver hur mycket värmeenergi per massenhet som krävs för att ändra ett ämne från ett fast ämne till en vätska. Precis som med specifik värmekapacitet beror dess värde på de fysiska egenskaperna hos det aktuella materialet och slås ofta upp i tabeller. Ekvationen som relaterar värmeenergiFtill massan av ett materialmoch den latenta fusionsvärmen är:

Samma sak inträffar när man byter från vätska till gas. I en sådan situation betecknas en mängd som kallas den latenta förångningsvärmenL_v, beskriver hur mycket energi per massenhet som måste läggas till för att orsaka fasförändringen. Den resulterande ekvationen är identisk med undantag för prenumeration:

Inre energiEär den totala inre kinetiska energin, eller termisk energi, i ett material. Om vi ​​antar en idealgas där potentiell energi mellan molekyler är försumbar, ges den med formeln:

varnär antalet mol,Tär temperaturen i Kelvin och den universella gaskonstantenR= 8,3145 J / molK. Den inre energin blir 0 J vid absolut 0 K.

I termodynamik är förhållandet mellan förändringar i intern energi, överförd värme och arbete utfört på eller av ett system relaterat till:

Detta förhållande är känt som termodynamikens första lag. I grund och botten är det ett uttalande om bevarande av energi.