Människor använder ibland termernavärmeochtemperaturutbytbart. De associerar värme med ordetvarmoch förstå temperaturen som också är relaterad till "hethet" eller "kyla" hos något. Kanske kommer de att säga att temperaturen på en vårdag känns helt rätt eftersom det är precis rätt mängd värme.
Inom fysiken skiljer sig dock dessa två kvantiteter helt från varandra. De är inte mått på samma sak, och de har inte samma enheter, även om de båda kan informera din förståelse om termiska egenskaper.
Inre energi
För att förstå värme och temperatur på en grundläggande nivå är det först viktigt att förstå begreppet intern energi. Även om du kanske känner till föremål som har kinetisk energi på grund av deras rörelse eller potentiell energi på grund av deras position, inom ett givet objekt, kan molekylerna själva också ha en form av kinetisk och potential energi.
Denna molekylära kinetiska och potentiella energi är skild från vad du kan se när du tittar på, till exempel, en tegelsten. En tegelsten som sitter på marken verkar vara orörlig, och du kan anta att den inte har någon kinetisk eller potentiell energi associerad med den. Och det gör det faktiskt inte i betydelsen din förståelse av grundläggande mekanik.
Men själva tegelstenen består av många molekyler som individuellt genomgår olika typer av små rörelser som du inte kan se. Molekylerna kan också uppleva potentiell energi på grund av deras närhet till andra molekyler och de krafter som utövas mellan dem. Den totala inre energin i denna tegelsten är summan av de kinetiska och potentiella energierna i själva molekylerna.
Som du förmodligen har lärt dig sparas energi. I händelse av att ingen friktion eller försvinnande krafter verkar på ett objekt bevaras också mekanisk energi. Det vill säga kinetisk energi kan förändras till potentiell energi och vice versa, men summan förblir konstant. När en kraft som friktion verkar kan du dock märka att den totala mekaniska energin minskar. Detta beror på att energin tog andra former som ljudenergi eller termisk energi.
När du gnuggar händerna på en kall dag omvandlar du mekanisk energi till termisk energi. Det vill säga, den kinetiska energin hos dina händer som rör sig mot varandra förändrade form och blev kinetisk energi för molekylerna i dina händer i förhållande till varandra. Medelvärdet av denna kinetiska energi i molekylerna i dina händer är vad forskare definierar som temperatur.
Definition av temperatur
Temperatur är ett mått på genomsnittlig kinetisk energi per molekyl i ett ämne. Observera att det inte är detsamma som substansens inre energi eftersom det inte inkluderar den potentiella energin och inte heller är ett mått på den totala energin i ämnet. Istället är det den totala kinetiska energin dividerat med antalet molekyler. Som sådan beror det inte på hur mycket av något du har (som total intern energi gör) utan snarare på hur mycket kinetisk energi den genomsnittliga molekylen i ämnet bär med sig.
Temperaturen kan mätas i många olika enheter. Bland dessa är Fahrenheit, som är vanligast i USA och några andra platser. På Fahrenheit-skalan fryser vattnet vid 32 grader och kokar vid 212. En annan vanlig skala är Celsius-skalan, som används på många andra platser i världen. På denna skala fryser vatten vid 0 grader och kokar vid 100 grader (vilket ger en ganska tydlig uppfattning om hur denna skala utformades).
Men den vetenskapliga standarden är Kelvin-skalan. Medan storleken på ett steg på Kelvin-skalan är densamma som en Celsius-grad, börjar Kelvin-skalan vid en temperatur som kallas absolut noll, det är där all molekylär rörelse slutar. Med andra ord börjar det vid den kallaste möjliga temperaturen.
Noll grader Celsius är 273,15 på Kelvin-skalan. Kelvin-skalan är den vetenskapliga standarden av goda skäl. Antag att något ligger vid 0 grader Celsius. Vad skulle det betyda att ett andra objekt är dubbelt så hög som temperaturen? Skulle den artikeln också vara 0 Celsius? Tja på Kelvin-skalan orsakar denna uppfattning inga problem, och det är just för att den börjar vid absolut noll.
Definition av Heat
Tänk på två ämnen eller föremål vid olika temperaturer. Vad betyder det här? Detta innebär att i genomsnitt är molekylerna i ett av ämnena (den högre temperaturen) rör sig runt med en större genomsnittlig kinetisk energi än molekylerna i den lägre temperaturen ämne.
Om dessa två ämnen kommer i kontakt, inte överraskande, börjar energin att medelvärde mellan ämnena när mikroskopiska kollisioner inträffar. Ämnet som ursprungligen hade högre temperatur kommer att svalna när det andra ämnet stiger i temperatur tills de båda har samma temperatur. Forskare kallar detta slutligt tillståndtermisk jämvikt.
Den termiska energin som överförs från det varmare föremålet till det kallare föremålet är vad forskare kallar värme. Värme är den form av energi som överförs mellan två material som har olika temperatur. Värme flyter alltid från materialet med högre temperatur till materialet med lägre temperatur tills termisk jämvikt uppnås.
Eftersom värme är en form av energi är SI-enheten värme joule.
Skillnader mellan värme och temperatur
Som du har sett med de tidigare definitionerna är värme och temperatur verkligen två olika fysiska mått. Det här är bara några av deras skillnader:
De mäts i olika enheter.SI-enheten för temperatur är Kelvin, och SI-enheten för värme är joule. Kelvin anses vara en basenhet, vilket betyder att den inte kan delas upp i en kombination av andra grundläggande enheter. Joule motsvarar ett kgm2/ s2.
De skiljer sig åt beroende på antalet molekyler.Temperatur är ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin per molekyl, vilket betyder att det inte spelar någon roll hur mycket av ett ämne du har när du pratar temperatur. Mängden värmeenergi som kan överföras mellan ämnen beror dock mycket på hur mycket av varje ämne du har.
De är olika typer av variabler.Temperatur är känd som en tillståndsvariabel. Det vill säga det definierar tillståndet som ett ämne eller föremål finns i. Värme är å andra sidan en processvariabel. Den beskriver en process som sker - i detta fall energin som överförs. Det är inte meningsfullt att prata om värme när allt är i jämvikt.
De mäts annorlunda.Temperaturen mäts med en termometer, som vanligtvis är en anordning som använder termisk expansion för att ändra avläsningen på en skala. Värme, däremot, mäts med en kalorimeter.
Likheter och förhållanden mellan värme och temperatur.
Värme och temperatur är inte helt orelaterade till varandra, dock:
De är båda viktiga mängder inom termodynamik.Studien av termisk energi är beroende av förmågan att mäta temperatur samt förmågan att hålla reda på värmeöverföringar.
Värmeöverföring drivs av temperaturskillnader.När två objekt har olika temperatur överförs värmeenergin från den varmare till den svalare tills termisk jämvikt uppnås. Som sådana är dessa temperaturskillnader drivkraften för värmeöverföring.
De tenderar att öka och minska tillsammans.Om värme läggs till i systemet, stiger temperaturen. Om värme avlägsnas från ett system sjunker temperaturen. (Ett undantag från detta sker med fasövergångar, i vilket fall värmeenergi används för att orsaka en fasövergång istället för en temperaturförändring.)
De är relaterade till varandra genom en ekvation.VärmeenergiFär relaterad till en temperaturförändringATvia ekvationen Q = mcΔT därmär ämnets massa ochcär dess specifika värmekapacitet (det vill säga ett mått på mängden värmeenergi som krävs för att höja en enhetsmassa med en grad Kelvin för en viss substans.)
Värme, temperatur och total intern energi
Intern energi är den totala inre kinetiska och potentiella energin, eller termisk energi i ett material. För en idealisk gas, där potentiell energi mellan molekyler är försumbar, intern energiEges med formeln E = 3 / 2nRT därnär antalet mol av gasen och den universella gaskonstantenR= 8,3145 J / molK.
Förhållandet mellan intern energi och temperatur visar att, inte överraskande, när temperaturen ökar, ökar termisk energi. Den inre energin blir också 0 vid absolut 0 Kelvin.
Värme kommer in i bilden när du börjar titta på förändringar i intern energi. Den första lagen om termodynamik ger följande förhållande:
\ Delta E = Q - W
varFär värmen som läggs till systemet ochWär det arbete som utförts av systemet. I huvudsak är detta ett uttalande om energibesparing. När du lägger till värmeenergi ökar den inre energin. Om systemet fungerar i sin omgivning minskar den inre energin.
Temperatur som en funktion av värmeenergi
Som tidigare nämnts resulterar värmeenergi till ett system vanligtvis i en motsvarande temperaturökning om inte systemet genomgår en fasförändring. För att titta närmare på detta, överväga ett isblock som börjar under fryspunkten då värmeenergi tillsätts i konstant takt.
Om värmeenergi tillsätts kontinuerligt medan isblocket värms upp till frysning, genomgår en fasförändring för att bli vatten och sedan fortsätter att värmas upp tills det når kokpunkt, där det genomgår en ny fasförändring för att bli ånga, diagrammet över temperatur vs. värmen ser ut som följande:
Medan isen ligger under fryspunkten finns det ett linjärt samband mellan värmeenergi och temperatur. Detta är inte förvånande som det borde vara med tanke på ekvationen Q = mcΔT. När isen når frystemperaturen måste emellertid eventuell tillsatt värmeenergi användas för att hjälpa den att ändra fas. Temperaturen förblir konstant även om värme fortfarande tillsätts. Ekvationen som relaterar värmeenergi till massa under en fasförändring från fast till vätska är följande:
Q = ml_f
varLfär den latenta fusionsvärmen - en konstant som relaterar till hur mycket energi som krävs per massaenhet för att orsaka förändringen från fast till vätska.
Så tills en mängd värme som är lika medmlfhar lagts till förblir temperaturen konstant.
När all is har smält, stiger temperaturen igen linjärt tills den når kokpunkten. Här återkommer en fasförändring, den här gången från vätska till gas. Ekvationen som relaterar till värme till massa under denna fasförändring är mycket lika:
varLvär den latenta förångningsvärmen - en konstant som relaterar till hur mycket energi som krävs per massaenhet för att orsaka övergången från vätska till gas. Så temperaturen förblir återigen konstant tills tillräckligt med värmeenergi har lagts till. Observera att den förblir konstant längre den här gången. Det beror på attLvär vanligtvis högre änLfför ett ämne.
Den sista delen av diagrammet visar igen samma linjära förhållande som tidigare.