ความร้อนกับอุณหภูมิ: ความเหมือนและความแตกต่างคืออะไร? (พร้อมกราฟ)

บางครั้งคนก็ใช้คำว่าความร้อนและอุณหภูมิแทนกันได้ พวกเขาเชื่อมโยงความร้อนกับคำว่าร้อนและเข้าใจอุณหภูมิที่เกี่ยวข้องกับ "ความร้อน" หรือ "ความเย็น" ของบางสิ่งด้วย บางทีพวกเขาอาจจะบอกว่าอุณหภูมิในวันฤดูใบไม้ผลิรู้สึกดีเพราะเป็นปริมาณความร้อนที่เหมาะสม

อย่างไรก็ตามในทางฟิสิกส์ ปริมาณทั้งสองนี้ค่อนข้างแตกต่างจากกัน สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่การวัดของสิ่งเดียวกัน และไม่มีหน่วยเดียวกัน แม้ว่าทั้งคู่สามารถแจ้งให้คุณทราบถึงคุณสมบัติทางความร้อนของคุณ

เพื่อให้เข้าใจความร้อนและอุณหภูมิในระดับพื้นฐาน อันดับแรกต้องเข้าใจแนวคิดของพลังงานภายใน ในขณะที่คุณอาจคุ้นเคยกับวัตถุที่มีพลังงานจลน์เนื่องจากการเคลื่อนที่หรือพลังงานศักย์เนื่องจาก ตำแหน่งของพวกมัน ภายในวัตถุที่กำหนด โมเลกุลเองก็สามารถมีรูปแบบจลนศาสตร์และศักยภาพ พลังงาน.

พลังงานจลน์ระดับโมเลกุลและพลังงานศักย์นี้แยกจากสิ่งที่คุณเห็นเมื่อมอง เช่น อิฐ ก้อนอิฐที่วางอยู่บนพื้นดูเหมือนจะนิ่ง และคุณอาจคิดว่ามันไม่มีพลังงานจลน์หรือพลังงานศักย์ที่เกี่ยวข้องกับอิฐ และที่จริงแล้ว มันไม่ได้หมายความว่าคุณเข้าใจกลไกพื้นฐาน

แต่ตัวอิฐเองนั้นประกอบด้วยโมเลกุลหลายตัวที่เคลื่อนที่ทีละเล็กทีละน้อยที่คุณมองไม่เห็น โมเลกุลอาจพบพลังงานศักย์เนื่องจากอยู่ใกล้กับโมเลกุลอื่นและแรงที่กระทำระหว่างพวกมัน พลังงานภายในทั้งหมดของอิฐนี้คือผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุลเอง

ตามที่คุณน่าจะได้เรียนรู้ พลังงานจะถูกอนุรักษ์ไว้ ในกรณีที่ไม่มีแรงเสียดทานหรือแรงกระจายกระทำกับวัตถุ พลังงานกลก็จะถูกสงวนไว้เช่นกัน นั่นคือพลังงานจลน์สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์และในทางกลับกัน แต่ผลรวมยังคงไม่เปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม เมื่อแรงเช่นแรงเสียดทานกระทำ คุณอาจสังเกตเห็นว่าพลังงานกลทั้งหมดลดลง เนื่องจากพลังงานมีรูปแบบอื่น เช่น พลังงานเสียงหรือพลังงานความร้อน

เมื่อคุณจับมือกันในวันที่อากาศหนาวเย็น คุณจะแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานความร้อน นั่นคือพลังงานจลน์ของมือของคุณที่เคลื่อนที่เข้าหากันเปลี่ยนรูปแบบและกลายเป็นพลังงานจลน์ของโมเลกุลในมือของคุณโดยสัมพันธ์กัน ค่าเฉลี่ยของพลังงานจลน์ในโมเลกุลในมือของคุณคือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์กำหนดว่าเป็นอุณหภูมิ

อุณหภูมิเป็นตัววัดพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุลในสาร โปรดทราบว่าไม่เหมือนกับพลังงานภายในของสารเพราะไม่รวมถึงพลังงานศักย์และไม่ใช่การวัดพลังงานทั้งหมดในสารด้วย แต่เป็นพลังงานจลน์ทั้งหมดหารด้วยจำนวนโมเลกุลแทน ดังนั้น มันไม่ได้ขึ้นอยู่กับสิ่งที่คุณมี (เช่นพลังงานภายในทั้งหมดมี) แต่ขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานจลน์ที่โมเลกุลเฉลี่ยในสารมีไว้

สามารถวัดอุณหภูมิได้หลายหน่วย กลุ่มคนเหล่านี้คือฟาเรนไฮต์ ซึ่งพบมากที่สุดในสหรัฐอเมริกาและอีกสองสามแห่ง ในระดับฟาเรนไฮต์ น้ำจะแข็งตัวที่ 32 องศาและเดือดที่ 212 มาตราส่วนทั่วไปอีกอย่างหนึ่งคือมาตราส่วนเซลเซียสซึ่งใช้ในสถานที่อื่น ๆ ในโลก ในระดับนี้ น้ำจะแข็งตัวที่ 0 องศาและเดือดที่ 100 องศา (ซึ่งให้แนวคิดที่ค่อนข้างชัดเจนว่ามาตราส่วนนี้ถูกสร้างขึ้นมาอย่างไร)

แต่มาตรฐานทางวิทยาศาสตร์คือมาตราส่วนเคลวิน แม้ว่าขนาดที่เพิ่มขึ้นในระดับเคลวินจะเท่ากับองศาเซลเซียส แต่สเกลเคลวินเริ่มต้นที่อุณหภูมิที่เรียกว่าศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งเป็นจุดที่การเคลื่อนที่ของโมเลกุลทั้งหมดหยุดลง กล่าวคือมันเริ่มต้นที่อุณหภูมิที่เย็นที่สุด

ศูนย์องศาเซลเซียสคือ 273.15 ในระดับเคลวิน มาตราส่วนเคลวินเป็นมาตรฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับเหตุผลที่ดี สมมติว่ามีบางอย่างอยู่ที่ 0 องศาเซลเซียส การบอกว่าวัตถุชิ้นที่สองมีอุณหภูมิเป็นสองเท่าหมายความว่าอย่างไร รายการนั้นจะเป็น 0 เซลเซียสด้วยหรือไม่ ในระดับเคลวิน แนวคิดนี้ไม่ได้สร้างปัญหาแต่อย่างใด เพราะมันเริ่มต้นที่ศูนย์สัมบูรณ์

พิจารณาสารหรือวัตถุสองชนิดที่อุณหภูมิต่างกัน สิ่งนี้หมายความว่า? ซึ่งหมายความว่าโดยเฉลี่ยแล้ว โมเลกุลในสารตัวใดตัวหนึ่ง (โมเลกุลที่มีอุณหภูมิสูงกว่า) คือ เคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ด้วยพลังงานจลน์เฉลี่ยมากกว่าโมเลกุลในอุณหภูมิต่ำกว่า สาร

หากสารทั้งสองมาสัมผัสกัน ไม่น่าแปลกใจเลย พลังงานจะเริ่มเฉลี่ยระหว่างสารในขณะที่เกิดการชนกันของกล้องจุลทรรศน์ สารที่อุณหภูมิสูงขึ้นในขั้นต้นจะเย็นลงเมื่อสารอื่นเพิ่มอุณหภูมิจนมีอุณหภูมิเท่ากัน นักวิทยาศาสตร์เรียกสภาวะสุดท้ายนี้ว่าสมดุลความร้อน​.

พลังงานความร้อนที่ถ่ายโอนจากวัตถุที่อุ่นกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่าคือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่าความร้อน ความร้อนเป็นรูปแบบของพลังงานที่ถ่ายเทระหว่างวัสดุสองชนิดที่มีอุณหภูมิต่างกัน ความร้อนจะไหลจากวัสดุที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังวัสดุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าเสมอจนกว่าจะถึงสมดุลทางความร้อน

เนื่องจากความร้อนเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงาน หน่วย SI ของความร้อนจึงเป็นจูล

ดังที่คุณได้เห็นในคำจำกัดความก่อนหน้านี้ ความร้อนและอุณหภูมิเป็นการวัดทางกายภาพที่แตกต่างกันสองอย่าง นี่เป็นเพียงความแตกต่างบางประการ:

​พวกเขาจะวัดในหน่วยต่างๆหน่วย SI สำหรับอุณหภูมิคือเคลวิน และหน่วย SI สำหรับความร้อนคือจูล เคลวินถือเป็นหน่วยพื้นฐาน หมายความว่าไม่สามารถแยกออกเป็นหน่วยพื้นฐานอื่นๆ รวมกันได้ จูลมีค่าเท่ากับ kgm²/s².

​ต่างกันขึ้นอยู่กับจำนวนโมเลกุลอุณหภูมิเป็นตัววัดพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุล ซึ่งหมายความว่าไม่สำคัญว่าคุณมีสารมากแค่ไหนเมื่อคุณกำลังพูดถึงอุณหภูมิ ปริมาณพลังงานความร้อนที่อาจถ่ายเทระหว่างสารได้นั้นขึ้นอยู่กับปริมาณของสารแต่ละชนิดที่คุณมี

​เป็นตัวแปรประเภทต่างๆอุณหภูมิเรียกว่าตัวแปรสถานะ กล่าวคือ กำหนดสถานะที่มีสารหรือวัตถุอยู่ ในทางกลับกัน ความร้อนเป็นตัวแปรของกระบวนการ มันอธิบายกระบวนการที่กำลังเกิดขึ้น – ในกรณีนี้ พลังงานที่ถูกถ่ายโอน มันไม่สมเหตุสมผลเลยที่จะพูดถึงความร้อนเมื่อทุกอย่างอยู่ในสมดุล

​พวกเขาจะวัดแตกต่างกันอุณหภูมิวัดด้วยเทอร์โมมิเตอร์ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วเป็นอุปกรณ์ที่ใช้การขยายตัวทางความร้อนเพื่อเปลี่ยนการอ่านบนมาตราส่วน ในทางกลับกัน ความร้อนวัดด้วยแคลอรีมิเตอร์

ความร้อนและอุณหภูมิไม่ได้เกี่ยวข้องกันโดยสิ้นเชิง อย่างไรก็ตาม:

​ทั้งสองเป็นปริมาณที่สำคัญในอุณหพลศาสตร์การศึกษาพลังงานความร้อนขึ้นอยู่กับความสามารถในการวัดอุณหภูมิและความสามารถในการติดตามการถ่ายเทความร้อน

​การถ่ายเทความร้อนเกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิเมื่อวัตถุสองชิ้นมีอุณหภูมิต่างกัน พลังงานความร้อนจะถ่ายเทจากวัตถุที่อุ่นกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่าจนกระทั่งถึงสมดุลทางความร้อน ด้วยเหตุนี้ ความแตกต่างของอุณหภูมิจึงเป็นตัวขับเคลื่อนของการถ่ายเทความร้อน

​มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นและลดลงพร้อมกันหากเพิ่มความร้อนในระบบ อุณหภูมิจะสูงขึ้น หากความร้อนออกจากระบบ อุณหภูมิจะลดลง (ข้อยกเว้นประการหนึ่งเกิดขึ้นกับการเปลี่ยนเฟส ซึ่งในกรณีนี้จะใช้พลังงานความร้อนเพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนเฟสแทนการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ)

​สัมพันธ์กันด้วยสมการพลังงานความร้อนคิวเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิΔTผ่านสมการ Q = mcΔT โดยที่มคือมวลของสาร และคคือความจุความร้อนจำเพาะ (นั่นคือ การวัดปริมาณพลังงานความร้อนที่ต้องใช้ในการเพิ่มมวลหน่วยเป็นองศาเคลวินสำหรับสารหนึ่งๆ)

พลังงานภายในคือพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ภายในทั้งหมด หรือพลังงานความร้อนในวัสดุ สำหรับก๊าซในอุดมคติซึ่งพลังงานศักย์ระหว่างโมเลกุลมีน้อยมาก พลังงานภายในอีถูกกำหนดโดยสูตร E = 3/2nRT โดยที่นคือจำนวนโมลของแก๊สและค่าคงที่แก๊สสากลR= 8.3145 J/molK.

ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานภายในกับอุณหภูมิแสดงให้เห็นว่า เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พลังงานความร้อนก็เพิ่มขึ้นอย่างไม่น่าแปลกใจ พลังงานภายในก็จะกลายเป็น 0 เช่นกันที่ 0 เคลวิน

ความร้อนจะเข้ามาในภาพเมื่อคุณเริ่มมองการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ให้ความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้:

ที่ไหนคิวคือความร้อนที่เพิ่มเข้ามาในระบบและWคืองานที่ทำโดยระบบ โดยพื้นฐานแล้วนี่คือคำแถลงการอนุรักษ์พลังงาน เมื่อคุณเพิ่มพลังงานความร้อน พลังงานภายในจะเพิ่มขึ้น หากระบบทำงานในสภาพแวดล้อม พลังงานภายในจะลดลง

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ พลังงานความร้อนที่เพิ่มเข้าไปในระบบมักจะส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นตามเดียวกัน เว้นแต่ระบบจะอยู่ระหว่างการเปลี่ยนแปลงเฟส หากต้องการมองให้ละเอียดยิ่งขึ้น ให้พิจารณาก้อนน้ำแข็งที่เริ่มต้นจากจุดเยือกแข็งเนื่องจากพลังงานความร้อนถูกเติมในอัตราคงที่

หากเพิ่มพลังงานความร้อนอย่างต่อเนื่องในขณะที่ก้อนน้ำแข็งอุ่นจนกลายเป็นน้ำแข็ง จะผ่านการเปลี่ยนเฟสกลายเป็นน้ำแล้ว ยังคงอุ่นเครื่องต่อไปจนเดือด โดยผ่านการเปลี่ยนแปลงเฟสอื่นเป็นไอน้ำ กราฟอุณหภูมิเทียบกับ ความร้อนจะมีลักษณะดังนี้:

ในขณะที่น้ำแข็งต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง มีความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงระหว่างพลังงานความร้อนและอุณหภูมิ ไม่น่าแปลกใจเท่าที่ควร เนื่องจากสมการ Q = mcΔT เมื่อน้ำแข็งถึงอุณหภูมิเยือกแข็ง พลังงานความร้อนที่เติมเข้าไปจะต้องถูกนำมาใช้เพื่อช่วยในการเปลี่ยนเฟส อุณหภูมิยังคงคงที่แม้ว่าจะยังเพิ่มความร้อนอยู่ก็ตาม สมการที่เกี่ยวข้องกับพลังงานความร้อนต่อมวลระหว่างการเปลี่ยนเฟสจากของแข็งเป็นของเหลวมีดังต่อไปนี้:

ที่ไหนหลี่_ฉคือความร้อนแฝงของการหลอมเหลว - ค่าคงที่ที่เกี่ยวข้องกับปริมาณพลังงานที่ต้องใช้ต่อมวลหน่วยเพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากของแข็งเป็นของเหลว

ดังนั้น จนได้ปริมาณความร้อนเท่ากับมล_ฉเพิ่มแล้ว อุณหภูมิคงที่

เมื่อน้ำแข็งละลายหมดแล้ว อุณหภูมิจะสูงขึ้นเป็นเส้นตรงอีกครั้งจนกว่าจะถึงจุดเดือด การเปลี่ยนแปลงเฟสเกิดขึ้นอีกครั้ง คราวนี้จากของเหลวเป็นแก๊ส สมการที่เกี่ยวข้องกับความร้อนต่อมวลระหว่างการเปลี่ยนแปลงเฟสนี้มีความคล้ายคลึงกันมาก:

ที่ไหนหลี่_วีคือความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ - ค่าคงที่ที่เกี่ยวข้องกับพลังงานที่ต้องใช้ต่อหน่วยมวลเพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากของเหลวเป็นก๊าซ ดังนั้นอุณหภูมิจะคงที่อีกครั้งจนกว่าจะเติมพลังงานความร้อนเพียงพอ โปรดทราบว่าเวลานี้จะคงอยู่นานขึ้น นั่นก็เพราะว่าหลี่_วีโดยทั่วไปจะสูงกว่าหลี่_ฉสำหรับสาร

ส่วนสุดท้ายของกราฟจะแสดงความสัมพันธ์เชิงเส้นเหมือนเดิมอีกครั้ง