Isı ve Sıcaklık: Benzerlikler ve Farklılıklar Nelerdir? (Grafik ile)

İnsanlar bazen terimleri kullanırsıcaklıkvesıcaklıkbirbirinin yerine geçebilir. Isıyı kelimeyle ilişkilendiriyorlarSıcakve sıcaklığı bir şeyin "sıcaklığı" veya "soğukluğu" ile ilgili olarak anlayın. Belki de bir bahar gününde sıcaklığın tam da doğru olduğunu çünkü doğru miktarda ısı olduğunu söyleyeceklerdir.

Ancak fizikte bu iki nicelik birbirinden oldukça farklıdır. Aynı şeyin ölçüleri değiller ve aynı birimlere sahip değiller, ancak her ikisi de termal özellikleri anlamanıza yardımcı olabilir.

Isı ve sıcaklığı temel düzeyde anlamak için öncelikle iç enerji kavramını anlamak önemlidir. Hareketlerinden dolayı kinetik enerjiye veya potansiyel enerjiye sahip olan nesnelere aşina olabilirsiniz. Belirli bir nesne içindeki konumları, moleküllerin kendileri de bir tür kinetik ve potansiyele sahip olabilir. enerji.

Bu moleküler kinetik ve potansiyel enerji, örneğin bir tuğlaya bakarken gördüğünüzden ayrıdır. Yerde duran bir tuğla hareketsiz görünüyor ve onunla ilişkili hiçbir kinetik veya potansiyel enerjiye sahip olmadığını varsayabilirsiniz. Ve gerçekten de, temel mekanik anlayışınız anlamında değil.

Ancak tuğlanın kendisi, göremediğiniz farklı türde küçük hareketler geçiren birçok molekülden oluşur. Moleküller ayrıca diğer moleküllere yakınlıkları ve aralarında uygulanan kuvvetler nedeniyle potansiyel enerji yaşayabilirler. Bu tuğlanın toplam iç enerjisi, moleküllerin kendilerinin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamıdır.

Muhtemelen öğrenmiş olduğunuz gibi, enerji korunur. Bir cisme sürtünme veya enerji tüketen kuvvetler etki etmiyorsa, mekanik enerji de korunur. Yani, kinetik enerji potansiyel enerjiye dönüşebilir ve bunun tersi de olabilir, ancak toplam sabit kalır. Bununla birlikte, sürtünme gibi bir kuvvet etki ettiğinde, toplam mekanik enerjinin azaldığını fark edebilirsiniz. Bunun nedeni, enerjinin ses enerjisi veya termal enerji gibi başka biçimler almasıdır.

Soğuk bir günde ellerinizi birbirine sürttüğünüzde mekanik enerjiyi termal enerjiye dönüştürürsünüz. Yani birbirine karşı hareket eden ellerinizin kinetik enerjisi şekil değiştirerek elinizdeki moleküllerin birbirine göre kinetik enerjisi haline geldi. Elinizdeki moleküllerdeki bu kinetik enerjinin ortalaması, bilim adamlarının sıcaklık olarak tanımladığı şeydir.

Sıcaklık, bir maddedeki molekül başına ortalama kinetik enerjinin bir ölçüsüdür. Potansiyel enerjiyi içermediği ve maddenin toplam enerjisinin bir ölçüsü olmadığı için maddenin iç enerjisi ile aynı olmadığına dikkat edin. Bunun yerine, toplam kinetik enerjinin molekül sayısına bölümüdür. Bu nedenle, sahip olduğunuz bir şeye ne kadar sahip olduğunuza (toplam iç enerjinin yaptığı gibi) değil, maddedeki ortalama molekülün ne kadar kinetik enerji taşıdığına bağlıdır.

Sıcaklık birçok farklı birimde ölçülebilir. Bunların arasında ABD'de ve diğer birkaç yerde en yaygın olan Fahrenheit vardır. Fahrenheit ölçeğinde su 32 derecede donar ve 212 derecede kaynar. Diğer bir yaygın ölçek, dünyanın birçok yerinde kullanılan Celsius ölçeğidir. Bu ölçekte, su 0 derecede donar ve 100 derecede kaynar (bu, bu ölçeğin nasıl tasarlandığı hakkında oldukça net bir fikir verir).

Ancak bilimsel standart Kelvin ölçeğidir. Kelvin ölçeğindeki bir artışın boyutu Celsius derecesi ile aynıyken, Kelvin ölçeği, tüm moleküler hareketin durduğu mutlak sıfır adı verilen bir sıcaklıkta başlar. Başka bir deyişle, mümkün olan en düşük sıcaklıkta başlar.

Kelvin ölçeğinde sıfır santigrat derece 273,15'tir. Kelvin ölçeği, haklı olarak bilimsel bir standarttır. Bir şeyin 0 santigrat derecede olduğunu varsayalım. İkinci bir nesnenin sıcaklığın iki katı olduğunu söylemek ne anlama gelir? Bu öğe de 0 Santigrat olur mu? Kelvin ölçeğinde, bu kavram hiçbir soruna neden olmaz ve bunun nedeni mutlak sıfırdan başlamasıdır.

Farklı sıcaklıklarda iki madde veya nesne düşünün. Ne anlama geliyor? Bu, ortalama olarak, maddelerden birindeki (yüksek sıcaklıktaki) moleküllerin düşük sıcaklıktaki moleküllerden daha büyük bir ortalama kinetik enerji ile hareket etmek madde.

Bu iki madde temas ederse, şaşırtıcı olmayan bir şekilde, mikroskobik çarpışmalar meydana geldikçe, enerji maddeler arasında ortalama almaya başlar. Başlangıçta daha yüksek sıcaklıkta olan madde, diğer maddenin sıcaklığı arttıkça ikisi de aynı sıcaklığa gelene kadar soğuyacaktır. Bilim adamları buna son durum diyorTermal denge​.

Daha sıcak nesneden daha soğuk nesneye aktarılan termal enerji, bilim adamlarının ısı dediği şeydir. Isı, farklı sıcaklıklardaki iki malzeme arasında aktarılan enerji şeklidir. Isı, ısıl dengeye ulaşılana kadar her zaman sıcaklığı yüksek olan malzemeden daha düşük sıcaklıktaki malzemeye akar.

Isı bir enerji biçimi olduğundan, ısının SI birimi joule'dür.

Önceki tanımlarda gördüğünüz gibi, ısı ve sıcaklık aslında iki farklı fiziksel ölçüdür. Bunlar aralarındaki farklardan sadece birkaçı:

​Farklı birimlerde ölçülürler.Sıcaklık için SI birimi Kelvin'dir ve ısı için SI birimi joule'dür. Kelvin bir temel birim olarak kabul edilir, yani diğer temel birimlerin bir kombinasyonuna bölünemez. Joule bir kgm'ye eşittir²/s².

​Molekül sayısına bağımlılıkları bakımından farklılık gösterirler.Sıcaklık, molekül başına ortalama kinetik enerjinin bir ölçüsüdür, yani sıcaklıktan söz ederken ne kadar maddeye sahip olduğunuz önemli değildir. Bununla birlikte, maddeler arasında aktarılabilecek ısı enerjisi miktarı, her bir maddenin ne kadarına sahip olduğunuza bağlıdır.

​Bunlar farklı değişken türleridir.Sıcaklık, durum değişkeni olarak bilinir. Yani bir cismin veya cismin içinde bulunduğu durumu tanımlar. Isı ise bir süreç değişkenidir. Gerçekleşen bir süreci tanımlar - bu durumda aktarılan enerji. Her şey dengedeyken ısı hakkında konuşmanın anlamı yok.

​Farklı ölçülürler.Sıcaklık, tipik olarak bir ölçekte okumayı değiştirmek için termal genleşmeyi kullanan bir cihaz olan bir termometre ile ölçülür. Isı ise kalorimetre ile ölçülür.

Bununla birlikte, ısı ve sıcaklık birbiriyle tamamen ilgisiz değildir:

​Her ikisi de termodinamikte önemli niceliklerdir.Termal enerji çalışması, sıcaklığı ölçme yeteneğinin yanı sıra ısı transferlerini takip etme yeteneğine dayanır.

​Isı transferi, sıcaklık farkları tarafından yönlendirilir.İki nesne farklı sıcaklıklarda olduğunda, ısı enerjisi, termal dengeye ulaşılana kadar daha sıcak olandan daha soğuk olana aktarılır. Bu nedenle, bu sıcaklık farklılıkları ısı transferinin itici gücüdür.

​Birlikte artma ve azalma eğilimindedirler.Bir sisteme ısı eklenirse sıcaklık artar. Bir sistemden ısı alınırsa, sıcaklık düşer. (Bunun bir istisnası, faz geçişlerinde meydana gelir, bu durumda sıcaklıkta bir değişiklik yerine bir faz geçişine neden olmak için ısı enerjisi kullanılır.)

​Birbirleriyle bir denklemle ilişkilidirler.Isı enerjisiSsıcaklıktaki bir değişiklikle ilgilidirΔTdenklemi aracılığıyla Q = mcΔT buradammaddenin kütlesi vecözgül ısı kapasitesidir (yani, belirli bir madde için birim kütleyi Kelvin derecesiyle yükseltmek için gereken ısı enerjisi miktarının bir ölçüsüdür.)

İç enerji, bir malzemedeki toplam iç kinetik ve potansiyel enerji veya termal enerjidir. Moleküller arasındaki potansiyel enerjinin ihmal edilebilir olduğu ideal bir gaz için, iç enerjiEE = 3/2nRT formülü ile verilir, buradangazın mol sayısı ve evrensel gaz sabitidir$= 8.3145 J/molK.

İç enerji ve sıcaklık arasındaki ilişki, şaşırtıcı olmayan bir şekilde, sıcaklık arttıkça termal enerjinin arttığını göstermektedir. Mutlak 0 Kelvin'de iç enerji de 0 olur.

İç enerjideki değişikliklere bakmaya başladığınızda ısı resme girer. Termodinamiğin birinci yasası aşağıdaki ilişkiyi verir:

neredeSsisteme eklenen ısı veWsistem tarafından yapılan iştir. Özünde, bu enerjinin korunumu ifadesidir. Isı enerjisi eklediğinizde, iç enerji artar. Sistem çevresi üzerinde iş yaparsa iç enerjisi azalır.

Daha önce bahsedildiği gibi, bir sisteme eklenen ısı enerjisi, sistem bir faz değişikliği geçirmedikçe tipik olarak karşılık gelen bir sıcaklık artışı ile sonuçlanır. Buna daha yakından bakmak için, sabit bir oranda ısı enerjisi eklendiğinden, donma noktasının altında başlayan bir buz bloğunu düşünün.

Buz bloğu donmaya kadar ısınırken sürekli olarak ısı enerjisi eklenirse, su haline gelmek için bir faz değişikliğine uğrar ve sonra kaynama noktasına gelene kadar ısınmaya devam eder, burada buhar olmak için başka bir faz değişikliğine uğrar, sıcaklık ve sıcaklık grafiği. ısı aşağıdaki gibi görünecektir:

Buz donma noktasının altındayken, ısı enerjisi ile sıcaklık arasında doğrusal bir ilişki vardır. Q = mcΔT denklemi göz önüne alındığında, bu olması gerektiği gibi şaşırtıcı değildir. Bununla birlikte, buz donma sıcaklığına ulaştığında, faz değiştirmesine yardımcı olmak için eklenen herhangi bir ısı enerjisi kullanılmalıdır. Isı eklenmesine rağmen sıcaklık sabit kalır. Katıdan sıvıya bir faz değişimi sırasında ısı enerjisini kütle ile ilişkilendiren denklem aşağıdaki gibidir:

neredeL_ffüzyonun gizli ısısıdır - katıdan sıvıya değişime neden olmak için birim kütle başına ne kadar enerji gerektiğine ilişkin bir sabittir.

Yani, eşit bir ısı miktarına kadarml_feklendi, sıcaklık sabit kaldı.

Tüm buz eridikten sonra, sıcaklık tekrar kaynama noktasına ulaşana kadar doğrusal olarak yükselir. Burada yine bir faz değişimi meydana gelir, bu sefer sıvıdan gaza. Bu faz değişimi sırasında ısıyı kütleye bağlayan denklem çok benzer:

neredeL_vgizli buharlaşma ısısıdır - sıvıdan gaza geçişe neden olmak için birim kütle başına ne kadar enerji gerektiğine ilişkin bir sabittir. Böylece, yeterli ısı enerjisi eklenene kadar sıcaklık bir kez daha sabit kalır. Bu sefer daha uzun süre sabit kaldığını unutmayın. Çünkü buL_vtipik olarak daha yüksektirL_fbir madde için.

Grafiğin son kısmı yine öncekiyle aynı doğrusal ilişkiyi gösterir.