З досвіду ви знаєте, що коли значення на термометрі вказує температури збільшується, умови навколишнього середовища стають теплішими. Коли це значення падає, навколишні умови стають прохолоднішими. Ви також, мабуть, знаєте, що використовується кілька загальних шкал температури для точної кількісної оцінки цього явища.
Якщо зміни температури якимось чином свідчать про приріст або втрату тепло в околицях, чи є спосіб зафіксувати кореляцію? Тобто, чи може дана зміна температури (скажімо, у градусах Цельсія або ° C) співвідноситися із заданим коефіцієнтом посилення або втрати тепла - припускаючи, що "тепло" - це навіть річ, яку можна точно виміряти у фізиці?
Дійсно, кореляція змін температури з виграшами або втратами тепла в таких корисних теплових одиницях, як кілоджоулі (кДж), можлива - поки ви буквально знаєте, з чим маєте справу.
Температура та її шкали
Температура - це величина, виміряна приладом, який називається термометром. Його математично отримують із середньої кінетичної енергії частинок (атомів і молекул) у системі, наприклад, у закритому контейнері чи приміщенні.
Кінетична енергія - це енергія руху. Коли крихітні частинки просуваються по повітрю, вони стикаються між собою, і зіткнення виділяють тепло. Чим швидше середня швидкість частинок в системі, тим більше вони зіткнуться і тим більше теплоти виділиться, підвищуючи виміряну температуру.
Одиницею виміру температури СІ є Кельвін (К). Це не градус і, отже, не має відповідного символу, на відміну від випадку з градусами Цельсія та Фаренгейта. Однак K і ° C мають однакову величину в тому сенсі, що збільшення на 1 K та збільшення на 1 ° C являють собою однакову фізичну зміну. Але шкали зміщуються таким чином, що ° C = -273,15 K, а мінімальне теоретичне значення K дорівнює 0.
Крім того, (9/5) ° C + 32 = ° F.
Енергія, тепло і їх одиниці
Ви, без сумніву, знайомі з цим терміном калорійність як один із багатьох способів виміряти, що їжа, яку ви їсте, доставляє до клітинних механізмів вашої системи. Деякі джерела стверджують, що калорія має одиниці енергії; інші кажуть, що для цього потрібні одиниці тепла. Насправді обидва твердження відповідають дійсності, оскільки тепло - це один з різних підтипів «офіційної» - хоча й досить невловимої, щоб визначити - величини у фізиці, відомої як енергія.
Хоча калорія (кал) є основою для більшості публічних розмов у США щодо енергії, що забезпечується продуктами харчування, це не одиниця виміру, що використовується в підручниках та журналах фізики. Стандартною міжнародною (SI) одиницею вимірювання енергії, а отже і тепла, є джоуль (J).
1 калорія = 4,18 Дж, але "калорія", яку ви бачите на етикетках продуктів, насправді становить кілокалорію (ккал) або 1000 справжніх калорій. Таким чином, 1 "калорія" на маркування поживної речовини насправді становить 4180 джоулів, або 4,18 кДж.
Як пов’язані тепло і температура?
Ви бачили, як температура відноситься до тепла. Але як спочатку визначався розмір "одного градуса"? Люди повинні були мати спосіб позначити плями на шкалі температур між "замороженими" та "відвареними" та присвоювати числа цим інтервалам.
Як це трапляється, якщо додати задану кількість тепла (Питання) в джоулях до системи або відводячи тепло від неї, ви можете визначити, наскільки зміниться температура системи (∆T) за Цельсієм до тих пір, поки ви знаєте масу системи (часто пробу води) м в грамах та його питома теплоємність c, який різниться від речовини до речовини:
Q = mc (∆T)
Для води c = 1 кал / (г) (° С) = 4,186 Дж / (г) (° С).
Приклад: Якщо у вас є 1-літрова проба води масою 1000 г, скільки енергії в кДж потрібно для прогрівання зразка на 1 ° C?
Q = mc (∆T) = (1000 г) (4,186 Дж / г ° C) (1 ° C) = 4,186 = 4,186 кДж.
Нагадаємо, що це кількість енергії в одній «калорії» їжі. Це дивно, якщо врахувати, що, скажімо, 1 л підсолодженої соди містить приблизно у 400 разів більше цієї кількості, але організм обробляє «калорії» набагато інакше, ніж проста банка з водою.