Ви, мабуть, знайомі з термометрами, вимірюєте температуру, відчуваєте жар і холод, а також те, що потрібно для кип’ятіння води. Тепер настав час розширити своє інтуїтивне розуміння тепла та температури та дізнатися, як це роблять фізики.
У цьому вступі до теплової фізики ви дізнаєтесь, що таке тепло і температура, а також до яких явищ відноситься ця галузь фізики.
Вивчення тепла та температури
Теплова фізика є вивченням тепло і температура. Тепло визначається як енергія, яка передається між двома об’єктами з різною температурою - рухаючись від більш теплого до більш прохолодного об’єкта.
Тепло є видом теплової енергії. Теплова енергія - це енергія, пов’язана з молекулярним рухом всередині об’єкта. Усередині будь-якого предмета молекули не просто стоять на місці; навіть незважаючи на те, що ви не можете помітно побачити рух, вони всі хитаються і б’ються одне в одного.
Температура є мірою середньої кінетичної енергії на молекулу. Вам може бути знайоме вимірювання в градусах за Фаренгейтом або навіть за Цельсієм, але одиницею СІ, яку вчені віддають перевагу, є кельвін.
Усього внутрішня енергія об'єкт залежить від його маси, температури та питома теплоємність. Питома теплоємність - це міра того, скільки теплової енергії потрібно для підвищення температури одиниці маси на 1 градус. Різні матеріали мають різну питому теплоємність, і теплоємність будь-якого конкретного матеріалу зазвичай можна переглянути в таблиці.
Передача тепла
Тепло може передаватися від одного об’єкта до іншого трьома основними способами. Це:
- Проведення
- Конвекція
- Випромінювання
Під час провідності два об’єкти перебувають у фізичному контакті, і теплова енергія рухається від більш теплого до більш прохолодного об’єкта шляхом прямих зіткнень між молекулами в об’єктах.
При конвекції тепло передається конвекційними струмами. Це трапляється, коли кип’ятити воду на плиті. Вода на дні каструлі спочатку нагрівається, і, нагріваючись, вона розширюється, стаючи менш щільною. Будучи менш щільною, вона піднімається до верху каструлі, коли прохолодна вода тоне, а потім нагрівається.
При випромінюванні теплова енергія передається за допомогою електромагнітного випромінювання. Так ви отримуєте енергію від сонця. Ця енергія подорожує через вакуум космосу як випромінювання, яке потім зігріває Землю, коли вона досягає нас.
Фазові зміни
У міру додавання теплової енергії до матеріалів вони підвищують температуру. У певні моменти дзвонив фазові переходи, фаза змін матеріалу. Матеріали можуть переходити від твердого до рідкого і від рідкого до газового і навіть від газового до плазмового.
Температури, при яких відбувається зміна фази, залежать від самого матеріалу та умов тиску. Це вивчається за допомогою фазової діаграми.
Кількість енергії, необхідної для зміни фази матеріалу, залежить від прихованого тепла цього матеріалу. Прихована теплота плавлення матеріалу - це кількість теплової енергії, необхідна для зміни одиниці маси цієї речовини з твердої на рідку. Прихована теплота випаровування матеріалу - це кількість теплової енергії, необхідна для перетворення його з рідини на газ.
Термодинаміка
Теплова фізика врешті-решт призводить до вивчення термодинаміки, яка є розділом фізики, що вивчає зміну теплових систем за допомогою кінетичної теорії та статистичної механіки.
Існує три закони термодинаміки, які керують термодинамічними процесами. Вони називаються, просто, першим законом термодинаміки, другим законом термодинаміки і третім законом термодинаміки. Коли ти вперше дізнаєшся про ці закони, ти, як правило, дізнаєшся, як вони застосовуються до ідеального газу, і використовуєш закон про ідеальний газ.
Термодинаміка може допомогти вам зрозуміти, як працюють парові машини, холодильники, теплові насоси та інші подібні предмети.