Тепло (фізика): визначення, формула та приклади

Всім добре знайоме поняття бути занадто жарким або занадто холодним або відчувати тепло від сонця в теплий день, але що конкретно означає слово "спека"? Це властивість чогось "гарячого?" Це те саме, що температура? Виявляється, тепло - це вимірювана величина, яку фізики точно визначили.

Тепло - це те, що вчені називають формою енергії, яка передається між двома матеріалами різної температури. Цей перенос енергії відбувається через різницю середньої поступальної кінетичної енергії на молекулу в двох матеріалах. Тепло надходить від матеріалу з більш високою температурою до матеріалу з нижчою температурою до досягнення теплової рівноваги. Одиницею теплоти СІ є джоуль, де 1 джоуль = 1 ньютон × метр.

Щоб краще зрозуміти, що відбувається, коли відбувається це перенесення енергії, уявіть такий сценарій: Два різні контейнери наповнені крихітними гумовими кульками, що стрибають навколо. В одному з контейнерів середня швидкість куль (і, отже, їх середня кінетична енергія) набагато більша, ніж середня швидкість куль в другому контейнер (хоча швидкість будь-якого окремого кулі може бути будь-якою в будь-який момент часу, оскільки стільки зіткнень викликає постійний перенос енергії між кулі.)

Якщо ви розмістите ці контейнери так, щоб їх сторони торкалися, а потім видалили стінки, що відокремлюють їх вміст, що б ви очікували?

Кулі з першого контейнера почнуть взаємодіяти з кульками з другого контейнера. Оскільки все більше і більше зіткнень між кульками відбувається, поступово середні швидкості куль з обох контейнерів стають однаковими. Частина енергії куль з першого контейнера переходить до куль у другому контейнері, поки не буде досягнуто нової рівноваги.

По суті, це відбувається на мікроскопічному рівні, коли два об'єкти з різною температурою стикаються один з одним. Енергія від об'єкта при більш високій температурі передається у вигляді тепла до об'єкта з нижчою температурою.

Температура - це міра середньої поступальної кінетичної енергії на молекулу речовини. В аналогії з кульками в контейнері це показник середньої кінетичної енергії на кульку в даному контейнері. На молекулярному рівні атоми та молекули вібрують і хитаються. Ви не можете побачити цей рух, оскільки це відбувається в такому малому масштабі.

Загальними температурними шкалами є Фаренгейт, Цельсій і Кельвін, причому Кельвін є науковим стандартом. Шкала Фаренгейта найбільш поширена в США. За цією шкалою вода замерзає при 32 градусах і кипить при 212 градусах. За шкалою Цельсія, яка поширена в більшості інших місць світу, вода замерзає при 0 градусах і кипить при 100 градусах.

Однак науковим стандартом є шкала Кельвіна. Хоча розмір приросту за шкалою Кельвіна такий самий, як розмір градуса за шкалою Цельсія, його значення 0 встановлюється в іншому місці. 0 Кельвін дорівнює -273,15 градусів Цельсія.

Чому такий дивний вибір для 0? Виявляється, це набагато менш дивний вибір, ніж нульове значення шкали Цельсія. 0 Кельвін - це температура, при якій зупиняється весь рух молекул. Теоретично це абсолютно холодна температура.

У цьому світлі шкала Кельвіна має набагато більше сенсу, ніж шкала Цельсія. Подумайте, як вимірюється відстань, наприклад. Було б дивним створити шкалу відстані, де значення 0 було еквівалентно позначці 1 м. Що в такому масштабі означало б, щоб щось було вдвічі довшим за щось інше?

Повна внутрішня енергія речовини - це сукупність кінетичних енергій усіх її молекул. Це залежить від температури речовини (середньої кінетичної енергії на молекулу) та загальної кількості речовини (кількості молекул).

Два об'єкти можуть мати однакову загальну внутрішню енергію при абсолютно різних температурах. Наприклад, більш прохолодний об'єкт буде мати нижчу середню кінетичну енергію на молекулу, але якщо кількість молекул велика, то вона все одно може отримати таку саму загальну внутрішню енергію теплого об'єкта з меншою кількістю молекули.

Дивовижним результатом цієї залежності між загальною внутрішньою енергією та температурою є той факт, що велика брила льоду може отримати більше енергії, ніж запалена голівка сірника, навіть якщо голова сірника настільки гаряча, що вона ввімкнена вогонь!

Існує три основних методи, за допомогою яких теплова енергія передається від одного об’єкта до іншого. Вони бувають провідністю, конвекцією та випромінюванням.

​Проведеннявиникає при передачі енергії безпосередньо між двома матеріалами, що перебувають в тепловому контакті один з одним. Це тип передачі, який відбувається в аналогії з гумовою кулькою, описаній раніше в цій статті. Коли два об'єкти безпосередньо контактують, енергія передається через зіткнення їх молекул. Ця енергія повільно проходить шлях від точки контакту до решти спочатку більш холодного об'єкта до досягнення теплової рівноваги.

Однак не всі предмети або речовини проводять енергію таким чином однаково добре. Деякі матеріали, які називаються хорошими теплопровідниками, можуть передавати теплову енергію легше, ніж інші матеріали, які називаються хорошими теплоізоляторами.

Ви, мабуть, мали досвід роботи з такими провідниками та ізоляторами у своєму повсякденному житті. Холодного зимового ранку, як крок босоніж по кахельній підлозі порівняється із кроком босим на килим? Можливо, здається, що килим якось тепліший, проте це не так. На обох поверхах, ймовірно, однакова температура, але плитка набагато кращий теплопровідник. Через це теплова енергія набагато швидше покидає ваше тіло.

​Конвекціяє формою теплопередачі, яка відбувається в газах або рідинах. Гази, і в меншій мірі, рідини відчувають зміни своєї щільності із зміною температури. Зазвичай чим вони тепліші, тим вони менш щільні. Через це і через те, що молекули газів і рідин вільно рухаються, якщо нижня частина стає теплою, вона розширюватиметься, а отже, підніметься до верхньої через нижчу щільність.

Наприклад, якщо ви поставите каструлю з водою на плиту, вода на дні каструлі нагріється, розшириться і підніметься до верху, коли прохолодна вода опуститься. Потім прохолодна вода нагрівається, розширюється і піднімається тощо, створюючи конвекційні струми, які змушують теплову енергію розподілятися по системі шляхом змішування молекул в системі (на відміну від молекул, які всі залишаються приблизно в тому самому місці, коли вони хитаються вперед-назад, відбиваючись у кожну інший.)

Конвекція - це те, чому обігрівачі найкраще працюють для утеплення будинку, якщо вони розміщені біля підлоги. Нагрівач, розміщений біля стелі, буде нагрівати повітря біля стелі, але це повітря залишатиметься на місці.

Третя форма теплообміну -випромінювання. Випромінювання - це передача енергії за допомогою електромагнітних хвиль. Теплі предмети можуть віддавати енергію у вигляді електромагнітного випромінювання. Так, наприклад, до Землі доходить теплова енергія від Сонця. Як тільки це випромінювання контактує з іншим об'єктом, атоми цього об'єкта можуть отримувати енергію, поглинаючи її.

Два різні матеріали однакової маси зазнають різних температурних змін, незважаючи на те, що однакова сукупна додана енергія через різницю в кількості називаєтьсяпитома теплоємність. Питома теплоємність залежить від матеріалу, про який йде мова. Ви зазвичай шукаєте значення питомої теплоємності матеріалу в таблиці.

Більш формально питома теплоємність визначається як кількість теплової енергії, яку потрібно додати на одиницю маси, щоб підвищити температуру на градус Цельсія. Одиниці SI для питомої теплоємності, зазвичай позначаютьсяc, складають Дж / кгК.

Подумайте про це так: припустимо, у вас є дві різні речовини, які важать абсолютно однаково і мають абсолютно однакову температуру. Перша речовина має високу питому теплоємність, а друга речовина має низьку питому теплоємність. Тепер припустимо, що ви додаєте до них обох рівно стільки ж теплової енергії. Перша речовина - та, що має більш високу теплоємність - не буде підвищуватися настільки сильно, як друга речовина.

Існує багато факторів, які впливають на те, як буде змінюватися температура речовини при передачі їй певної кількості теплової енергії. Ці фактори включають масу матеріалу (менша маса зазнає більшої зміни температури за певної кількості доданого тепла) та питому теплоємністьc​.

Якщо є джерело тепла, що живитьP, тоді загальне додане тепло залежить відPі часут. Тобто теплова енергіяПитаннядорівнюватимеP​ × ​т​.

Темп зміни температури - ще один цікавий фактор, який слід врахувати. Чи змінюють предмети постійну температуру? Виявляється, швидкість змін залежить від різниці температур між об’єктом та його оточенням. Закон охолодження Ньютона описує цю зміну. Чим ближче об'єкт до температури навколишнього середовища, тим повільніше він наближається до рівноваги.

Формула, яка пов'язує зміну температури з масою об'єкта, питомою теплоємністю та доданою або відведеною тепловою енергією, така:

Однак ця формула застосовується лише в тому випадку, якщо речовина не зазнає фазової зміни. Коли речовина змінюється з твердого стану на рідкий або переходить з рідкого на газ, додається до нього тепло використовувати, що спричиняє цю фазову зміну, і не призведе до зміни температури, поки не відбудеться фазова зміна повна.

Позначається величина, що називається прихованою теплотою плавленняL_f, описує, скільки теплової енергії на одиницю маси потрібно для перетворення речовини з твердої речовини на рідку. Подібно до питомої теплоємності, його величина залежить від фізичних властивостей матеріалу, про який йде мова, і часто розглядається в таблицях. Рівняння, яке стосується теплової енергіїПитаннядо маси матеріалума прихована теплота плавлення становить:

Те саме відбувається при переході з рідини на газ. У такій ситуації позначається величина, яка називається прихованою теплотою випаровуванняL_v, описує, скільки енергії на одиницю маси потрібно додати, щоб викликати зміну фази. Отримане рівняння ідентичне, за винятком нижнього індексу:

Внутрішня енергіяЕ- загальна внутрішня кінетична енергія, або теплова енергія, у матеріалі. Якщо припустити ідеальний газ, де будь-яка потенційна енергія між молекулами незначна, це визначається за формулою:

деп- кількість родимок,Т- це температура в кельвінах і універсальна газова постійнаР= 8,3145 Дж / мольК. Внутрішня енергія стає 0 Дж при абсолютних 0 К.

У термодинаміці взаємозв'язок між змінами внутрішньої енергії, передаченого тепла та роботою, виконаною в системі або в системі, пов'язаний через:

Цей зв'язок відомий як перший закон термодинаміки. По суті це заява про збереження енергії.