Тепло проти температури: у чому подібність та відмінність? (з графіком)

Люди іноді використовують термінитеплоітемпературивзаємозамінні. Вони пов’язують тепло зі словомгарячийі розуміти температуру також як пов’язану з «жаркістю» чи «холодом» чогось. Можливо, вони скажуть, що температура у весняний день відчуває себе як слід, тому що це саме потрібна кількість тепла.

Однак у фізиці ці дві величини досить сильно відрізняються одна від одної. Вони не є вимірами одного і того ж елемента, і вони не мають однакових одиниць виміру, хоча вони обидва можуть дати інформацію про ваше розуміння теплових властивостей.

Для того, щоб зрозуміти тепло і температуру на фундаментальному рівні, перш за все важливо зрозуміти поняття внутрішньої енергії. Хоча вам можуть бути знайомі об'єкти, що мають кінетичну енергію внаслідок їх руху або потенційну енергію внаслідок за своїм розташуванням у даному об'єкті самі молекули також можуть мати форму кінетики та потенціалу енергія.

Ця молекулярна кінетична та потенційна енергія відокремлена від того, що ви можете побачити, дивлячись, скажімо, на цеглу. Цегла, що сидить на землі, здається нерухомою, і ви можете припустити, що з нею не пов’язана ні кінетична, ні потенційна енергія. І справді, це не у сенсі вашого розуміння базової механіки.

Але сама цегла складається з безлічі молекул, які поодинці зазнають різних типів малих рухів, яких ви не можете побачити. Молекули також можуть відчувати потенційну енергію через їх близькість до інших молекул та сили, що діють між ними. Загальна внутрішня енергія цієї цегли - це сума кінетичної та потенційної енергій самих молекул.

Як ви вже зрозуміли, енергія зберігається. У тому випадку, якщо на об’єкт не діють сили тертя чи дисипації, механічна енергія також зберігається. Тобто кінетична енергія може перетворюватися на потенційну енергію і навпаки, але загальна кількість залишається постійною. Однак, коли діє сила, подібна до тертя, ви можете помітити, що загальна механічна енергія зменшується. Це пояснюється тим, що енергія приймала інші форми, такі як звукова енергія або теплова енергія.

Потираючи руки в холодний день, ви перетворюєте механічну енергію в теплову. Тобто, кінетична енергія ваших рук, що рухаються одна проти одної, змінила форму і стала кінетичною енергією молекул у ваших руках відносно один одного. Середнє значення цієї кінетичної енергії в молекулах у ваших руках - це те, що вчені визначають як температуру.

Температура - це міра середньої кінетичної енергії на молекулу речовини. Зверніть увагу, що це не те саме, що внутрішня енергія речовини, оскільки воно не включає потенційну енергію, а також не є мірою загальної енергії речовини. Натомість це загальна кінетична енергія, поділена на кількість молекул. Як таке, це залежить не від того, скільки у вас є чогось (наприклад, від загальної внутрішньої енергії), а від того, скільки кінетичної енергії несе середня молекула речовини.

Температуру можна виміряти різними одиницями. Серед них - Фаренгейт, який найпоширеніший у США та деяких інших місцях. За шкалою Фаренгейта вода замерзає при 32 градусах і кипить при 212. Ще однією поширеною шкалою є шкала Цельсія, яка використовується в багатьох інших місцях світу. За цією шкалою вода замерзає при 0 градусах і кипить при 100 градусах (що дає досить чітке уявлення про те, як була розроблена ця шкала).

Але науковим стандартом є шкала Кельвіна. Хоча розмір приросту за шкалою Кельвіна такий самий, як градус Цельсія, шкала Кельвіна починається при температурі, яка називається абсолютним нулем, і тут припиняється весь рух молекул. Іншими словами, він починається при максимально холодній температурі.

Нульовий градус Цельсія становить 273,15 за шкалою Кельвіна. Шкала Кельвіна є науковим стандартом недарма. Припустимо, щось знаходиться при 0 градусах Цельсія. Що б означало сказати, що другий об’єкт удвічі більший за температуру? Чи буде цей пункт також 0 градусів Цельсія? Ну за шкалою Кельвіна це поняття не викликає проблем, і саме тому, що воно починається з абсолютного нуля.

Розглянемо дві речовини або предмети при різній температурі. Що це означає? Це означає, що в середньому молекули однієї з речовин (високотемпературної) є рухаючись з більшою середньою кінетичною енергією, ніж молекули з нижчою температурою речовина.

Якщо ці дві речовини контактують, не дивно, що енергія починає усереднюватися між речовинами в міру мікроскопічних зіткнень. Речовина, яка спочатку була при більш високій температурі, буде охолоджуватися, коли інша речовина підніметься, поки обидві вони не стануть однаковими. Вчені називають цей остаточний стантеплова рівновага​.

Теплова енергія, яка передається від більш теплого до більш прохолодного об’єкта, те, що вчені називають теплом. Тепло - це форма енергії, що передається між двома матеріалами, що мають різну температуру. Тепло завжди надходить від матеріалу з більш високою температурою до матеріалу з нижчою температурою до досягнення теплової рівноваги.

Оскільки тепло є формою енергії, одиницею теплоти СІ є джоуль.

Як ви бачили з попередніх визначень, тепло і температура насправді є двома різними фізичними показниками. Ось лише деякі їх відмінності:

​Вони вимірюються в різних одиницях.Одиницею СІ для температури є кельвін, а одиницею СІ для тепла - джоуль. Кельвін вважається базовою одиницею, тобто він не може бути розбитий на комбінацію інших фундаментальних одиниць. Джоуль еквівалентний кгм²/ с².

​Вони відрізняються своєю залежністю від кількості молекул.Температура - це показник середньої кінетичної енергії на молекулу, що означає, що не має значення, скільки речовини у вас є, коли ви говорите про температуру. Кількість теплової енергії, яка може передаватися між речовинами, дуже залежить від того, скільки у вас є кожної речовини.

​Це різні типи змінних.Температура відома як змінна стану. Тобто він визначає стан, в якому знаходиться речовина чи предмет. З іншого боку, тепло - це змінна процесу. Він описує процес, що відбувається - в даному випадку передається енергія. Немає сенсу говорити про тепло, коли все в рівновазі.

​Вони вимірюються по-різному.Температура вимірюється за допомогою термометра, який, як правило, є пристроєм, що використовує температурне розширення для зміни показань на шкалі. Тепло, навпаки, вимірюється калориметром.

Однак тепло і температура не повністю пов’язані між собою:

​Вони обидві є важливими величинами в термодинаміці.Вивчення теплової енергії спирається на здатність вимірювати температуру, а також здатність відстежувати тепловіддачі.

​Теплообмін обумовлений різницею температур.Коли два об'єкти мають різну температуру, теплова енергія буде передаватися від більш теплого до більш холодного, поки не буде досягнута теплова рівновага. Як такі, ці різниці температур є рушієм теплообміну.

​Вони, як правило, збільшуються і зменшуються разом.Якщо до системи додається тепло, температура зростає. Якщо тепло відводиться від системи, температура знижується. (Один виняток з цього відбувається з фазовими переходами, в цьому випадку теплова енергія використовується для фазового переходу замість зміни температури.)

​Вони пов’язані між собою рівнянням.Теплова енергіяПитанняпов’язана зі зміною температуриΔTчерез рівняння Q = mcΔT дем- маса речовини іc- це його питома теплоємність (тобто міра кількості теплової енергії, необхідної для підвищення одиниці маси на градус Кельвіна для певної речовини.)

Внутрішня енергія - це загальна внутрішня кінетична та потенційна енергія, або теплова енергія в матеріалі. Для ідеального газу, в якому потенційна енергія між молекулами незначна, внутрішня енергіяЕзадається формулою E = 3 / 2nRT деп- кількість молей газу та загальна газова постійнаР= 8,3145 Дж / мольК.

Зв'язок між внутрішньою енергією та температурою показує, що, як не дивно, із збільшенням температури теплова енергія зростає. Внутрішня енергія також стає 0 при абсолютних 0 Кельвінах.

Тепло з’являється в картині, коли ви починаєте дивитись на зміни внутрішньої енергії. Перший закон термодинаміки дає таке співвідношення:

деПитання- тепло, що додається до системи іWце робота, виконана системою. По суті, це твердження про збереження енергії. Коли ви додаєте теплову енергію, внутрішня енергія збільшується. Якщо система працює на оточення, внутрішня енергія зменшується.

Як згадувалося раніше, теплова енергія, що додається до системи, зазвичай призводить до відповідного підвищення температури, якщо система не зазнає фазової зміни. Щоб розглянути це уважніше, розглянемо крижану брилу, яка починається нижче замерзання, оскільки теплова енергія додається з постійною швидкістю.

Якщо теплова енергія додається безперервно, поки крижаний блок прогрівається до замерзання, відбувається фазова зміна, щоб стати водою, а потім продовжує нагріватися, поки не закипить, де він зазнає чергової фазової зміни, щоб стати парою, графік температури проти. тепло буде виглядати наступним чином:

Поки лід нижче замерзання, існує лінійна залежність між тепловою енергією та температурою. Це не дивно, як це повинно бути, враховуючи рівняння Q = mcΔT. Як тільки лід досягає температури замерзання, потрібно використовувати будь-яку додану теплову енергію, щоб допомогти йому змінити фазу. Температура залишається постійною, хоча тепло все ще додається. Рівняння, яке пов'язує теплову енергію з масою при фазовій зміні твердої речовини на рідку, є наступним:

деL_f- прихована теплота плавлення - константа, що стосується того, скільки енергії потрібно на одиницю маси, щоб спричинити перехід від твердого до рідкого.

Отже, поки кількість тепла не дорівнюємл_fдодано, температура залишається постійною.

Як тільки весь лід розтане, температура знову піднімається лінійно, поки не досягне точки кипіння. Тут знову відбувається зміна фази, на цей раз з рідини на газ. Рівняння, що відноситься до тепла до маси під час цієї фазової зміни, дуже подібне:

деL_v- це прихована теплота випаровування - константа, що стосується того, скільки енергії потрібно на одиницю маси, щоб спричинити перехід від рідини до газу. Тож температура знову залишається постійною, поки не буде додано достатньо теплової енергії. Зауважте, що він довше залишається незмінним. Це тому, щоL_vзазвичай вище, ніжL_fдля речовини.

Остання частина графіка знову показує той самий лінійний зв'язок, що і раніше.