Εισαγωγή στη Θερμοκρασία
Εισαγωγή
Με ποσοτικούς όρους, η θερμοκρασία περιγράφει πόσο ζεστό ή κρύο είναι κάτι. Είναι η εκδήλωση της θερμικής ενέργειας, που υπάρχει σε όλη την ύλη, και είναι η αιτία της εμφάνισης της θερμότητας, μιας ροής ενέργειας, όταν ένα σώμα έρχεται σε επαφή με ένα άλλο πιο ψυχρό ή θερμότερο. Η θερμότητα και η θερμοκρασία είναι δύο διαφορετικοί όροι και δεν πρέπει να συγχέονται μεταξύ τους.
Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιείται ένα θερμόμετρο. Τα θερμόμετρα βαθμονομούνται σε διάφορες κλίμακες θερμοκρασίας που έχουν ιστορικά καθορισμένη θερμοκρασία χρησιμοποιώντας διάφορα σημεία αναφοράς και θερμομετρικές ουσίες. Η κλίμακα Κελσίου (παλαιότερα γνωστή ως εκατοστά Η κλίμακα Kelvin (K) χρησιμοποιείται πιο σημαντικά για επιστημονικούς σκοπούς σύμφωνα με τις συμβάσεις του Διεθνούς Συστήματος Μονάδων (SI).
Η χαμηλότερη θεωρητική θερμοκρασία είναι το απόλυτο μηδέν, στην οποία δεν μπορεί να ληφθεί πρόσθετη θερμική ενέργεια από ένα σώμα. Η θερμοκρασία είναι κρίσιμη σε όλους τους κλάδους της φυσικής επιστήμης, συμπεριλαμβανομένης της φυσικής, της χημείας, της επιστήμης της γης, γεωγραφίας κ.λπ. καθώς και σε διάφορες καθημερινές δραστηριότητες.
Θερμότητα στη θερμοδυναμική
Η θερμότητα έχει μια πολύ σαφή σημασία στη θερμοδυναμική που διαφέρει από τη χρήση της στη συνηθισμένη συνομιλία. Η θερμότητα ορίζεται από τους επιστήμονες ως η κίνηση της θερμικής ενέργειας μεταξύ δύο συστημάτων που βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες και έρχονται σε επαφή. Η θερμότητα μετριέται σε Joules και αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο q ή Q.
Η θερμότητα αναφέρεται συχνά ως ποσότητα διεργασίας, καθώς ορίζεται στο πλαίσιο μιας διαδικασίας μέσω της οποίας μπορεί να μεταφερθεί ενέργεια. Δεν μιλάμε για τη θερμότητα που περιέχεται σε ένα φλιτζάνι καφέ, αλλά μπορούμε να μιλήσουμε για τη θερμότητα που μεταδίδεται από το φλιτζάνι του ζεστού καφέ στο χέρι μας. Επειδή η θερμότητα είναι μια εκτεταμένη ιδιότητα, η αλλαγή θερμοκρασίας που προκαλείται από τη μεταφορά θερμότητας σε ένα σύστημα είναι ανάλογη με τον αριθμό των μορίων στο σύστημα.
Σχέση μεταξύ θερμότητας και θερμοκρασίας
Οι όροι θερμότητα και θερμοκρασία είναι δύο διαφορετικές έννοιες αλλά συνδέονται στενά μεταξύ τους. Γενικά μετρώνται σε διαφορετικές μονάδες:η θερμοκρασία μετριέται σε βαθμούς Κελσίου (°C) ή Kelvin (K), ενώ η θερμότητα μετριέται σε Joules (J). Τα μόρια νερού σε ένα φλιτζάνι ζεστού καφέ έχουν μεγαλύτερη μέση κινητική ενέργεια από τα μόρια νερού σε ένα φλιτζάνι παγωμένου τσαγιού, υπονοώντας ότι κινούνται με μεγαλύτερη ταχύτητα. Η θερμοκρασία είναι επίσης ένα έντονο χαρακτηριστικό, που σημαίνει ότι όση ποσότητα και αν έχετε μια ουσία, η θερμοκρασία δεν ποικίλλει. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν το σημείο τήξης για να αναγνωρίσουν μια καθαρή ουσία – μείον τη θερμοκρασία στην οποία λιώνει, η οποία είναι χαρακτηριστικό της ουσίας ανεξάρτητα από τη μάζα ενός δείγματος.
Στο ατομικό επίπεδο τα μόρια κάθε αντικειμένου βρίσκονται συνεχώς σε κίνηση και συγκρούονται μεταξύ τους. Η κινητική ενέργεια μπορεί να ανταλλάσσεται κάθε φορά που τα μόρια συγκρούονται. Όταν τα δύο συστήματα συγκρούονται, η θερμότητα μεταφέρεται από το θερμότερο στο ψυχρότερο σύστημα με μοριακές συγκρούσεις. Μέχρι τα δύο αντικείμενα να βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία, η θερμική ενέργεια θα ρέει προς αυτή την κατεύθυνση. Η θερμική ισορροπία προκύπτει όταν τα δύο συστήματα σε επαφή βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία.
Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής
Η θερμική ισορροπία ορίζεται από τον μηδενικό νόμο της θερμοδυναμικής σε ένα απομονωμένο σύστημα. Όταν δύο αντικείμενα σε θερμική ισορροπία βρίσκονται σε επαφή, ο μηδενικός νόμος δηλώνει ότι δεν υπάρχει καθαρή μεταφορά θερμότητας μεταξύ τους, επομένως έχουν την ίδια θερμοκρασία. Ο μηδενικός νόμος μπορεί επίσης να δηλωθεί ως εξής:εάν δύο αντικείμενα βρίσκονται και τα δύο σε θερμική ισορροπία με ένα τρίτο αντικείμενο ανεξάρτητα, τότε βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους.
Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον νόμο μηδέν για να προσδιορίσουμε τη θερμοκρασία των αντικειμένων. Χρησιμοποιούμε τον μηδενικό νόμο της θερμοδυναμικής κάθε φορά που χρησιμοποιούμε ένα θερμόμετρο. Ας υποθέσουμε ότι προσπαθούμε να προσδιορίσουμε τη θερμοκρασία ενός λουτρού νερού. κανονικά θέλουμε να περιμένουμε να παραμείνει σταθερή η μέτρηση της θερμοκρασίας για να διασφαλίσουμε ότι η ένδειξη είναι σωστή. Περιμένουμε το θερμόμετρο και το νερό να εξισωθούν σε θερμοκρασία. Η θερμοκρασία του λαμπτήρα του θερμομέτρου και του λουτρού νερού θα πρέπει να είναι η ίδια σε θερμική ισορροπία και δεν θα πρέπει να υπάρχει καθαρή μεταφορά θερμότητας από το ένα αντικείμενο στο άλλο.
Θερμοχωρητικότητα
Όταν η ενέργεια μεταφέρεται προς ή από ένα σώμα μόνο ως θερμότητα, η κατάσταση του σώματος αλλάζει. Είναι δυνατές διάφορες αλλαγές στο σώμα ανάλογα με το περιβάλλον και τα εμπόδια που το χωρίζουν από το σώμα. Οι χημικές αντιδράσεις, η αύξηση της πίεσης, η αύξηση της θερμοκρασίας και οι αλλαγές φάσης είναι μερικές από τις διάφορες αλλαγές που μπορούν να συμβούν. Η θερμοχωρητικότητα είναι ο λόγος της ποσότητας θερμότητας που μεταφέρεται προς το μέγεθος της αλλαγής για κάθε τύπο αλλαγής υπό δεδομένες συνθήκες.
Η θερμοκρασία του σώματος αυξάνεται και η πίεσή του αυξάνεται εάν η αλλαγή είναι αύξηση της θερμοκρασίας σε σταθερό όγκο χωρίς αλλαγή φάσης ή χημική αλλαγή.
Συμπέρασμα
Συζητήσαμε τη διάκριση μεταξύ θερμότητας και θερμοκρασίας. Και οι δύο αυτές αρχές είναι εξαιρετικά σημαντικές στην επιστήμη. Ο συνολικός αριθμός των σωματιδίων στο σώμα αντιπροσωπεύεται πλήρως από θερμική ενέργεια. Η θερμοκρασία, από την άλλη πλευρά, είναι απλώς ένα μέτρο της μέσης ενέργειας των σωματιδίων του υλικού.
Η ανθρώπινη ύπαρξη απαιτεί πολλή ενέργεια και η θερμότητα είναι μια θαυμάσια πηγή της. Είναι δύσκολο και απαιτητικό αν η θερμοκρασία ανεβαίνει, και είναι ακόμα πιο δύσκολο αν πέσει η θερμοκρασία. Η θερμοκρασία θα καθορίσει ποιο επίπεδο θερμότητας είναι κατάλληλο για τον άνθρωπο.
Ως αποτέλεσμα, εκτός από την έκθεση, η θερμότητα δεν παρέχει σαφή εικόνα επιβίωσης. Η θερμότητα είναι ανάλογη με τη μάζα του σώματος, ενώ η θερμοκρασία είναι ανάλογη με την κινητική ενέργεια των μορίων.
