Десятый класс

Десятый классThermal physics


тепло и температура


В окружающем нас мире часто можно услышать, как термины "тепло" и "температура" используются как взаимозаменяемые. Однако в области физики эти термины имеют очень разные значения. В этом объяснении мы углубимся в понятия тепла и температуры, выясним, как они измеряются, в чем их различия и какие роли они играют в термальной физике. Давайте начнем с простого определения каждого термина.

Выдерживание температуры

Температура - это мера средней кинетической энергии частиц в веществе. Кинетическая энергия относится к энергии, которую объект имеет благодаря своему движению. Чем выше скорость частиц, тем выше температура. Следовательно, когда вы измеряете температуру объекта, вы по сути измеряете, как быстро частицы (такие как атомы и молекулы) движутся.

Измерение температуры

Температуру можно измерять с использованием различных шкал. Наиболее распространенные шкалы: Цельсий, Фаренгейт и Кельвин.

  • Цельсий (°C): На этой шкале вода замерзает при 0°C и кипит при 100°C при стандартных атмосферных условиях.
  • Фаренгейт (°F): На этой шкале вода замерзает при 32°F и кипит при 212°F.
  • Кельвин (K): Это научная шкала, используемая в основном в физике. Ноль Кельвина (0 K) известен как абсолютный ноль, точка, при которой частицы теоретически перестают двигаться. Вода замерзает при 273,15 K и кипит при 373,15 K.
теплыйГорячийХолодный0 °C100 градусов Цельсия

Изображение выше показывает различные объекты с разной длиной. Каждая длина представляет разную температурную шкалу на термометре, обозначающем горячие, теплые и холодные объекты.

Примеры температуры

Рассмотрим чашку горячего кофе и стакан холодной воды. Когда вы прикасаетесь к чашке с кофе, она кажется горячей, потому что частицы в кофе движутся очень быстро, что указывает на более высокую температуру. В то время как при касании стакана с холодной водой он кажется холодным, потому что частицы движутся медленнее, что указывает на более низкую температуру.

Понимание тепла

Тепло, с другой стороны, это энергия, которая передается от одного объекта к другому из-за разницы температур. Это процесс, посредством которого энергия движется из-за разницы температур. Тепло всегда течет из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Измерение тепла

В Международной системе единиц (СИ) тепло измеряется в джоулях (Дж). Однако в повседневной жизни вы можете быть знакомы с калориями, которые являются другой единицей измерения тепла.

  • Джоуль (Дж): Стандартная единица измерения энергии. 1 джоуль - это энергия, переданная при применении мощности в 1 ватт в течение 1 секунды.
  • Калория (кал): Часто используется в отношении пищи, 1 калория - это энергия, необходимая для повышения температуры 1 грамма воды на 1°C.

Примеры передачи тепла

Рассмотрим следующий сценарий:

  • Теплопроводность: Когда вы держите металлическую ложку в горячем горшке с водой, тепло воды передается ложке, в конечном итоге нагревая ту часть, которую вы держите.
  • Конвекция: Когда вода нагревается в сосуде, нижний слой сначала нагревается. Горячая вода поднимается, а более холодная вода перемещается вниз, чтобы занять ее место, создавая циркулирующее движение.
  • Излучение: Тепло, которое вы чувствуете от солнца, даже если оно находится на миллионы километров, связано с передачей тепла через излучение.
СолнцеРадиатор

На рисунке показаны различные источники тепла (солнце и радиатор), передающие энергию. Стрелки указывают направление передачи тепла.

Разница между теплом и температурой

Важно различать тепло и температуру, потому что это не одно и то же. Ниже приведены некоторые ключевые отличия:

  • Природа: Температура измеряет среднюю кинетическую энергию частиц, тогда как тепло относится к энергии, передаваемой из-за температурных различий.
  • Единицы измерения: Температура измеряется в градусах Цельсия, Фаренгейта или Кельвина, тогда как тепло измеряется в джоулях или калориях.
  • Концептуальное понимание: Температура - это скалярная величина, указывающая степень горячести или холодности объекта. Тепло - это форма энергии, которая может передаваться и считается переходной формой - то есть оно не хранится в объекте.

Математические отношения

Тепло, переданное объекту или от него, можно рассчитать по следующей формуле:

Q = mcΔT

Где:

  • Q = поглощенная или освобожденная теплоэнергия (джоули)
  • m = масса объекта (в килограммах)
  • c = удельная теплоемкость (джоули на килограмм на градус Цельсия)
  • ΔT = Изменение температуры (°C)

Пример задачи

Рассмотрим практический пример, чтобы закрепить понимание:

Сколько тепла требуется для повышения температуры 2 кг воды с 20°C до 100°C, учитывая, что удельная теплоемкость воды составляет 4,18 Дж/г°C?

Решим с использованием формулы:

Q = mcΔT

Преобразовать удельную теплоемкость в Дж/кг°C, умножив ее на 1000:

  • Удельная теплоемкость (c): 4,18 Дж/г°C x 1000 = 4180 Дж/кг°C

Подставить в формулу:

Q = (2 кг) x (4180 Дж/кг°C) x (100°C - 20°C)
Q = 2 x 4180 x 80
Q = 668800 джоулей

Таким образом, для повышения температуры воды требуется 668800 джоулей.

Заключение

Понимание разницы между теплом и температурой важно в изучении термальной физики. Температура дает нам информацию об уровне кинетической энергии частиц внутри объекта, тогда как тепло представляет собой передачу энергии от одного объекта к другому. Понимая эти концепции, мы улучшаем понимание того, как энергия движется и как она используется в различных областях, от кипячения воды до работы двигателей и не только.


Десятый класс → 3.1


U
username
0%
завершено в Десятый класс


Комментарии