Фізика тепла
Наприкінці цього розділу ви зможете:
- Визначте тепло як передачу енергії.
У главі Робота, енергія та енергетичні ресурси ми визначили роботу як силу, відстань і дізналися, що робота, що виконується на об'єкті, змінює його кінетичну енергію. Ми також бачили в температурах, кінетичній теорії та газових законах, що температура пропорційна (середній) кінетичній енергії атомів і молекул. Ми говоримо, що теплова система має певну внутрішню енергію: її внутрішня енергія вища, якщо температура вище. Якщо два об'єкти при різних температурах контактують між собою, енергія передається від більш гарячого до більш холодного об'єкта до досягнення рівноваги і досягнення тілами теплової рівноваги (тобто вони мають однакову температуру). Жоден об’єкт не виконує жодної роботи, оскільки жодна сила не діє через відстань. Передача енергії зумовлена різницею температур і припиняється, коли температури дорівнюють. Ці спостереження приводять до наступного визначення тепла: Тепло - це спонтанна передача енергії через різницю температур.
Як зазначалося в розділі "Температура, кінетична теорія та газові закони", тепло часто плутають з температурою. Наприклад, ми можемо сказати, що спека була нестерпною, коли насправді маємо на увазі, що температура була високою. Тепло є формою енергії, тоді як температура - ні. Помилка виникає через те, що ми чутливі до потоку тепла, а не до температури.
Завдяки тому, що тепло є формою енергії, воно має одиницю виміру СІ джоулів (J). Калорія (кал) є загальною одиницею енергії, що визначається як енергія, необхідна для зміни температури 1,00 г води на 1,00 ºC - зокрема, між 14,5 ºC та 15,5 ºC, оскільки існує невелика температурна залежність. Мабуть, найпоширенішою одиницею тепла є кілокалорія (ккал), яка є енергією, необхідною для зміни температури 1,00 кг води на 1,00ºC. Оскільки маса найчастіше вказується в кілограмах, зазвичай використовують кілокалорію. Харчові калорії (з урахуванням позначення Cal, а їх іноді називають "великими калоріями") насправді є кілокалоріями (1 кілокалорія = 1000 калорій), що нелегко визначити з маркування упаковки.
Рисунок 1. На малюнку (а) безалкогольний напій і лід мають різні температури, Т1 і Т2, і не перебувають у тепловій рівновазі. На малюнку (b), коли безалкогольному напою та льоду дозволяється взаємодіяти, енергія передається, поки вони не досягнуть однакової температури T ′, досягаючи рівноваги. Передача тепла відбувається через різницю температур. Насправді, оскільки безалкогольний напій і лід контактують із навколишнім повітрям і лавочкою, рівноважна температура буде однаковою для обох.