Άρθρο Ορισμός της θερμότητας Μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας Εξίσωση της θερμότητας
1. Ορισμός της θερμότητας
Αν αντικείμενα που έχουν διαφορές θερμοκρασίας αγγίζουν το ένα το άλλο, θα υπάρξει μεταφορά θερμότητας από αντικείμενα υψηλής θερμοκρασίας σε αντικείμενα χαμηλής θερμοκρασίας. Η μεταφορά θερμότητας σταματά αφού τα αντικείμενα που αγγίζουν φτάσουν στην ίδια θερμοκρασία. Για παράδειγμα, αν αναμίξουμε ζεστό νερό με κρύο νερό, η θερμότητα συνήθως μετακινείται από το ζεστό νερό στο κρύο νερό. Όταν βάζουμε ζεστό σίδερο σε κρύο νερό, η θερμότητα μετακινείται από το σίδερο στο νερό. Η θερμότητα θα σταματήσει να ρέει αφού το σίδερο και το νερό φτάσουν στην ίδια θερμοκρασία. Όταν μια νοσοκόμα τοποθετεί ένα θερμόμετρο στο σώμα σας, η θερμότητα μετακινείται από
Το σώμα σας πηγαίνει στο θερμόμετρο. Η μεταφορά θερμότητας σταματά μόλις το σώμα και το θερμόμετρο σας φτάσουν στην ίδια θερμοκρασία. Εάν το θερμόμετρο που χρησιμοποιείται είναι θερμόμετρο υδραργύρου, όταν το σώμα και το θερμόμετρο σας φτάσουν στην ίδια θερμοκρασία, η επιφάνεια του υδραργύρου σταματά να κινείται. Ο αριθμός που εμφανίζεται στην επιφάνεια του υδραργύρου είναι η θερμοκρασία του σώματός σας εκείνη τη στιγμή.
Φυσικά, η θερμότητα μετακινείται αυτόματα από αντικείμενα υψηλής θερμοκρασίας σε
αντικείμενα χαμηλής θερμοκρασίας. Η μεταφορά θερμότητας τείνει να εξισώνει τη θερμοκρασία των αντικειμένων που αγγίζουν το ένα το άλλο. Τον 18ο αιώνα, οι φυσικοί υποψιάζονταν ότι η ροή θερμότητας ήταν η κίνηση ενός ρευστού, ενός τύπου ρευστού που δεν ήταν ορατός (το ρευστό είναι μια ουσία που μπορεί να ρέει. Το ρευστό περιλαμβάνει υγρά και αέρια υλικά. Το νερό (υγρό) περιλαμβάνει ρευστό επειδή μπορεί να ρέει. Ο αέρας περιλαμβάνει επίσης ρευστό επειδή μπορεί να ρέει). Το ρευστό ονομάζεται θερμιδικό. Η θεωρία των θερμίδων δεν χρησιμοποιείται πλέον επειδή, με βάση τα αποτελέσματα του πειράματος, η ύπαρξη αυτών των θερμίδων δεν μπορεί να αποδειχθεί. Τον 19ο αιώνα, ένας Άγγλος φυσικός ονόματι James Prescott Joule (1818-1889) έμαθε πώς να θερμαίνει νερό σε ένα δοχείο χρησιμοποιώντας έναν αναδευτήρα.
Με βάση τα αποτελέσματα του πειράματος, ο Joule έκανε μια σύγκριση με το θερμαινόμενο νερό χρησιμοποιώντας φωτιά. Όταν μια φλόγα και ένα δοχείο που περιέχει νερό έρχονται σε επαφή, η θερμότητα μετακινείται από τη φωτιά (υψηλή θερμοκρασία) στο νερό (χαμηλή θερμοκρασία). Αφού έκανε συγκρίσεις μεταξύ της αυξανόμενης θερμοκρασίας του νερού λόγω της επαφής με τη φωτιά και της αυξανόμενης θερμοκρασίας του νερού λόγω του έργου που παράγεται από τον αναδευτήρα, ο Joule κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η θερμότητα είναι η ενέργεια που μετακινείται από ένα αντικείμενο υψηλής θερμοκρασίας σε ένα αντικείμενο χαμηλής θερμοκρασίας. Η θερμότητα δεν είναι ενέργεια (η θερμότητα δεν είναι ένας συγκεκριμένος τύπος ενέργειας, όπως κινητική ενέργεια, δυναμική ενέργεια, χημική ενέργεια κ.λπ.). Η θερμότητα είναι ενέργεια που μετακινείται λόγω διαφορών θερμοκρασίας. Έτσι, όταν η θερμότητα ρέει από αντικείμενα υψηλής θερμοκρασίας σε αντικείμενα χαμηλής θερμοκρασίας, η ενέργεια μετακινείται από αντικείμενα υψηλής θερμοκρασίας σε αντικείμενα χαμηλής θερμοκρασίας. Η μεταφορά ενέργειας σταματά αφού τα αντικείμενα που αγγίζουν την επιφάνεια φτάσουν στην ίδια θερμοκρασία.
2. Μονάδα θερμότητας και το μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας
Οι μονάδες θερμότητας είναι οι θερμίδες (συντομογραφία cal). Οι θερμίδες είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία 1 γραμμαρίου νερού κατά 1 βαθμό Κελσίου.o (ακριβώς, από 14.5 oC έως 15.5 oΓ). Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται ποικίλλει για διαφορετικές θερμοκρασίες νερού. Για την ίδια ποσότητα θερμότητας, μια αύξηση της θερμοκρασίας του νερού κατά 1 Co εμφανίζεται μόνο μεταξύ θερμοκρασιών 14.5 oC έως 15.5 oΓ. Οι μονάδες θερμότητας χρησιμοποιούνται συχνά, ειδικά για να δηλώσουν την αξία της ενέργειας των τροφίμων, οι χιλιοθερμίδες (kcal). 1 kcal = 1000 θερμίδες. Άλλες ονομασίες από 1 kcal = 1 Θερμίδα (μεγάλο γράμμα Κ). Η μονάδα θέρμανσης για το βρετανικό σύστημα είναι Btu (βρετανική θερμική μονάδα). 1 Btu = η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας 1 λίβρας (0.45 kg) νερού κατά 1 Fo (ακριβώς από 63 oF έως 64 oΦΑ).
Η θερμότητα σχετίζεται με την ενέργεια, επομένως πρέπει να γνωρίζουμε τη σχέση μεταξύ των μονάδων θερμότητας και των μονάδων ενέργειας. Με βάση πειράματα που διεξήγαγαν ο Joule και άλλοι επιστήμονες, είναι γνωστό ότι ένα έργο 4.186 Joule ισοδυναμεί με 1 θερμίδα θερμότητας.
1 θερμίδα = 4.186 Joule
1 kcal = 1000 θερμίδες = 4186 Joules
1 Btu = 778 πόδια (0.24 χλμ.). lb = 252 θερμίδες = 1055 Joules
(1 θερμίδα = 4.186 Joule και 1 kcal = 4186 που ονομάζεται μηχανικό ισοδύναμο θερμότητας)
3. Η εξίσωση της θερμότητας
Εάν αντικείμενα που έχουν διαφορές θερμοκρασίας αγγίζουν το ένα το άλλο, φυσικά, η θερμότητα μετακινείται από αντικείμενα υψηλής θερμοκρασίας σε αντικείμενα χαμηλής θερμοκρασίας. Η μεταφορά θερμότητας σταματά αφού και τα δύο αντικείμενα βρεθούν σε θερμική ισορροπία. Η μεταφορά θερμότητας προκαλεί αλλαγές στη θερμοκρασία των αντικειμένων που αγγίζουν το ένα το άλλο. Με βάση αυτή τη σύντομη εξήγηση, μπορείτε να συμπεράνετε ότι η θερμότητα (Q) έχει σχέση με ένα αντικείμενο και τις αλλαγές στη θερμοκρασία (ΔT) του αντικειμένου, τη μάζα του αντικειμένου (m) και τον τύπο του αντικειμένου.
Η σχέση μεταξύ θερμότητας (Q) και μεταβολής θερμοκρασίας (ΔT)
Όσο περισσότερη θερμότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η μεταβολή της θερμοκρασίας. Μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η ποσότητα θερμότητας (Q) είναι ανάλογη με την μεταβολή της θερμοκρασίας του αντικειμένου.
Q α ΔT —– Σύγκριση 1
Η σχέση μεταξύ θερμότητας (Q) και μάζας αντικειμένων (m)
Η ποσότητα θερμότητας (Q) είναι ανάλογη με την μεταβολή της θερμοκρασίας του αντικειμένου. Όσο περισσότερο νερό, τόσο περισσότερη θερμότητα χρειάζεται για να αυξηθεί η θερμοκρασία του νερού.
Q α m —– Σύγκριση 2
Η σχέση μεταξύ θερμότητας (Q) και τύπου αντικειμένου (c)
Η θερμότητα που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας ενός αντικειμένου είναι ανάλογη με τον τύπο του αντικειμένου.
Q α c —– Σύγκριση 3
Οι τρεις παραπάνω συγκρίσεις συνδυάζονται σε μια εξίσωση:
Q α mc ΔT
Q = mc ΔT
Αυτή είναι η εξίσωση της θερμότητας.
Περιγραφή: Q = θερμότητα (Joule), m = μάζα του αντικειμένου (kg), c = ειδική θερμότητα (J / kg C o ή K)
