Temperatur og varme

Temperatur og termisk ligevægt

To systemer i termisk ligevægt har samme temperatur og ingen netto-varmestrøm mellem sig. I en monatomar idealgas er temperatur tæt knyttet til middel translational kinetisk energi; i væsker og faste stoffer bidrager også interaktioner og vibrationer til den indre energi.

Varmekapacitet og temperaturændring

Uden faseændring og ved omtrent konstant specifik varmekapacitet gælder q = mcΔT. Et helt legemes varmekapacitet er ekstensiv; specifik varmekapacitet er pr. masse, molar varmekapacitet pr. mol.

Latent varme og faseændringer

Under en førsteordens faseovergang ved fast tryk kan energi optages eller frigives uden temperaturændring: q = nΔH_overgang. Ved smeltning ændres den faste struktur; ved fordampning bruges energi på at adskille molekyler mod intermolekylære tiltrækninger.

Kalorimetri som energibalance

I et isoleret kalorimeter gælder omtrent q_varm + q_kold + q_kalorimeter = 0. Uden ekstra reaktion eller faseændring ligger sluttemperaturen mellem starttemperaturerne.

I virkelige forsøg må varmetab, beholderens varmekapacitet og følerens respons medregnes.

Kelvin, Celsius og temperaturforskelle

En forskel på 1 K er lige så stor som 1 °C, så begge kan bruges for ΔT i q = mcΔT. Ligninger med absolut temperatur, såsom gaslove og entropirelationer, kræver kelvin.

0 K er det termodynamiske nulpunkt, men ikke nødvendigvis “ingen energi”; kvantesystemer kan have nulpunktsenergi.

Mekanismer for varmeoverførsel

Varmeledning overfører energi gennem mikroskopiske vekselvirkninger i stof; konvektion transporterer energi med en bevægende væske eller gas; varmestråling transporterer energi elektromagnetisk og kræver intet materielt medium.

I virkelige systemer virker alle tre ofte samtidig. Et afkølende metallegeme leder energi internt, afgiver varme til luften ved konvektion og udsender infrarød stråling.

Fra mikroskopisk bevægelse til varmeteknik

Varmekapacitet afslører indre frihedsgrader

En ideal monoatomig gas lagrer termisk energi hovedsageligt i translation. Molekyler kan desuden lagre energi i rotation og vibration, når disse moder er termisk tilgængelige. Derfor varierer molare varmekapaciteter mellem stoffer og kan ændre sig med temperaturen.

I faste stoffer er mange vibrationsmoder næsten frosset ud ved lav temperatur, mens flere moder bidrager ved højere temperatur.

Termisk udvidelse betyder ikke, at atomer bliver større

Opvarmning øger normalt den gennemsnitlige atomafstand, fordi de interatomare potentialbrønde er asymmetriske. Atomerne selv svulmer ikke op. Effekten er lille, men vigtig i broer, skinner, præcisionsinstrumenter og bimetalstrimler.

Afkølingshastighed er et transportproblem

Termodynamikken forudsiger den endelige ligevægtstemperatur; varmeoverførsel bestemmer, hvor hurtigt den nås. Newtons afkølingslov er ofte en nyttig tilnærmelse, når konvektivt varmetab omtrent er proportionalt med temperaturforskellen til omgivelserne.

Geometri, luftstrøm, emissivitet og varmeledningsevne kan ændre afkølingstiden kraftigt uden at ændre ligevægtstilstanden.

Gennemregnede eksempler

Varmekapacitet

200 g vand opvarmes 10 K, c = 4,18 J g⁻¹ K⁻¹.

Faseplateau

Hvorfor kan temperaturen være konstant, mens is smelter?

Kelvin

Kan °C sættes direkte ind i PV = nRT?