Temperatuur ja soojus

Temperatuur kirjeldab süsteemi termilist olekut, soojus Q aga energiat, mis kandub üle temperatuurierinevuse tõttu. Need pole sünonüümid: väike kuum keha võib olla kõrge temperatuuriga, kuid sisaldada vähe kogu soojusenergiat.

Põhiseos: Q = mcΔT; Q = mL
T₁T₂Q

Interaktiivne arvutus

Mudel ja põhiseos

Faasimuutuseta kasutatakse sageli Q=mcΔT, kus c on erisoojus. Seos eeldab, et c ei muutu uuritud temperatuurivahemikus liiga palju.

Seost tuleb alati lugeda koos eeldustega. SI-ühikud, vektorite suunad ja taustsüsteemi valik ei ole vormistusdetailid: need määravad, mida tegelikult arvutatakse ja kas valemit võib kasutada ilma lisaliikmeteta.

Füüsikaline tähendus

Termodünaamilist temperatuuri mõõdetakse kelvinites ja 0 K on absoluutse nulli piir. Temperatuurivahe 1 K on sama suur kui 1 °C, kuid skaalade nullpunktid on erinevad.

Füüsikaline pilt on kasulikum kui valemi päheõppimine. Tasub küsida, milline suurus kannab energiat või impulssi, milline vastastikmõju tekitab vastuse ning milline sümmeetria lubab probleemi lihtsustada. Siis muutuvad nii märk kui ka suurusjärk arusaadavaks.

Mis tulemust muudab

Faasimuutusel võib energia kanduda üle temperatuurimuutuseta: Q=mL. Seetõttu on kuumutuskõveral sulamise või keemise ajal konstantse rõhu korral platoo.

Hea kvantitatiivne kontroll algab võrdelisustest. Kui pikkus kahekordistub, mass kasvab või väljatugevus muutub, näitab seos kohe, kas tulemus muutub lineaarselt, ruuduga või pöördvõrdeliselt. See annab enne arvutamist tugeva mõistlikkuse kontrolli.

Piirangud ja mõõtmine

Soojus levib juhtivuse, konvektsiooni ja kiirguse kaudu. Termiline tasakaal tähendab, et temperatuurierinevusest põhjustatud netoenergia ülekanne puudub.

Reaalses süsteemis esinevad kaod, ebaühtlus ja mõõtkava piirangud. Mõõtetulemust tuleb vaadelda koos määramatusega ning kontrollida, kas ideaalne mudel on endiselt piisav. Väike kõrvalekalle ei tähenda automaatselt arvutusviga, vaid võib olla mudeli piirangu loomulik tagajärg.

Tõlgendus ja rakendus

Termodünaamika esimene seadus seob soojuse, töö ja siseenergia. Märgikonventsioon tuleb alati selgelt määrata, sest töö märki defineeritakse eri allikates erinevalt.

Rakenduses kontrollime vastust vähemalt kolmel viisil: mõõtmed, märk ja piirjuhud. Kui mõni parameeter läheneb nullile või muutub väga suureks, peab ennustus jääma füüsikaliselt mõistlikuks. Selline kontroll leiab eksimuse sageli kiiremini kui kogu arvutuse kordamine.

Lahendatud ülesanded

Ülesanne 1

Arvuta: arvuta Q=mcΔT abil. Antud: m=0,50 kg, c=4180 J·kg⁻¹·K⁻¹, ΔT=10 K.

Lahendus: Q=20,9 kJ

Ülesanne 2

Arvuta: arvuta Q=mcΔT abil. Antud: m=0,20 kg, c=900 J·kg⁻¹·K⁻¹, ΔT=25 K.

Lahendus: Q=4,50 kJ

Ülesanne 3

Arvuta: arvuta Q=mcΔT abil. Antud: m=0,10 kg, L=334 kJ·kg⁻¹.

Lahendus: Q=33,4 kJ