Lämpötila ja lämpö
Lämpötila ja lämpö eivät ole sama asia. Lämpötila on tilasuure, joka määrää spontaanin lämmönsiirron suunnan; lämpö Q on energiaa, joka siirtyy systeemirajan yli lämpötilaeron vuoksi. Systeemillä on sisäenergiaa, ei “varastoitua lämpöä” aineena.
Mikroskooppinen tulkinta
Ideaalisessa yksiatomisessa kaasussa keskimääräinen translaatiokineettinen energia on 3/2 k_BT. Monimutkaisissa aineissa myös värähtelyt, rotaatiot ja vuorovaikutukset osallistuvat sisäenergiaan.
Lämpökapasiteetti
Ilman faasimuutosta Q≈mcΔT sopivalla lämpötila-alueella. Ominaislämpökapasiteetti riippuu aineesta ja joskus lämpötilasta. Kaasuilla c_p ja c_v eroavat, koska vakiopaineessa laajeneminen tekee työtä.
Faasimuutos
Sulamisen tai kiehumisen aikana energiaa voi siirtyä ilman lämpötilan nousua ideaalissa tasapainemallissa. Energia muuttaa aineen mikroskooppista rakennetta ja vuorovaikutusten energiaa.
Johtuminen
Lämmönjohtumisessa energia siirtyy aineen sisällä mikroskooppisten törmäysten, värähtelyjen ja metalleissa elektronien avulla. Nettovirta kulkee lämpimämmästä kylmempään.
Konvektio
Konvektiossa liikkuva fluidi kuljettaa sisäenergiaa. Luonnollisessa konvektiossa tiheyserot ja noste tuottavat virtauksen; pakotetussa pumppu tai puhallin liikuttaa fluidia.
Säteily
Sähkömagneettinen lämpösäteily ei tarvitse ainetta ja toimii myös tyhjiössä. Nettosäteily riippuu lämpötiloista, emissiivisyydestä ja geometriasta.
Kelvin
Termodynaamisissa suhteissa käytetään absoluuttista Kelvin-asteikkoa. 0 K on lämpötilan alarajan ideaali, ei mielivaltainen Celsiusasteikon siirto.
Kalorimetria
Eristetyssä kalorimetrissä luovutetun ja vastaanotetun energian summa on likimain nolla. Tuntematon lämpökapasiteetti voidaan päätellä tasapainolämpötilasta, jos myös astian lämpökapasiteetti ja mahdolliset faasimuutokset huomioidaan.
Intensiivinen ja ekstensiivinen
Lämpötila on intensiivinen: kaksi samanlämpöistä vesimäärää ovat samassa lämpötilassa riippumatta massasta. Sisäenergia on ekstensiivinen, joten suurempi vesimäärä sisältää samassa tilassa enemmän kokonaisenergiaa.
Mustan kappaleen säteily
Kuumempi kappale säteilee enemmän energiaa ja sen spektrin huippu siirtyy lyhyemmille aallonpituuksille. Lämpösäteily yhdistää termodynamiikan kvanttifysiikkaan eikä vaadi mekaanista väliainetta.
Lämpötilaero on ajava voima
Lämmönsiirron nopeus riippuu paitsi lämpötilaerosta myös materiaalin lämmönjohtavuudesta, pinta-alasta, geometriasta ja konvektiosta. Sama ΔT voi siksi tuottaa hyvin erilaisen lämpövirran villassa, kuparissa tai liikkuvassa vedessä.
Harjoitus
200 g vettä lämpenee 10 K. c≈4180 J/(kg K). Kuinka paljon energiaa tarvitaan?
Ratkaisu
Q=0,200·4180·10≈8,36 kJ.