Temperatura i toplina

Temperatura i nulti zakon termodinamike

Ako je sustav A u toplinskoj ravnoteži s C, a sustav B također s C, A i B imaju istu temperaturu. To je praktična osnova rada termometra.

Temperatura nije jednostavno ukupna unutarnja energija. Dva sustava mogu imati istu temperaturu, a vrlo različite unutarnje energije zbog mase, sastava i dostupnih stupnjeva slobode.

Kelvini i stupnjevi Celzija

Kelvinova ljestvica ima jednako velik korak kao Celzijeva: razlika 1 K odgovara razlici 1 °C. Vrijednosti povezuje T(K) = t(°C) + 273,15.

U termodinamičkim jednadžbama gdje se pojavljuje apsolutna temperatura — primjerice u jednadžbi idealnog plina — treba koristiti kelvine, a ne stupnjeve Celzija.

Zagrijavanje bez fazne promjene

Ako nema fazne promjene i specifični toplinski kapacitet približno je stalan, koristimo Q = mcΔT. c je specifični toplinski kapacitet materijala.

Predznak Q ovisi o dogovoru. U uobičajenom termodinamičkom dogovoru Q > 0 znači energiju prenesenu u sustav. Sama jednadžba ne govori odakle je energija došla.

Fazne promjene

Tijekom taljenja ili vrenja energija se može prenositi bez promjene temperature jer mijenja raspored i interakcije čestica. Tada koristimo Q = mL.

L je specifična latentna toplina za određenu promjenu i uvjete. Cijeli proces zagrijavanja može imati više koraka: mcΔT, zatim mL i ponovno mcΔT u novoj fazi.

Tri mehanizma prijenosa energije

Vođenje prenosi energiju mikroskopskim interakcijama u materijalu, konvekcija je povezana s gibanjem mase fluida, a elektromagnetsko zračenje može prenositi energiju i kroz vakuum.

U stvarnim sustavima često djeluju sva tri mehanizma istodobno. Metalna žlica vodi energiju, tekućina kruži konvekcijom, a površine istodobno zrače i apsorbiraju zračenje.

Mikroskopsko značenje temperature

U jednostavnom plinu temperatura je statistički povezana s raspodjelom energije gibanja čestica. U čvrstim tvarima i molekulama doprinose i vibracije, rotacije i interakcije.

Tvrdnja „temperatura je kinetička energija“ zato je kao opća definicija pregruba. Temperatura je veličina stanja s preciznom termodinamičkom ulogom, a mikroskopsko tumačenje ovisi o sustavu.

Energetska bilanca između tijela

Kada su dva izolirana tijela različitih temperatura u toplinskom kontaktu, energija koju izgubi toplije tijelo jednaka je energiji koju primi hladnije ako zanemarimo okolinu. Konačna temperatura slijedi iz energetske bilance, a ne iz običnog prosjeka temperatura.

Obični prosjek dobiva se samo u posebnom slučaju jednakih toplinskih kapaciteta. Ako se mase ili specifični toplinski kapaciteti razlikuju, ravnotežna temperatura pomiče se prema tijelu s većim toplinskim kapacitetom mc.

Riješeni primjeri

1. 0,50 kg vode za 20 K

2. Taljenje leda

3. 20 °C u kelvinima