Mini-kurzus
Hőmérséklet és hő
A hőmérséklet egy rendszer termikus állapotát jellemző állapotjelző, a hő pedig energiaátadás, amely hőmérséklet-különbség miatt történik. Egy test tehát nem „hőt tartalmaz” ugyanabban az értelemben, ahogy belső energiája van; hőről a rendszerhatáron átlépő energiaként beszélünk.
Mit mér a hőmérséklet?
Egyszerű ideális gázban az abszolút hőmérséklet közvetlenül kapcsolódik a részecskék átlagos transzlációs kinetikus energiájához. Összetettebb anyagokban forgási, rezgési és kölcsönhatási energiák is szerepet kapnak, ezért nem pontos azt mondani, hogy a hőmérséklet „az összes részecske átlagos energiája”. A termodinamika általánosabban az egyensúly és az energiaeloszlás felől definiálja.
Hőegyensúly és nulladik főtétel
Ha A és B külön-külön termikus egyensúlyban van C rendszerrel, akkor egymással is termikus egyensúlyban vannak. Ez teszi értelmessé a hőmérsékletet mint összehasonlítható mennyiséget és a hőmérőt mint mérőeszközt. Két érintkező, különböző hőmérsékletű test között nettó energiaátadás indul, amíg el nem érik a közös egyensúlyt.
Fajhő és hőkapacitás
Fázisváltozás nélküli tartományban sok esetben Q≈mcΔT. A c fajhő azt mutatja, mennyi energia kell egységnyi tömeg hőmérsékletének egy fokkal való megváltoztatásához. Nagy fajhőjű anyag hőmérséklete ugyanakkora bevitt energia mellett kevésbé változik. A hőkapacitás C=mc az egész testre vonatkozó mennyiség.
Fázisváltozás
Olvadás vagy forrás közben tiszta anyag egyensúlyi nyomáson úgy vehet fel energiát, hogy közben a hőmérséklete lényegében állandó marad. Ekkor az energia a részecskék közötti szerkezet és kölcsönhatások megváltoztatására fordul. Az egyszerű modell Q=mL látens hővel írja le ezt. Ezért hibás minden felvett energiát automatikusan ΔT-hez kötni.
Vezetés, áramlás, sugárzás
Hővezetéskor mikroszkopikus kölcsönhatások adják tovább az energiát anyagáramlás nélkül. Konvekcióban az áramló folyadék vagy gáz is szállít energiát. Hősugárzás elektromágneses hullámokkal vákuumban is történhet. Egy valós helyzetben — például egy forró csésze ital hűlésénél — mindhárom mechanizmus egyszerre jelen lehet.
Kelvin és Celsius
A Celsius- és Kelvin-skála fokmérete azonos, ezért egy 10 K hőmérséklet-különbség számszerűen 10 °C különbségnek felel meg. Az abszolút értékek nullpontja azonban eltér: T(K)=t(°C)+273,15. Arányossági törvényekben, például az ideális gáz egyenletében, abszolút hőmérsékletet kell használni; 20 °C nem kétszer olyan meleg termodinamikailag, mint 10 °C.
Energiaáramlás iránya
Makroszkopikus spontán folyamatban a nettó hőátadás a magasabb hőmérsékletű rendszer felől az alacsonyabb felé tart. Hűtőgép képes az ellenkező irányú energiaáthelyezésre, de ehhez külső munkát igényel. Ez mutatja, hogy az energiamegmaradás önmagában nem mondja meg a folyamat irányát; a második főtétel is szükséges.
Próbáld ki
Mennyi energia kell 0,50 kg víz 20 °C-ról 30 °C-ra melegítéséhez, ha c≈4180 J/(kg·K)?
Megoldás
Q=mcΔT=0,50×4180×10≈20 900 J, azaz körülbelül 20,9 kJ. A 10 °C változás itt 10 K hőmérséklet-különbség is.