Hitastig og varmi

Hitastig sem orkukvarði

Í hugsjónareinatóma gasi er meðalhreyfiorka færsluhreyfingar í hlutfalli við algilt hitastig. Í vökvum og föstum efnum er sambandið flóknara því orka geymist líka í titringi, snúningi og víxlverkunum. Tveir hlutir við sama hitastig eru í varmajafnvægi þótt heildar innri orka þeirra geti verið mjög ólík.

Skynjanlegur varmi og varmarýmd

q = mcΔT

Án fasabreytingar og yfir bil þar sem eðlisvarmi c er nær fastur má skrifa varmaflutning q = mcΔT. Varmarýmd gildir um heilan hlut og vex með efnismagni; eðlisvarmi er á massaeiningu og mólvarmarýmd á mól. Við fasabreytingu getur viðbótarorka breytt byggingu án þess að hitastig hækki.

Dulvarmi og fasabreytingar

q = nΔH_transition

Við fyrsta stigs fasabreytingu undir föstum þrýstingi má taka upp eða gefa frá sér orku án hitabreytingar: q = nΔHtransition. Við bráðnun raskast skipan fasta efnisins; við uppgufun þarf að skilja sameindir að gegn aðdráttarkröftum. Því nægir myndin „hærra hitastig = hraðari agnir“ ekki til að lýsa allri varmaorku.

Varmamæling sem varðveisla orku

q_hot + q_cold + q_calorimeter = 0

Í vel einangruðum varmamæli er summa varmaskipta um það bil núll: qhot + qcold + qcalorimeter = 0. Ef engin efnahvarf eða fasabreyting veitir aukaorku verður lokahitastigið að liggja milli upphafshita heita og kalda hlutans. Í raunverulegum mælingum þarf að leiðrétta fyrir varmatapi, varmarýmd íláts og svörun hitamælis.

Kelvin, Celsíus og hitamunur

Hitamunur 1 K er jafn stór og 1 °C, þannig að báðar einingar má nota fyrir ΔT í q = mcΔT. Jöfnur sem krefjast algilds hitastigs, svo sem kjörgaslögmálið og mörg óreiðusambönd, verða hins vegar að nota kelvin. 0 K er varmafræðilegt núllmark en ekki „engin orka“ í öllum skilningi; skammtakerfi geta haft núllpunktsorku.

Leiðir varmaflutnings

Varmaleiðni flytur orku með smásæjum víxlverkunum í efni; varmastreymi flytur orku með hreyfingu vökva eða lofttegundar; varmageislun flytur orku rafsegullega og þarf engan efnislegan miðil. Kólnandi málmhlutur í lofti getur notað allar þrjár leiðir samtímis.

Frá smásærri hreyfingu til varmatækni

Varmarýmd sýnir innri frelsisgráður

Einatóma hugsjónagas geymir varmaorku aðallega í færsluhreyfingu, en sameindir geta einnig geymt orku í snúningi og titringi þegar þeir mátar eru aðgengilegir við hitastigið. Þess vegna er mólvarmarýmd mismunandi milli efna og getur breyst með hitastigi. Í föstum efnum verða fleiri titringsmátar einnig aðgengilegir eftir því sem hitastig hækkar.

Varmþensla þýðir ekki að atóm stækki

Upphitun eykur oft meðalbil milli atóma vegna þess að millisameindar- eða milliatómapotensíall er ósamhverfur. Atómin sjálf bólgna ekki. Áhrifin eru lítil í mörgum föstum efnum en mikilvæg í brúm, járnbrautarteinum, nákvæmnitækjum og tvímálmsræmum.

Kólnunarhraði er flutningsvandamál

Varmafræði spáir fyrir um lokajafnvægið; varmaflutningur ræður hversu hratt það næst. Kólnunarlögmál Newtons er oft gagnleg nálgun þegar varmatap með varmastreymi er nær í hlutfalli við hitamun við umhverfi. Lögun, loftflæði, geislunarstuðull og varmaleiðni geta breytt tímanum mikið án þess að lokajafnvægi breytist.

Reiknidæmi: blöndun vatns

Blandaðu 100 g af vatni við 80 °C og 100 g við 20 °C í hugsjónareinangruðu íláti. Þar sem massi og varmarýmd beggja hluta eru jöfn gefur orkuvarðveisla lokahitastig 50 °C. Væri heiti hlutinn kopar yrði lokahitastigið nær upphafshita vatnsins vegna mun minni eðlisvarma kopars.

Orka við suðu

Við 1 atm getur fljótandi vatn haldist nær 100 °C þótt orka sé enn lögð til, því hún fer í uppgufun. Hitastig hækkar aftur fyrst þegar fasabreytingu er lokið eða þrýstingur breytist.

Æfingar

Varmarýmd

Hve mikinn varma þarf til að hita 200 g af vatni um 10 K ef c = 4,18 J g⁻¹ K⁻¹?

Fasaflötur

Hvers vegna getur hitastig haldist stöðugt meðan ís bráðnar?

Kelvin

Má nota °C beint í PV = nRT?