Temperatura i ciepło

Temperatura i zerowa zasada termodynamiki

Jeśli układ A jest w równowadze termicznej z C, a B także z C, to A i B mają tę samą temperaturę. To jest praktyczna podstawa działania termometru.

Temperatura nie jest po prostu całkowitą energią wewnętrzną. Dwa układy mogą mieć tę samą temperaturę, ale bardzo różne energie wewnętrzne ze względu na masę, skład i dostępne stopnie swobody.

Kelvin i stopnie Celsjusza

Skala Kelvina ma to samo rozmiarowo przesunięcie co skala Celsjusza: różnica 1 K odpowiada różnicy 1 °C. Związek wartości to T(K) = t(°C) + 273,15.

W równaniach termodynamicznych, w których temperatura występuje jako bezwzględna wielkość — np. w prawie gazu doskonałego — należy używać kelwinów, nie stopni Celsjusza.

Ogrzewanie bez przemiany fazowej

Jeśli nie zachodzi przemiana fazowa i pojemność cieplna jest w przybliżeniu stała, przekazane ciepło można opisać Q = mcΔT. c jest ciepłem właściwym materiału.

Znak Q zależy od przyjętej konwencji. W typowej konwencji termodynamicznej Q > 0 oznacza energię przekazaną do układu. Sam wzór nie mówi, skąd ta energia przyszła.

Przemiany fazowe

Podczas topnienia lub wrzenia energia może być przekazywana bez zmiany temperatury, ponieważ zmienia konfigurację oddziaływań między cząstkami. Wtedy używamy Q = mL.

L jest ciepłem utajonym właściwym dla danej przemiany i warunków. Łączny proces ogrzewania może wymagać kilku etapów: mcΔT, następnie mL, a potem ponownie mcΔT w nowej fazie.

Trzy mechanizmy przekazywania energii

Przewodzenie przenosi energię przez mikroskopowe zderzenia i oddziaływania w materiale; konwekcja wiąże się z ruchem mas płynu; promieniowanie elektromagnetyczne może przenosić energię nawet przez próżnię.

W realnych układach te mechanizmy często działają jednocześnie. Metalowa łyżka w gorącej zupie przewodzi energię, płyn konwekcyjnie krąży, a powierzchnie także emitują i pochłaniają promieniowanie.

Mikroskopowe znaczenie temperatury

W prostym gazie temperatura wiąże się statystycznie z rozkładem energii ruchu cząstek. W ciałach stałych i cząsteczkach dochodzą drgania, rotacje i oddziaływania.

Dlatego zdanie „temperatura to energia kinetyczna” jest zbyt uproszczone jako definicja ogólna. Temperatura jest zmienną stanu z precyzyjną rolą termodynamiczną, a szczegółowa interpretacja mikroskopowa zależy od układu.

Bilans energii między ciałami

Gdy dwa izolowane ciała o różnych temperaturach kontaktują się termicznie, energia tracona przez cieplejsze jest równa energii zyskiwanej przez chłodniejsze, jeśli pomijamy straty do otoczenia. Temperatura końcowa wynika z bilansu energii, a nie ze zwykłej średniej temperatur.

Zwykła średnia pojawia się tylko w szczególnym przypadku równych pojemności cieplnych. Jeśli masy lub ciepła właściwe są różne, temperatura równowagi przesuwa się w stronę ciała o większej pojemności cieplnej mc.

Przykłady rozwiązane

1. 0,50 kg wody o 20 K

2. Topnienie lodu

3. 20 °C w kelwinach