Temperatura in toplota

Temperatura in ničti zakon termodinamike

Če je sistem A v toplotnem ravnovesju s C in je tudi B v ravnovesju s C, imata A in B enako temperaturo. To je praktična osnova termometra.

Temperatura ni preprosto celotna notranja energija. Dva sistema imata lahko isto temperaturo, a zelo različni notranji energiji zaradi mase, sestave in razpoložljivih prostostnih stopenj.

Kelvini in stopinje Celzija

Kelvinova lestvica ima enako velik korak kot Celzijeva: razlika 1 K ustreza razliki 1 °C. Vrednosti povezuje T(K) = t(°C) + 273,15.

V termodinamičnih enačbah, kjer nastopa absolutna temperatura — na primer v enačbi idealnega plina — moramo uporabljati kelvine, ne stopinj Celzija.

Segrevanje brez faznega prehoda

Če ni faznega prehoda in je specifična toplotna kapaciteta približno konstantna, uporabimo Q = mcΔT. c je specifična toplotna kapaciteta snovi.

Predznak Q je odvisen od dogovora. V običajnem termodinamičnem dogovoru Q > 0 pomeni energijo, preneseno v sistem. Enačba sama ne pove, od kod je energija prišla.

Fazni prehodi

Med taljenjem ali vrenjem se energija lahko prenaša brez spremembe temperature, ker spreminja razporeditev in interakcije delcev. Takrat uporabimo Q = mL.

L je specifična latentna toplota za določen prehod in pogoje. Celotno segrevanje lahko zahteva več korakov: mcΔT, nato mL in nato znova mcΔT v novi fazi.

Trije mehanizmi prenosa energije

Prevajanje prenaša energijo z mikroskopskimi interakcijami v snovi, konvekcija je povezana z gibanjem mase tekočine, elektromagnetno sevanje pa prenaša energijo tudi skozi vakuum.

V realnih sistemih pogosto delujejo vsi trije mehanizmi hkrati. Kovinska žlica prevaja energijo, tekočina kroži s konvekcijo, površine pa hkrati sevajo in absorbirajo sevanje.

Mikroskopski pomen temperature

V preprostem plinu je temperatura statistično povezana z razporeditvijo energije gibanja delcev. V trdnih snoveh in molekulah prispevajo tudi vibracije, rotacije in interakcije.

Trditev „temperatura je kinetična energija“ je zato kot splošna definicija preveč groba. Temperatura je spremenljivka stanja z natančno termodinamično vlogo, mikroskopska razlaga pa je odvisna od sistema.

Energijska bilanca med telesoma

Ko sta dve izolirani telesi z različnima temperaturama v toplotnem stiku, je energija, ki jo izgubi toplejše telo, enaka energiji, ki jo prejme hladnejše, če zanemarimo okolico. Končna temperatura sledi iz energijske bilance, ne iz preprostega povprečja temperatur.

Navadno povprečje dobimo le v posebnem primeru enakih toplotnih kapacitet. Če se mase ali specifične toplotne kapacitete razlikujejo, se ravnovesna temperatura pomakne proti telesu z večjo toplotno kapaciteto mc.

Rešeni primeri

1. 0,50 kg vode za 20 K

2. Taljenje ledu

3. 20 °C v kelvinih