Temperatur och värme

Temperatur och termisk jämvikt

Två system i termisk jämvikt har samma temperatur och inget nettoflöde av värme mellan sig. I en monoatomär ideal gas är temperaturen nära kopplad till genomsnittlig translationell kinetisk energi; i vätskor och fasta ämnen bidrar också interaktioner och vibrationer till den inre energin.

Värmekapacitet och temperaturändring

Utan fasövergång och med ungefär konstant specifik värmekapacitet gäller q = mcΔT. Ett helt föremåls värmekapacitet är extensiv; specifik värmekapacitet anges per massa och molär värmekapacitet per mol.

Latent värme och fasövergångar

Under en första ordningens fasövergång vid fixerat tryck kan energi tas upp eller avges utan att temperaturen ändras: q = nΔH_övergång. Vid smältning ändras den fasta strukturen; vid förångning används energi för att separera molekyler mot intermolekylära attraktionskrafter.

Kalorimetri som energibalans

I en isolerad kalorimeter gäller ungefär q_varm + q_kall + q_kalorimeter = 0. Utan extra reaktion eller fasövergång ligger sluttemperaturen mellan starttemperaturerna.

I verkliga experiment måste värmeförluster, behållarens värmekapacitet och sensorns respons tas med.

Kelvin, Celsius och temperaturskillnader

En skillnad på 1 K är lika stor som 1 °C, så båda kan användas för ΔT i q = mcΔT. Ekvationer med absolut temperatur, som gaslagar och entropirelationer, kräver kelvin.

0 K är den termodynamiska nollpunkten men inte nödvändigtvis “ingen energi”; kvantsystem kan ha nollpunktsenergi.

Mekanismer för värmeöverföring

Värmeledning överför energi genom mikroskopiska växelverkningar i materia; konvektion transporterar energi med en strömmande vätska eller gas; värmestrålning transporterar energi elektromagnetiskt och kräver inget materiellt medium.

I verkliga system verkar ofta alla tre samtidigt. Ett metallföremål som kyls i luft leder energi internt, avger värme till luften genom konvektion och strålar infraröd energi.

Från mikroskopisk rörelse till värmeteknik

Värmekapacitet avslöjar inre frihetsgrader

En ideal monoatomär gas lagrar termisk energi främst i translation. Molekyler kan dessutom lagra energi i rotation och vibration när dessa moder är termiskt tillgängliga. Därför skiljer sig molära värmekapaciteter mellan ämnen och kan variera med temperaturen.

I fasta ämnen är många vibrationsmoder nästan frusna vid låg temperatur, medan fler moder bidrar när temperaturen stiger.

Termisk expansion betyder inte att atomer blir större

Uppvärmning ökar vanligen det genomsnittliga atomavståndet eftersom interatomära potentialbrunnar är asymmetriska. Atomerna själva sväller inte. Effekten är liten men viktig i broar, räls, precisionsinstrument och bimetallremsor.

Avkylningshastighet är ett transportproblem

Termodynamiken förutsäger den slutliga jämviktstemperaturen; värmeöverföringen avgör hur snabbt den nås. Newtons avkylningslag är ofta en användbar approximation när konvektiv värmeförlust ungefär är proportionell mot temperaturskillnaden till omgivningen.

Geometri, luftflöde, emissivitet och värmeledningsförmåga kan ändra avkylningstiden kraftigt utan att ändra jämviktstillståndet.

Lösta exempel

Värmekapacitet

200 g vatten värms 10 K, c = 4,18 J g⁻¹ K⁻¹.

Fasplatå

Varför kan temperaturen vara konstant när is smälter?

Kelvin

Kan °C användas direkt i PV = nRT?