อุณหภูมิและความร้อน

อุณหภูมิเป็นตัวแปรสถานะที่บอกสภาวะความร้อนของระบบ ส่วนความร้อนคือพลังงานที่ถ่ายผ่านขอบเขตเพราะมีความต่างอุณหภูมิ การสับสนสองคำนี้ทำให้เข้าใจ calorimetry และการเปลี่ยนเฟสผิดได้ง่าย

อุณหภูมิหมายถึงอะไร

อุณหภูมิ thermodynamic บนสเกล Kelvin เชื่อมกับ absolute zero ในแก๊สอุดมคติ พลังงานจลน์เชิงการเลื่อนเฉลี่ยแปรตาม T แต่ในของแข็ง ของเหลว และโมเลกุลซับซ้อนยังมี degree of freedom อื่น จึงไม่ควรนิยามอุณหภูมิว่าเป็นเพียงพลังงานจลน์เฉลี่ยทุกกรณี

ช่วงอุณหภูมิ 1 K มีขนาดเท่ากับ 1 °C แต่สมการที่ใช้ absolute temperature เช่น PV=nRT ต้องใช้ Kelvin

ความร้อนคือการถ่ายพลังงาน

วัตถุไม่ได้ 'เก็บความร้อน' เป็นตัวแปรสถานะ มันเก็บพลังงานภายใน ส่วน Q ใช้บอกพลังงานที่ถ่ายเพราะ temperature difference เมื่อการถ่ายจบ Q เป็นข้อมูลของกระบวนการ ไม่ใช่คุณสมบัติของสถานะ

งานก็เป็นอีกวิธีถ่ายพลังงาน กฎข้อหนึ่งอาจเขียน ΔU=Q+W_on หรือใช้ sign convention อื่นได้ จึงต้องระบุความหมายของเครื่องหมายก่อนคำนวณ

specific heat และ calorimetry

เมื่อไม่มีการเปลี่ยนเฟสและ c คงที่ประมาณหนึ่ง ใช้ Q=mcΔT ได้ ถ้า c เปลี่ยนกับ T อย่างมีนัยสำคัญควรใช้ integral m∫c(T)dT

ใน calorimetry แบบ insulated ผลรวม Q ของทุกส่วนที่แลกเปลี่ยนกันควรใกล้ศูนย์ แต่ calorimeter เองมี heat capacity และอาจต้องรวมในสมการด้วย

latent heat

ระหว่างการเปลี่ยนเฟส พลังงานสามารถเปลี่ยนโครงสร้างระหว่างโมเลกุลโดยอุณหภูมิแทบคงที่ แบบจำลองพื้นฐานใช้ Q=mL เช่น latent heat of fusion หรือ vaporization

ดังนั้นช่วง plateau บนกราฟ heating ไม่ได้แปลว่าไม่มีพลังงานเข้า พลังงานอาจกำลังเปลี่ยนสัดส่วนของสองเฟส

สมดุลความร้อนและกฎข้อศูนย์

ถ้า A สมดุลความร้อนกับ B และ B สมดุลกับ C แล้ว A กับ C มีอุณหภูมิเท่ากัน หลัก zeroth law นี้เป็นรากฐานของการใช้ thermometer

เวลาที่ใช้ไปถึง equilibrium ขึ้นกับ conductivity, convection, geometry และ contact area ซึ่งเป็นปัญหาการถ่ายเทความร้อนคนละเรื่องกับค่าอุณหภูมิสุดท้าย

การนำ การพา และการแผ่รังสี

ความร้อนถ่ายได้หลายกลไก การนำเกิดจากการส่งต่อพลังงานภายในวัสดุ การพาเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่มวลของของไหล และการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ต้องมีตัวกลาง

อัตราการถ่ายไม่ใช่สิ่งเดียวกับปริมาณความร้อนรวม วัสดุสองชิ้นอาจจบที่อุณหภูมิเดียวกันแต่ใช้เวลาต่างกันมากเพราะ thermal conductivity และ geometry ต่างกัน

ในสุญญากาศ conduction และ convection ผ่านช่องว่างหายไป แต่ radiation ยังถ่ายพลังงานได้

การขยายตัวทางความร้อน

อุณหภูมิที่เปลี่ยนยังทำให้ขนาดวัสดุเปลี่ยนได้ สำหรับช่วงเล็กใช้ ΔL≈αL₀ΔT โดย α เป็นสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น ปรากฏการณ์นี้สำคัญต่อรอยต่อสะพาน เครื่องมือวัด และการประกอบวัสดุต่างชนิด.

แบบฝึกหัด

น้ำ

0.50 kg, c=4180 J kg⁻¹ K⁻¹, ΔT=10 K

เฉลย: Q≈20.9 kJ

น้ำแข็ง

0.10 kg, L_f=334 kJ kg⁻¹

เฉลย: Q≈33.4 kJ

แปลงหน่วย

25 °C

เฉลย: 298.15 K