Температура і теплота
Температура характеризує тепловий стан і визначає напрям самовільного теплообміну, а теплота — це енергія, що передається через різницю температур. Це різні фізичні величини: тіло не “містить теплоту” як запас речовини.
Температура
На мікроскопічному рівні температура пов’язана зі статистичним розподілом енергії між ступенями вільності системи. Для ідеального одноатомного газу середня поступальна кінетична енергія частинки пропорційна абсолютній температурі, але в складніших системах енергія також зберігається у обертанні, коливаннях і взаємодіях.
Теплота як процес
Позначення Q описує енергію, передану внаслідок різниці температур. Після завершення передачі ця енергія стає частиною внутрішньої енергії або може перейти у роботу. Тому коректніше говорити “система отримала 100 Дж теплоти”, а не “в ній є 100 Дж теплоти”.
Теплоємність
Для невеликого температурного інтервалу без фазового переходу Q = mcΔT. Питома теплоємність c залежить від речовини і умов. Вода має велику теплоємність, тому може поглинути багато енергії при відносно невеликій зміні температури.
Фазові переходи
Під час плавлення або кипіння за сталого тиску температура може залишатися майже сталою, хоча система отримує енергію. Енергія йде на зміну структури та міжмолекулярних взаємодій. Це описують прихованою теплотою Q = mL.
Механізми передачі
Теплопровідність передає енергію через мікроскопічні зіткнення та носії в матеріалі. Конвекція пов’язана з масовим рухом рідини чи газу. Теплове випромінювання переносить енергію електромагнітними хвилями і не потребує матеріального середовища.
Рівновага і нульовий закон
Якщо система A у тепловій рівновазі з B, а B — з C, то A і C також у рівновазі. Це нульовий закон термодинаміки і основа поняття температури та термометрії.
Шкали температур
У термодинаміці важлива абсолютна шкала Кельвіна, де 0 K є межею найнижчої температури у класичному сенсі. Різниця 1 K дорівнює різниці 1 °C, але нульові точки різні. У формулах газових законів і випромінювання треба використовувати абсолютну температуру.
Термодинамічний напрям процесу
Якщо два тіла різної температури контактують в ізольованій системі, енергія самовільно переходить від гарячішого до холоднішого, доки температури не зрівняються. Перший закон стежить за збереженням енергії, але саме другий закон пояснює напрям процесу через зростання сумарної ентропії. Тому “теплота йде від холодного до гарячого” можлива лише разом з іншими змінами, наприклад роботою холодильника.
Вправа
Скільки енергії потрібно, щоб нагріти 0,50 кг води на 10 K, якщо c ≈ 4180 Дж/(кг·K)?
Розв’язання
Q = mcΔT = 0,50 × 4180 × 10 ≈ 20 900 Дж, тобто близько 20,9 кДж. Це оцінка без урахування втрат тепла в навколишнє середовище.