Varme (fysik): Definition, formler og eksempler

Alle kender begrebet at være for varmt eller for koldt eller føle varme fra solen på en varm dag, men hvad betyder specifikt ordet "varme"? Er det en egenskab med noget "varmt?" Er det det samme som temperatur? Det viser sig, at varme er en målbar mængde, som fysikere nøjagtigt har defineret.
Hvad er varme?

Varme er det, som forskere kalder den form for energi, der overføres mellem to materialer med forskellig temperatur. Denne overførsel af energi sker på grund af forskelle i den gennemsnitlige translationelle kinetiske energi pr. Molekyle i de to materialer. Varme strømmer fra materialet med højere temperatur til materialet med lavere temperatur, indtil termisk ligevægt er nået. SI-varmeenheden er joule, hvor 1 joule \u003d 1 newton × meter.

For at forstå bedre, hvad der sker, når denne energioverførsel finder sted, forestil dig følgende scenario: To forskellige containere er fyldt med små gummikugler hoppende rundt. I en af containerne er kuglernes gennemsnitlige hastighed (og dermed deres gennemsnitlige kinetiske energi) meget større end kuglernes gennemsnitlige hastighed i den anden beholder (skønt hastigheden for en individuel kugle kunne være noget som helst på ethvert tidspunkt da så mange kollisioner forårsager en kontinuerlig overførsel af energi mellem kuglerne.)

Hvis du placerer disse containere, så deres sider berører, og derefter fjernes væggene, der adskiller deres indhold, hvad ville du forvente at ske?

Kuglerne fra den første container begynder at interagere med kuglerne fra den anden container. Efterhånden som flere og flere kollisioner mellem kuglerne forekommer, bliver de gennemsnitlige hastigheder for kuglerne fra begge containere gradvis de samme. En del af energien fra kuglerne fra den første beholder overføres til kuglerne i den anden beholder, indtil denne nye ligevægt er nået.

Dette er i det væsentlige, hvad der sker på et mikroskopisk niveau, når to objekter med forskellig temperatur kommer i kontakt med hinanden. Energi fra objektet ved højere temperatur overføres i form af varme til objektet med lavere temperatur.
Hvad er temperatur?

Temperatur er et mål for gennemsnitlig translationskinetisk energi pr. Molekyle i et stof. I kuglerne i beholderen-analogi er det et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi pr. Kugle i en given beholder. På det molekylære niveau vibrerer og atter og atomere alle atomer og molekyler sig rundt. Du kan ikke se denne bevægelse, fordi den sker i så lille skala.

Almindelige temperaturskalaer er Fahrenheit, Celsius og Kelvin, hvor Kelvin er den videnskabelige standard. Fahrenheit-skalaen er mest almindelig i USA. På denne skala fryser vand ved 32 grader og koger ved 212 grader. På Celsius-skalaen, som er almindelig de fleste andre steder i verden, fryser vand ved 0 grader og koger ved 100 grader.

Den videnskabelige standard er imidlertid Kelvin-skalaen. Mens størrelsen på et forøgelse på Kelvin-skalaen er den samme som størrelsen på en grad på Celsius-skalaen, indstilles dens 0-værdi til et andet sted. 0 Kelvin er lig med -273,15 grader celsius.

Hvorfor sådan et mærkeligt valg for 0? Det viser sig, at dette er meget mindre af et underligt valg end Celsius-skalaens nulværdi. 0 Kelvin er den temperatur, hvor al molekylær bevægelse stopper. Det er teoretisk muligt den absolut koldeste temperatur.

I dette lys giver Kelvin-skalaen meget mere mening end Celsius-skalaen. Tænk på hvordan afstanden måles, f.eks. Det ville være underligt at oprette en afstandskala, hvor 0-værdien svarede til 1 m-mærket. På en sådan skala, hvad ville det betyde, at noget skal være dobbelt så langt som noget andet?
Temperatur vs. Intern energi