Температура, тепло и давление

Давление, тепло, температура — это количества, используемые в окружающей сфере, в метеорологии. Физическое определение этих величин сложнее, чем кажется. Это результат эволюции.

Энергия Вселенной

Вселенная состоит из материи. Мы состоим из материи. Каждое вещество состоит из атомов, молекул и энергии. Это питание ответственно за молекулы, которые двигаются, или натыкаются друг на друга, или вибрируют взад-вперёд.

Движение атомов и молекул создало энергию, которая называется тепловой. Теплота присутствует в каждом материальном веществе. Даже тело в космосе имеет некоторое количество теплоты из-за этого движения.

А температурка является средним измерением теплового состояния или теплоэнергии. Поскольку это средняя мера, то не зависит от атомов или других частиц. Кружка с кипящей водичкой и ведро с кипятком имеют одинаковый температурный уровень.

Понятие «теплоэнергия» или «теплота»

Теплота — это форма теплоэнергии, которая производит работу. Теплоэнергия бывает трёх видов: проводимость, излучение и конвекция. Тепло — это транзитная величина. Энергия в пути (внутренняя) означает, что если берёте систему, на которой сосредоточено исследование, то наблюдаете теплоэнергию только из-за разницы степени нагретости между системами. При пересечении границы системы энергию в пути называют теплом.

Теплоэнергия проявляется в форме кинетической энергии молекул вещества. Она также находится в металлических электрических нагревателях и в электромагнитных излучениях горящего угля, дерева или нефти. Теплота исходит от солнечной термоядерной активности и от топлива, как уран.

Температура является мерой холода или теплоты. Каждое вещество имеет термосостояние. Молекулы находятся в постоянном движении и движутся быстрее при высоких степенях нагретости и медленнее при низком нагреве. Теоретически молекулы перестают двигаться при минимально возможной температурке, т.е. при абсолютном нуле. Это около -273° С.

Количество жары в веществе находится в прямой зависимости от количества молекулярного движения. Нагревание происходит только при абсолютном нуле, при высоких температурах происходит молекулярное движение. Скорость движения молекулы соответствует количеству теплоты.

Добавление теплоты вызывает повышение температурки тела. Не путайте теплецо с температурным уровнем, при измерении которого измеряете только тепловую интенсивность. Это не прямое измерение теплоёмкости.

Энтальпия не зависит от температурного состояния. Содержание теплоты зависит от типа вещества, объёма и от количества тепла, добавляемого или удаляемого из материала. Например, чашка кофе с t=90° С содержит меньше теплоты, чем 1 литр кофе c тем же нагревом. Чаша с t=90° С содержит меньше тепла, чем галлон (3,785 л) при t=80° C.

Теплецо измеряют в джоулях или калориях. Температурку измеряют в градусах. Приходится часто измерять скорость, массу и плотность вещества, чтобы узнать точнее физические свойства. Узнайте о свойствах холода и применении на сайте «Все про холод».

Физическая температура

Температура организма или вещества — это степень нагрева, охлаждения или кинетическая (средняя) энергия атомов или молекул. Когда прикасаемся к оболочке, то чувствуем тепловое состояние. Температурный уровень тела измеряют с помощью термометра в таких градусах: Кельвина, Цельсия, Фаренгейта и Ранкина.

Когда две системы находятся в тепловом равновесии, то уравновесится и степень нагретости. Температурный уровень является тем свойством системы, которое равно свойству другой системы, когда две системы находятся в тепловом равновесии.

Например, предположим, что системы представляют собой два газа, которые изначально имеют разные температуры, давление и объёмы. После того, как поместим их в контакт и подождём, чтобы достигли теплового равновесия, то давления не будут равны, как и объёмы. Степени нагретости будут равны в тепловом равновесии. Только благодаря этому аргументу, основанному на тепловом равновесии, понятие температуры вводят в термодинамике.

Пламя свечи горячее и считается, что имеет высокую степень нагрева. Лёд холодный и, как говорят, при низкой температурке. Наше осязание — это способ узнать, насколько горячо или холодно тело. Однако этот температурный датчик является приближенным и ненадёжным. Не безопасно касаться горячего тела. Нужен надёжный и практичный метод определения относительного жара и холода.

Чтобы понять понятие температуры, полезно понимать термины: «термический контакт» и «тепловое равновесие». Для хранения льда летом люди оборачивают его тканью или хранят в деревянном ящике или в термосе. Таким образом, избегают термического контакта льда с горячим окружением, иначе лёд скоро растает.

Когда помещаете чашку горячего чая или воды в комнату, то постепенно охлаждается. Прекращается охлаждение при достижении комнатной жары. Таким образом, термосостояние определяет направление потока тепла. Теплецо течёт от горячего тела к холодному, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Тепловая история

Вплоть до 19 века исследователи, изучавшие точную природу жара, считали, что влияние тепла на степень нагретости тела связано с невидимым количеством, известным как калория.

«Калорийная теория тепла» гласит, что тела при высоких нагревах содержат больше калорий, чем тела при низких. Это объясняет, что тела при низких степенях нагретости теряли калорийную массу при контакте с телами с высокими нагревами.

И хотя теория калорийности удовлетворила любопытство при теплопередаче, но оспорена в исследованиях, проведённых в конце 1700-х годов британским физиком американского происхождения Бенджамином Томпсоном и британским химиком сэром Хамфри Дэви. Х. Дэви предложил понятие, что «тепло, как работа, есть форма внутренней энергии».

В середине 1800-х годов британский физик Джеймс Прескотт Джоуль представил убедительные доказательства того, что «тепло есть форма внутренней энергии и, что способно вызывать те же изменения в теле, что и работа».

Источники теплоэнергии

Температура определяет такие ощущения, как теплецо и холод, и степень, в которой они встречаются в веществе. Было бы легче, если бы сравнивали степень нагретости на основе прикосновения. Но это не даёт точной оценки величины температуры.

Когда к веществу добавляется теплецо, то не только повышается степень нагрева, но также изменяются физические свойства. Эти изменения измеряют, что позволяет исследователям сравнивать формы энергии и реакции с различными типами веществ.

Что происходит, когда прикасаемся к горячему телу? Возьмите два тела с разными температурками. Приведите в контакт друг с другом. Температурный уровень горячего тела падает. Оно теряет степень нагретости. Эта теплоэнергия поступает в холодное тело.

Холодное тело набирает жару, а его термоуровень повышается. Передача продолжается до тех пор, пока оба тела не будут иметь равное тепловое состояние. Форма теплоэнергии, которая передаётся от горячего тела к холодному телу, называется теплом. Как только теплота проникает в тело, то становится внутренней энергией.

Каковы источники теплоэнергии?

• Солнце ― большой источник жары. Жар Солнца достигает Земли в виде излучений. Солнечные излучения сохраняют окружающую среду Земли в тепле при подходящем теплоуровне для выживания.
• Мы сохраняем тело тёплым и живым благодаря теплу, выделяемому из пищи во время метаболизма в клетках организма.
• Теплецо также производится путём сжигания ископаемого топлива (дрова, уголь, нефть, газ и т.д.). Мы готовим еду и обогреваем комнаты теплом, получаемым при сжигании древесины, природного газа и т.д. Жар, выделяемый при сжигании сырья, используется для производства электроэнергии на тепловых электростанциях.
• Электричество также используется для производства тепла.
• Теплота получается в результате ядерных реакций, таких как деление и синтез.
• Газ биомассы также является источником теплоты.

Распространено наблюдение, что, если поместите горячий предмет (например, чашку чая) или холодный предмет (например, стакан ледяной воды) в среду с комнатной средой, объект будет стремиться к тепловому равновесию с окружающей средой. То есть чашка горячего чая становится холоднее, а вода со льдом становится теплее, степень нагретости каждого приближается к температуре помещения.

Теплота необходима для выживания, чтобы готовить пищу и поддерживать теплорежим тела. Теплота также используется в различных производственных процессах. Как защитить себя от высоких и низких температур, необходимо знать, как проходит теплецо.

Сравнительная таблица теплоты и температуры

ОСНОВА ДЛЯ СРАВНЕНИЯ	ТЕПЛОЭНЕРГИЯ	ТЕМПЕРАТУРА
Понятие	Теплота — это количество теплоэнергии в веществе	Температура — мера нагрева
Измерение	Сумма потенциальной и кинетической энергий, содержащихся в частицах объекта	Среднее значение кинетической энергии частиц в объекте
Свойство	Потоки от более горячего тела к более холодному	Поднимается при нагреве и опускается при охлаждении
Рабочая способность	Да	Нет
Единица измерения	Джоуль	Кельвин
Устройство	Калориметр	Термометр
Обозначение	Q	T

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики ― сложная тема, которая требует изучения в области термодинамики, чтобы по-настоящему понять. Цель ресурса «Все про холод» ― это освятить только один аспект, а именно тот факт, что тепло будет самопроизвольно течь от более горячих веществ к более холодным. Это утверждение объясняет, почему кубик льда не образуется в жаркий день или почему тает при падении в миску с тёплой водой.

Представьте, что кубик льда упал в миску с тёплой водой: лёд получает жару от воды в миске. Добавление теплоэнергии приводит к увеличению кинетической энергии молекулы льда и, следовательно, к повышению степени нагретости. Температурка является мерой средней кинетической энергии молекул. Лёд будет продолжать получать теплоэнергию, заставляя молекулы двигаться быстрее и в конечном итоге разрушать их межмолекулярные связи или таять.

Передача теплоты или теплоэнергии изменяет температурное состояние вещества, но не всегда! Например, в тот момент, когда лёд в чаше превращается в воду, эти молекулы воды будут иметь ту же температуру, что и во время льда. В этом случае вместо того, чтобы теплоэнергия работала над увеличением кинетической энергии, она работает над разрывом межмолекулярных связей, вызывая изменение состояния.

С течением времени степень нагретости недавно растаявшего льда будет расти, пока внутри чаши не достигнет равновесия, что означает постоянную степень нагрева на всём протяжении.

Какова внутренняя энергия тела?

Теплота — это энергия в пути или внутренняя энергия, которая постоянно течёт от вещества с более высокой степенью нагретости к веществу с низкой степенью. В этом процессе тепло будет повышать термоуровень последнего и понижать термоуровень первого, учитывая, что объёмы соответствующих веществ остаются постоянными.

Если нет другой формы передачи питания (работы), тепло не будет течь от более низкой к более высокой температуре. Внутренняя энергия ― это суммарное количество потенциальной и кинетической энергий, связанных с атомами, молекулами и частицами тела.

Внутренняя энергия тела зависит от многих факторов, таких как масса тела, потенциальная и кинетическая энергии молекул и т.д. Кинетическая энергия атома или молекулы обусловлена движением, которое зависит от степени нагретости. Потенциальная энергия атомов или молекул является запасённым питанием благодаря межмолекулярным силам.

Давление

Давление текучей среды определяется как сила, которая действует на единицу площади. Когда на стенку действует сила давления с каждой стороны, суммарное усилие, которое она испытывает на единицу площади, представляет собой перепад давления с обеих сторон.

На уровне моря тело сжимается столбом воздуха в атмосфере, эквивалентным столбу в 10 м воды. Во время погружения с аквалангом каждый метр спуска увеличивает давление, испытываемое дайвером. И наоборот, восхождение уменьшает его.

Высокое давление на кожу не влияет на состояние, потому что внутри лёгких действует равная и противоположная сила. А векторная сумма сил давления направлена вверх. Это не что иное, как сила Архимеда, равная весу вытесненного воздуха. Эта сила уменьшает нас примерно на 1/800 нашего веса (отношение плотности воздуха к человеческому телу).

Часть жидкости в состоянии покоя остаётся в равновесии между весом и силой Архимеда в результате действия сил давления, действующих на поверхность.

Таким образом, давление определяется в любой точке жидкости независимо от ориентации поверхности, на которой проявляется сила давления. Давление, вызванное весом столба жидкости, называется гидростатическим.

В потоке есть динамическое давление, вызванное ускорением жидкости. Вот так в глубине вихрей появляется впадина. Этот эффект — результат баланса между силой давления и центробежной силой, направленной к наружной части вихря. В сердце вихря давление ниже периферийного значения, чтобы компенсировать эту центробежную силу.

Принцип работы барометра

Для измерения абсолютного давления внутри жидкости вакуумируют на одной стороне. Это принцип работы барометра, использующего деформацию пустой воздушной капсулы под действием атмосферного давления.

В первых измерениях использовался столбец ртути в U-образной трубке. Трубка изначально заполнялась ртутью в наклонном положении. Первый ртутный барометр такого типа был изготовлен Э. Торичелли в 1643 году для воспроизведения и объяснения явления, наблюдаемого в фонтанах Флоренции.

Заключение

Теплота похожа на работу в том, что оба представляют собой средство для передачи активности. Ни теплецо, ни работа не являются неотъемлемым свойством системы, т.е. не можем сказать, что система «содержит» определённое количество теплоты или работы. Вместо этого говорим, что может передавать определённое количество теплоэнергии или работать при определённых условиях.

Некоторая путаница относительно точного значения теплоты является результатом популярного использования этого термина. Часто теплоуровень используется тогда, когда на самом деле подразумевается температура или внутренняя энергия. Когда слышим о жаре по отношению к погоде или, когда в инструкциях по приготовлению пищи указывается «высокая температура при 300 градусах», обсуждается степень нагретости.

Также слышим ссылки на «тепло генерируемое» тормозными накладками автомобиля или быстрым растиранием ладоней. В этом случае, как увидим, подразумевается внутренняя энергия. Ключ к правильному использованию исходит из определения тепла. Если потереть руки, то увеличим внутреннюю энергию и повысим теплоуровень. Избыточное накопление затем передаётся в окружающую среду в виде жары, потому что руки имеют более высокую степень нагрева, чем окружающая среда.

Выделение избыточной теплоты в системе может вызвать проблемы. Как правило, вещества расширяются при нагревании. Принцип теплового расширения: увеличение линейных размеров, а не объёма. Удаление тепла вещества приводит к сокращению линейных размеров и объёма. Это принцип жидкости в стеклянном термометре.

Тепло — это мера изменений в объекте или системе, а не свойство. Поэтому теплота классифицируется как переменная процесса.

О базовых принципах термодинамики в этом видео:

Температура — это не энергия, а мера её. Тепло — это энергия.

Автор: Королёв Сергей