Тепло как энергетический перенос

Физика > Тепло как энергетический перенос

Тепло – передача энергии, возникающая при разности температур.

Задача обучения

• Вычислить единицы тепла.

Основные пункты

• Если объединить два тела с разными температурными показателями, то энергия транспортируется из более горячего к холодному, пока оба не достигнут равной отметки.
• Тепло и температура – не одно понятие. Температура характеризует внутренний показатель тела, а тепло – передаваемая энергия.
• Тепло выступает энергетической формой, а его единица – джоуль. Также можно встретить калорию и килокалорию.
• Тепло и работа основаны на энергетической транспортировке, поэтому способны создавать одинаковые эффекты.

Термины

• Килокалория – неофициальная единица, приравниваемая к 1000 калорий или 4186 джоулям.
• Механический эквивалент тепла – работа, которая нужна для добычи тех же эффектов, что и при передаче тепла.
• Тепловой баланс: две системы пребывают в тепловом равновесии, если они способны передавать тепло, но не делают этого.

Тепло как энергетическая передача

Давайте взглянем на два объединенных тела с разными температурами. Энергия отходит от более горячего к прохладному, пока на обоих не установится единый показатель. Как же происходит перенос? Передача возникает из-за отличия в температурах и останавливается при равнозначности.

(а) – Безалкогольный напиток и лед обладают разными температурами и не пребывают в тепловом балансе. (b) – Когда они контактируют, энергия передается до того момента, пока не установится единый температурный показатель. Теплопередача возникает из-за отличия в температурах

Тепло часто путают с понятием температуры. Например, вы можете сказать, что на улице просто адский зной, хотя имеете в виду высокий температурный показатель. Тепло, в отличие от температуры, выступает формой энергии.

Единицы

Тепло измеряется в джоулях. Есть также калория – энергия, которая нужна для изменения температуры 1 г воды на 1°C. Массу часто указывают в кг, поэтому используют килокалорию.

Общее количество переданной энергии отображают как Q. Условно, передаваемое системой тепло во внешнюю среду – отрицательное (Q < 0). Если же система поглощает тепло, то положительное (Q > 0).

Механический эквивалент тепла

Можно внести изменения в температурный показатель при выполнении работы. Она способна отдавать энергию и отбирать. Именно это привело к догадке, что тепло выступает формой энергии. За эксперименты принялся Джеймс Джоуль и вывел механический эквивалент тепла – работу. Здесь важно отметить, что 1000 ккал = 4186 Дж.

На нижнем рисунке вы сможете рассмотреть одну из наиболее популярных экспериментальных установок Джоуля, демонстрирующую механический эквивалент тепла. Это показало, что работа и тепло способны создавать одни и те же эффекты, а также стало причиной формирования принципа сохранения энергии. Гравитационная потенциальная энергия переходит в кинетическую, а затем становится увеличенной средней кинетической.

Схематическое отображение эксперимента Джоуля, где установилась эквивалентность тепла и работы

Тепло меняет свою внутреннею энергию, а значит, и температуру. Подобное можно проследить во время готовки. Но прибавление тепла не обязательно увеличивает температурный показатель. Например, таяние ледышки (переход вещества между состояниями). Работа также способна повлиять на внутреннюю энергию системы. Джоуль показал, что температуру системы можно повысить, если все смешать. Сама фраза «передача тепла» акцентирует внимание на природу внутренней энергии.

---