Iedereen is bekend met het concept van te warm of te koud zijn of warmte van de zon voelen op een warme dag, maar wat betekent het woord "warmte" precies? "heets"? Is het hetzelfde als temperatuur? Het blijkt dat warmte een meetbare hoeveelheid is die natuurkundigen precies hebben gedefinieerd.
Wat is warmte?

Warmte is wat wetenschappers de vorm van energie noemen die wordt overgedragen tussen twee materialen van verschillende temperatuur. Deze energieoverdracht vindt plaats vanwege verschillen in de gemiddelde translationele kinetische energie per molecuul in de twee materialen. Warmte stroomt van het materiaal met hogere temperatuur naar het materiaal met lagere temperatuur totdat thermisch evenwicht is bereikt. De SI-eenheid van warmte is de joule, waarbij 1 joule \u003d 1 newton × meter.

Voor een beter begrip van wat er gebeurt wanneer deze energieoverdracht plaatsvindt, stel je het volgende scenario voor: Twee verschillende containers zijn gevuld met kleine rubberen ballen rondom stuiteren. In een van de containers is de gemiddelde snelheid van de ballen (en dus hun gemiddelde kinetische energie) veel groter dan de gemiddelde snelheid van de ballen in de tweede container (hoewel de snelheid van elke individuele bal op elk moment in de tijd kan zijn omdat zoveel botsingen een voortdurende overdracht van energie tussen de ballen veroorzaken.)

Als u deze containers zo plaatst dat hun zijkanten elkaar raken, dan de muren verwijderen die hun inhoud scheiden, wat zou u verwachten te gebeuren?

De ballen uit de eerste container zullen interactie aangaan met de ballen uit de tweede container. Naarmate er meer en meer botsingen tussen de ballen optreden, worden de gemiddelde snelheden van de ballen uit beide containers geleidelijk hetzelfde. Een deel van de energie van de ballen uit de eerste container wordt overgebracht naar de ballen in de tweede container totdat dit nieuwe evenwicht is bereikt.

Dit gebeurt in wezen op microscopisch niveau wanneer twee objecten van verschillende temperatuur komen in contact met elkaar. Energie van het object bij hogere temperatuur wordt overgedragen in de vorm van warmte naar het object met lagere temperatuur.
Wat is temperatuur?

Temperatuur is een maat voor de gemiddelde translationele kinetische energie per molecuul in een stof. In de ballen-in-container-analogie is het een maat voor de gemiddelde kinetische energie per bal in een gegeven container. Op moleculair niveau trillen atomen en moleculen allemaal rond. Je kunt deze beweging niet zien omdat het op zo'n kleine schaal gebeurt.

Gemeenschappelijke temperatuurschalen zijn Fahrenheit, Celsius en Kelvin, waarbij Kelvin de wetenschappelijke standaard is. De Fahrenheit-schaal komt het meest voor in de Verenigde Staten. Op deze schaal bevriest water bij 32 graden en kookt bij 212 graden. Op de schaal van Celsius, die op de meeste andere plaatsen in de wereld gebruikelijk is, bevriest water bij 0 graden en kookt bij 100 graden.

De wetenschappelijke norm is echter de Kelvin-schaal. Hoewel de grootte van een toename op de Kelvin-schaal hetzelfde is als de grootte van een graad op de Celsius-schaal, wordt de 0-waarde op een andere plaats ingesteld. 0 Kelvin is gelijk aan -273,15 graden Celsius.

Waarom zo'n rare keuze voor 0? Het blijkt dat dit veel minder een vreemde keuze is dan de nulwaarde van de Celsius-schaal. 0 Kelvin is de temperatuur waarbij alle moleculaire beweging stopt. Het is theoretisch de absoluut koudste temperatuur.

In dit licht is de Kelvin-schaal veel logischer dan de Celsius-schaal. Denk bijvoorbeeld aan hoe afstand wordt gemeten. Het zou vreemd zijn om een afstandsschaal te maken waarbij de 0-waarde gelijk was aan de 1 m-markering. Wat zou het op zo'n schaal betekenen dat iets tweemaal de lengte van iets anders is?
Temperatuur versus interne energie

De totale interne energie van een stof is het totaal van de kinetische energieën van alle van zijn moleculen. Het hangt af van de temperatuur van de stof (de gemiddelde kinetische energie per molecuul) en de totale hoeveelheid van de stof (het aantal moleculen).

Het is mogelijk dat twee objecten dezelfde totale interne energie hebben terwijl ze totaal verschillende temperaturen. Een koeler object heeft bijvoorbeeld een lagere gemiddelde kinetische energie per molecuul, maar als het aantal moleculen groot is, kan het toch dezelfde totale interne energie hebben als een warmer object met minder moleculen.

Een verrassend resultaat van deze relatie tussen totale interne energie en temperatuur is het feit dat een groot blok ijs meer energie kan bevatten dan een verlichte lucifer, hoewel de lucifer zo heet is dat hij in brand staat!
Hoe Warmteoverdrachten

Er zijn drie hoofdmethoden waarmee warmte-energie van het ene object naar het andere wordt overgedragen. Het zijn geleiding, convectie en straling.

Geleiding
treedt op wanneer energie rechtstreeks wordt overgedragen tussen twee materialen die in thermisch contact met elkaar zijn. Dit is het type overdracht dat plaatsvindt in de rubberen balanalogie die eerder in dit artikel is beschreven. Wanneer twee objecten in direct contact staan, wordt energie overgedragen via botsingen tussen hun moleculen. Deze energie vindt langzaam zijn weg van het contactpunt naar de rest van het aanvankelijk koelere object totdat thermisch evenwicht is bereikt.

Niet alle objecten of stoffen geleiden echter energie op deze manier even goed. Sommige materialen, goede warmtegeleiders genoemd, kunnen warmte-energie gemakkelijker overbrengen dan andere materialen, goede thermische isolatoren genoemd.

Je hebt waarschijnlijk in je dagelijks leven ervaring gehad met dergelijke geleiders en isolatoren. Hoe verhoudt het stappen op blote voeten op een tegelvloer zich op een koude winterochtend op het stappen op blote voeten op tapijt? Het lijkt erop dat het tapijt op de een of andere manier warmer is, maar dit is niet het geval. Beide verdiepingen hebben waarschijnlijk dezelfde temperatuur, maar de tegel is een veel betere warmtegeleider. Hierdoor verlaat het de warmte-energie veel sneller uit je lichaam.

Convectie is een vorm van warmteoverdracht die plaatsvindt in gassen of vloeistoffen. Gassen, en in mindere mate vloeistoffen, ervaren veranderingen in hun dichtheid met de temperatuur. Meestal zijn ze warmer, hoe minder dicht ze zijn. Hierdoor, en omdat de moleculen in gassen en vloeistoffen vrij kunnen bewegen, zal het onderste gedeelte warm worden, het zal uitzetten en dus stijgen naar de top vanwege de lagere dichtheid.

Als u een pan plaatst water op het fornuis, bijvoorbeeld, het water op de bodem van de pan warmt op, zet uit en stijgt naar boven terwijl het koelere water zinkt. Het koelere water warmt dan op, zet uit en stijgt enzovoort, waardoor convectiestromen ontstaan die ervoor zorgen dat de warmte-energie zich door het systeem verspreidt door het mengen van de moleculen in het systeem (in tegenstelling tot de moleculen die allemaal op ongeveer dezelfde plaats blijven als zij) schommelen heen en weer, in elkaar stuiterend.)

Convectie is de reden waarom kachels het beste werken om een huis te verwarmen als ze in de buurt van de vloer worden geplaatst. Een verwarming nabij het plafond zou de lucht nabij het plafond verwarmen, maar die lucht zou blijven zitten.

De derde vorm van warmteoverdracht is straling
. Straling is de overdracht van energie via elektromagnetische golven. Voorwerpen die warm zijn, kunnen energie afgeven in de vorm van elektromagnetische straling. Dit is hoe warmte-energie van de zon bijvoorbeeld de aarde bereikt. Zodra die straling in contact komt met een ander object, kunnen de atomen in dat object energie winnen door het te absorberen.
Specifieke warmtecapaciteit

Twee verschillende materialen van dezelfde massa zullen verschillende temperatuurveranderingen ondergaan ondanks dezelfde totale toegevoegde energie vanwege verschillen in een hoeveelheid genaamd specifieke warmtecapaciteit
. De specifieke warmtecapaciteit is afhankelijk van het materiaal in kwestie. Meestal wordt de waarde van de specifieke warmtecapaciteit van een materiaal in een tabel opgezocht.

Meer formeel wordt specifieke warmtecapaciteit gedefinieerd als de hoeveelheid warmte-energie die moet worden toegevoegd per massa-eenheid om de temperatuur te verhogen met een graad Celsius. De SI-eenheden voor specifieke warmtecapaciteit, meestal aangeduid met c
, zijn J /kgK.

Denk er eens zo over na: Stel dat u twee verschillende stoffen hebt die exact hetzelfde wegen en "exactly the same temperature.", 3, [[De eerste stof heeft een hoge soortelijke warmtecapaciteit en de tweede stof heeft een lage soortelijke warmtecapaciteit. Stel nu dat u exact dezelfde hoeveelheid warmte-energie aan beide toevoegt. De eerste stof - degene met de hogere warmtecapaciteit - zal niet zo veel in temperatuur stijgen als de tweede stof.
Factoren die de temperatuurverandering beïnvloeden

Er zijn veel factoren die beïnvloeden hoe de temperatuur van een substantie zal veranderen wanneer een gegeven hoeveelheid warmte-energie eraan wordt overgedragen. Deze factoren omvatten de massa van het materiaal (een kleinere massa zal een grotere temperatuurverandering ondergaan voor een gegeven hoeveelheid toegevoegde warmte) en de specifieke warmtecapaciteit c
.

Als er een warmte is bron die stroom levert P
, dan hangt de totale toegevoegde warmte af van P
en tijd t
. Dat wil zeggen dat de warmte-energie Q
gelijk is aan P
× t
.

De snelheid van temperatuurverandering is een andere interessante factor om te overwegen. Veranderen objecten hun temperatuur met een constante snelheid? Het blijkt dat de mate van verandering afhankelijk is van het temperatuurverschil tussen het object en zijn omgeving. Newton's wet van koeling beschrijft deze verandering. Hoe dichter een object zich bij de omgevingstemperatuur bevindt, hoe langzamer het een evenwicht nadert.
Temperatuurveranderingen en faseveranderingen

De formule die de temperatuurverandering relateert aan de massa van het object, de specifieke warmtecapaciteit en toegevoegde warmte-energie of verwijderd is als volgt:
Q \u003d mc \\ Delta T

Deze formule is echter alleen van toepassing als de stof geen faseverandering ondergaat. Wanneer een stof van vast naar vloeibaar of van vloeibaar naar gas verandert, wordt de toegevoegde warmte gebruikt om deze faseverandering te veroorzaken en zal deze niet tot een temperatuurverandering leiden totdat de faseverandering voltooid is.

Een hoeveelheid genaamd de latente smeltwarmte, aangeduid met L _{, beschrijft hoeveel warmte-energie per massa-eenheid nodig is om een stof te veranderen van een vaste stof in een vloeistof. Net als bij de specifieke warmtecapaciteit, is de waarde ervan afhankelijk van de fysieke eigenschappen van het materiaal in kwestie en wordt deze vaak in tabellen opgezocht. De vergelijking die warmte-energie Q
relateert aan de massa van een materiaal m
en de latente smeltwarmte is:
Q \u003d mL_f}

Hetzelfde gebeurt bij het veranderen van vloeibaar tot gas. In een dergelijke situatie beschrijft een hoeveelheid genaamd de latente verdampingswarmte, aangegeven met L _{v
, hoeveel energie per massa-eenheid moet worden toegevoegd om de faseverandering te veroorzaken. De resulterende vergelijking is identiek, behalve voor subscript:
Q \u003d mL_v Warmte, werk en interne energie}

Interne energie E
is de totale interne kinetische energie of thermische energie in een materiaal. Ervan uitgaande dat een ideaal gas waarbij elke potentiële energie tussen moleculen verwaarloosbaar is, wordt gegeven door de formule:
E \u003d \\ frac {3} {2} nRT

waarbij n
het aantal mol is , T
is de temperatuur in Kelvin en de universele gasconstante R
\u003d 8,3145 J /molK. De interne energie wordt 0 J bij absolute 0 K.

In de thermodynamica is de relatie tussen veranderingen in interne energie, warmteoverdracht en werk uitgevoerd op of door een systeem gerelateerd via:
\\ Delta E \u003d QW

Deze relatie staat bekend als de eerste wet van de thermodynamica. In wezen is het een verklaring van behoud van energie