Θερμική Φυσική

Στα κεφάλαια της θερμικής φυσικής, θα μάθετε την έννοια της θερμοκρασίας και της θερμότητας μαζί με τα είδη των φυσικών φαινομένων που εφαρμόζονται σε αυτά. Επίσης, θα γνωρίζετε για τις βασικές αρχές της στατιστικής και της θερμικής φυσικής.

Η μελέτη της θερμότητας και της θερμοκρασίας

Η μελέτη της θερμικής φυσικής περιλαμβάνει την ανάλυση της θερμοκρασίας και της θερμότητας. Είναι ο όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη μεταφορά ενέργειας μεταξύ δύο αντικειμένων με διαφορετικές θερμοκρασίες, που μετακινούνται από το θερμότερο αντικείμενο στο ψυχρότερο.

Η θέρμανση είναι ένα είδος ενέργειας που ονομάζεται θερμική. Είναι η ενέργεια που παράγεται από τη μοριακή κίνηση μέσα σε ένα αντικείμενο. Μέσα σε ένα αντικείμενο, τα μόρια δεν στέκονται ακίνητα. Παρόλο που δεν μπορείτε να παρατηρήσετε την κίνηση, κινείται και προσκρούει το ένα πάνω στο άλλο.

Ο όρος «θερμοκρασία» υποδηλώνει τη μέση ενέργεια της κινητικής ανά μόριο. Μπορεί να είστε εξοικειωμένοι με τη μέτρηση σε βαθμούς Φαρενάιτ ή Κελσίου. Ωστόσο, η μέτρηση SI των επιστημόνων θα ήταν το Kelvin.

Οι ιδιότητες ενός αντικειμένου εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, τη μάζα και την ειδική θερμοχωρητικότητα του. Η ειδική θερμοχωρητικότητα μετρά πόση ενέργεια χρειάζεται για να αυξηθεί η θερμοκρασία μιας μονάδας μάζας κατά ένα βαθμό. Διαφορετικά υλικά έχουν διαφορετικές θερμοχωρητικότητες και η ειδική θερμοχωρητικότητα ενός συγκεκριμένου υλικού βρίσκεται συνήθως με τη μορφή πίνακα.

Μεταφορά θερμότητας

Η μεταφορά θερμότητας από το ένα αντικείμενο στο άλλο γίνεται με τρεις τρόπους. Αυτοί είναι:

Διεξαγωγή

Ο όρος θερμική αγωγιμότητα αναφέρεται στο πόσο αποτελεσματικά μεταφέρεται η θερμική ενέργεια μέσω μιας ουσίας ή πόσο αποτελεσματικά μπορεί να μεταφέρει θερμότητα. Ο βαθμός αγωγιμότητας της θερμότητας εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες και τα θερμικά χαρακτηριστικά του υλικού.

Σκεφτείτε το παράδειγμα του δαπέδου με πλακάκια. Είναι καλύτερος αγωγός από το χαλί. Φαίνεται από το συναίσθημα. Όταν τα πόδια σας τοποθετούνται στο πλακάκι του δαπέδου, η θερμότητα φεύγει πιο γρήγορα από ό,τι όταν κάθεστε σε ένα χαλί. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το πλακίδιο επιτρέπει στη ζεστασιά των ποδιών σας να περάσει μέσα από αυτό πιο γρήγορα.

Τα αντικείμενα που έχουν εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα κάνουν εξαιρετικούς αγωγούς. Τα αντικείμενα με χαμηλή θερμική αγωγιμότητα μπορούν να είναι καλοί μονωτές.

Συναγωγή

Η διαδικασία μετάδοσης θερμότητας μέσω της μαζικής κίνησης μορίων μέσα σε υγρά όπως υγρά και αέρια είναι γνωστή ως συναγωγή. Η κίνηση του ρευστού οφείλεται στις διαφορές στην πυκνότητα μεταξύ των θερμότερων ζωνών του ρευστού και των ψυχρότερων περιοχών. Οι κινήσεις αναφέρονται ως ρεύματα μεταφοράς. Η μετακίνηση του υγρού συνεχίζεται όταν υπάρχει διαφορά υπερύθρων μεταξύ των περιοχών.

Ακτινοβολία

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία απελευθερώνει ενέργεια ως ηλεκτρομαγνητικά κύματα ή φως. Η κβαντομηχανική δηλώνει ότι το φως μπορεί να περιγραφεί ως στοιχείο και ως κύμα. Ας υποθέσουμε ότι θεωρείται ως ένα σωματίδιο που είναι γνωστό ως φωτόνιο. Εάν θεωρείται πραγματικό κύμα, είναι γνωστό ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα ή κύμα φωτός.

Το φως ταξινομείται ανάλογα με το μήκος κύματός του. Αυτό είναι ανάλογο με την ενέργειά του. Το φως μεγάλου μήκους κύματος έχει λιγότερη ενέργεια από το φως μικρού μήκους κύματος. Το φάσμα των μηκών κύματος συχνά χωρίζεται σε ακτινοβολία γάμμα, ακτίνες Χ, υπέρυθρη, υπεριώδη ακτινοβολία, ορατό φως, μικροκύματα και ραδιοκύματα.

Αλλαγές φάσης

Με τις βασικές αρχές της στατιστικής και της θερμικής φυσικής, μπορούμε να πούμε ότι όταν προστίθεται θερμική ενέργεια στα υλικά, αυτά διαστέλλονται σε θερμοκρασία. Τα υλικά μπορούν να αλλάξουν από υγρό σε στερεό, αέριο σε υγρό ή ακόμα και αέριο στο πλάσμα.

Η θερμοκρασία στην οποία λαμβάνει χώρα μια αλλαγή φάσης καθορίζεται από το υλικό και τις συνθήκες πίεσης. Αυτό μπορεί να μελετηθεί χρησιμοποιώντας το διάγραμμα φάσης.

Η ποσότητα ισχύος που απαιτείται για να αλλάξει η φάση ενός υλικού εξαρτάται από τη λανθάνουσα ενέργεια του υλικού. Η λανθάνουσα θερμότητα σε μια ουσία είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να αλλάξει η μάζα μιας ουσίας από υγρή σε στερεή. Η λανθάνουσα θερμότητα που εξατμίζει οποιαδήποτε ουσία αναφέρεται στην ενέργεια που απαιτείται για τη μετατροπή της από υγρό σε αέριο.

Θερμοδυναμική

Η μελέτη της θερμικής φυσικής οδηγεί τελικά στη διερεύνηση της θερμοδυναμικής, ενός κλάδου της φυσικής που ερευνά την εξέλιξη των θερμικών συστημάτων χρησιμοποιώντας τη θεωρία της κινητικής και της στατιστικής μηχανικής. Τρεις θερμοδυναμικοί νόμοι διέπουν τις θερμοδυναμικές διεργασίες. Η θερμοδυναμική θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον τρόπο με τον οποίο λειτουργούν τα ψυγεία, οι ατμομηχανές, οι αντλίες θερμότητας και παρόμοιες συσκευές.

Συμπέρασμα

Με απλά λόγια, όσον αφορά τα κεφάλαια της θερμικής φυσικής, μπορούμε να πούμε ότι περιλαμβάνει έρευνα για τη θερμότητα. Ο όρος «θερμική ενέργεια», επίσης γνωστός ως θερμική ενέργεια, αναφέρεται στην ενέργεια ενός υλικού ή συστήματος από τις δονήσεις ή τις κινήσεις των μορίων του. Όσο πιο γρήγορα κινούνται τα μόρια ενός στοιχείου, τόσο περισσότερη θερμική ενέργεια διαθέτουν.

Η μεταφορά θερμότητας μπορεί επίσης να συμβεί μέσω του σώματος, και η θερμική φυσική έχει επίσης συζητήσεις για αυτό. Αν αγγίξετε το πόδι μιας καρέκλας από μέταλλο, θα νιώσετε πιο ζεστά από ένα γραφείο που είναι κατασκευασμένο από ξύλο. Ωστόσο, εάν βρίσκονται και οι δύο στον ίδιο χώρο και έχουν μείνει στο ίδιο δωμάτιο για μεγάλο χρονικό διάστημα, μπορεί να έχουν παρόμοια θερμοκρασία. Αυτό συμβαίνει επειδή τα χέρια σας δεν μετρούν τη θερμοκρασία. χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της μεταφοράς θερμότητας. Τα μέταλλα μεταφέρουν τη θερμότητα πολύ γρήγορα. Η θερμότητα στα χέρια σας χάνεται πιο γρήγορα όταν αγγίζετε το πόδι μιας καρέκλας, παρόλο που το πόδι είναι ακριβώς στην ίδια θερμοκρασία με το γραφείο σας.