Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

5.1: Температура

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    25321

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    До теперішнього часу основними типами змін, які ми розглядали, є фазові зміни (тверде на рідину, від рідини до газу тощо) Зараз ми розглянемо елементи фазової зміни більш детально, починаючи з температури. Якщо ви подивитеся на визначення температури, ви, ймовірно, знайдете щось на кшталт «ступеня теплоти об'єкта» і подумаєте про себе: «Ну, це не дуже висвітлює, чи не так?» Однак насправді досить складно дати просте визначення температури, (зазвичай скорочено як\(\mathrm{T}\)). Якщо вас вже вчили про температуру на курсах фізики, будь ласка, несіть з нами (хіміком і клітинним і молекулярним біологом), коли ми працюємо над цим, іноді корисно думати про речі, які ви вже знаєте, по-новому!

    Корисний макроскопічний спосіб мислення про температуру полягає в тому, що він говорить вам, в якому напрямку теплова енергія (часто називається теплом) буде рухатися - енергія завжди рухається від більш гарячого (більш високої температури) об'єкта до більш холодного (нижчої температури) об'єкта. Це може здатися очевидним твердженням про те, як працює фізичний світ, але чи дійсно ви знаєте, чому це повинно бути так? Чому тепло не тече від прохолодніше до теплішого? Чи є якийсь принцип, який дозволить пояснити чому? Ми повернемося до цих питань пізніше в цьому розділі.

    Студенти часто плутають температуру та теплову енергію, і перш ніж ми продовжуємо, нам потрібно добре зрозуміти різницю між ними. Температура об'єкта не залежить від розміру об'єкта, принаймні до тих пір, поки ми не опустимося до атомного/молекулярного рівня, де температура починає втрачати своє значення як поняття. [1] Температура краплі окропу така ж, як температура каструлі (або океану) окропу:\(100 { }^{\circ}\mathrm{C}\) на рівні моря. При цьому загальна кількість теплової енергії в краплі води набагато менше, ніж у великому горщику з водою тієї ж температури. Крапля окропу може на мить жалити, якщо вона приземлиться на вас, але каструля з окропом завдасть серйозної шкоди, якщо вона бризкає вас. Чому? Незважаючи на те, що вони мають однакову температуру, один має відносно мало теплової енергії, а інший має багато; кількість енергії пов'язана з розміром системи. Крім того, кількість теплової енергії залежить від виду, тобто складу матеріалу. Різні кількості різних речовин можуть мати різну кількість теплової енергії, навіть якщо вони знаходяться при однаковій температурі (дивно, але правда).

    Кінетична енергія і температура

    Інший спосіб мислення про температуру полягає в тому, що вона пов'язана з енергією частинок у зразку: чим швидше рухаються частинки, тим вище температура. Цілком може знадобитися різна кількість енергії, щоб частинки рухалися з однаковою середньою кінетичною енергією. Для простого одноатомного газу, такого як гелій або неон, єдиним рухом, який атоми можуть зробити, є переміщення з одного місця в інше по прямій лінії, поки вони не зіткнуться з чимось іншим, наприклад, іншим атомом або молекулою. [2] Цей вид руху називається поступальним рухом і безпосередньо пов'язаний з кінетичною енергією атома або молекули через зв'язок,\(\mathrm{KE} = \frac{1}{2} mv(\mathrm{bar})^{2} = \frac{3}{2}k\mathrm{T}\) де\(v(\mathrm{bar})\) середня швидкість всіх молекул в популяції [3], \(m\)це маса,\(k\) є постійною, відомою як константа Больцмана, і\(\mathrm{T}\) є температурою. Тобто середня кінетична енергія газу безпосередньо пов'язана з температурою. У будь-якому заданому газоподібному зразку рухомих атомів відбувається багато зіткнень за одиницю часу, але ці зіткнення не змінюють загальну енергію системи (вона зберігається). [4] Те, що ці зіткнення можуть і часто змінюють, - це відносні кінетичні енергії двох (або більше) стикаються атомів: якщо один сповільниться, інший прискорить (пам'ятайте, ми зараз говоримо лише про одноатомні види; все ускладнюється з більш складними молекулами).

    Будь-який окремий атом або молекула має кінетичну енергію, але не температуру. Це важлива відмінність. Популяції молекул мають температуру, пов'язану з їх середньою швидкістю, але поняття температури не має відношення до окремих молекул, вони мають кінетичну енергію, але не температуру. Це важлива ідея, температура як характеристика системи, а не окремих її компонентів. Хоча система має унікальну температуру, окремі молекули, що складають систему, можуть мати зовсім різні кінетичні енергії. Через зіткнення між молекулами кінетична енергія окремої молекули може швидко змінюватися, навіть якщо температура системи постійна. Коли мова йде про хімічні реакції, то критичними будуть окремі кінетичні енергії (цей момент ми розглянемо докладніше в розділі\(7\)).