물리학 의 열 은 물체 나 물질이 서로 다른 온도에있을 때마다 전달되는 열 에너지로 정의됩니다. 이 에너지 전달과 이와 관련된 모든 과정은 물리학의 중요한 분야 인 열역학 연구의 대상입니다.
열은 에너지가 취하는 여러 형태 중 하나이며 가장 친숙한 형태 중 하나입니다. 그렇다면 그것은 어디에서 왔습니까? 답은 물질을 구성하는 원자와 분자에 있습니다. 사물 내부의 이러한 입자는 정적이 아닙니다. 우리는 그것들을 부드러운 스프링으로 연결된 작은 구슬로 상상할 수 있으며 쉽게 수축하고 늘릴 수 있습니다.
원자와 분자는 물질 내에서 진동하며 내부 에너지로 변환됩니다. 출처 : P. Tippens. 물리학 : 개념 및 응용.
이러한 방식으로 입자는 진동 할 수 있고 에너지는 다른 입자로 쉽게 전달 될 수 있으며 한 몸체에서 다른 몸체로도 전달 될 수 있습니다.
신체가 흡수하거나 방출하는 열의 양은 물질의 성질, 질량 및 온도의 차이에 따라 다릅니다. 다음과 같이 계산됩니다.
Q는 전달 된 열의 양, m은 물체의 질량, C e 는 물질 자체의 비열, ΔT = 최종 T- 초기 T , 즉 온도 차이입니다.
모든 형태의 에너지와 마찬가지로 열은 국제 시스템 (SI)에서 줄 단위로 측정됩니다. 기타 적절한 단위는 cgs 시스템의 ergs, 영국 시스템의 Btu 및 식품의 에너지 함량에 일반적으로 사용되는 용어 인 칼로리입니다.
열 특성
캠프 파이어의 열은 전달되는 에너지입니다. 출처 : Pixabay
염두에 두어야 할 몇 가지 주요 개념이 있습니다.
-열은 이동중인 에너지에 관한 것입니다. 물체에는 열이 없으며 상황에 따라 열을 방출하거나 흡수 할뿐입니다. 개체가 가진 것은 내부 구성으로 인한 내부 에너지입니다.
이 내부 에너지는 차례로 진동 운동과 관련된 운동 에너지와 분자 구성의 전형적인 위치 에너지로 구성됩니다. 이 구성에 따르면 물질은 어느 정도 쉽게 열을 전달하며 이는 Q를 계산하기 위해 방정식에서 언급 된 값인 비열 C e에 반영 됩니다.
-두 번째 중요한 개념은 열이 항상 가장 뜨거운 몸에서 가장 차가운 몸으로 전달된다는 것입니다. 경험에 따르면 뜨거운 커피의 열은 항상 컵과 접시의 도자기 또는 그와 함께 휘젓는 숟가락의 금속으로 전달되며 그 반대는 아닙니다.
-전달되거나 흡수되는 열의 양은 해당 신체의 질량에 따라 다릅니다. X 질량이있는 샘플에 동일한 양의 칼로리 또는 줄을 추가하면 질량이 2X 인 다른 샘플과 동일한 방식으로 가열되지 않습니다.
이유? 큰 샘플에는 더 많은 입자가 있으며 각 입자는 평균적으로 작은 샘플 에너지의 절반 만받습니다.
열 평형 및 에너지 보존
경험에 따르면 서로 다른 온도에서 두 물체를 접촉하면 잠시 후 두 물체의 온도가 동일 해집니다. 그런 다음 객체 또는 시스템이라고도 부를 수 있듯이 열 평형 상태에 있다고 말할 수 있습니다.
반면에 고립 된 시스템의 내부 에너지를 증가시키는 방법에 대해 생각해 보면 두 가지 가능한 메커니즘이 있다고 결론지었습니다.
i) 가열, 즉 다른 시스템에서 에너지를 전달합니다.
ii) 그것에 대해 어떤 종류의 기계적 작업을 수행하십시오.
에너지가 보존된다는 점을 고려하면 :
열역학의 틀에서이 보존 원칙은 열역학 제 1 법칙으로 알려져 있습니다. 그렇지 않으면 저울에서 다른 에너지 입력 또는 출력을 고려할 필요가 있기 때문에 시스템이 격리되어야한다고 말합니다.
열은 어떻게 측정합니까?
열은 그것이 생성하는 효과에 따라 측정됩니다. 따라서 음료, 음식 또는 물체가 얼마나 뜨겁거나 차가운 지 빠르게 알려주는 것은 촉각입니다. 열을 전달하거나 흡수하면 온도가 변하기 때문에이를 측정하면 얼마나 많은 열이 전달되었는지 알 수 있습니다.
온도를 측정하는 데 사용되는 도구는 눈금이있는 눈금이 장착 된 온도계 인 온도계입니다. 가장 잘 알려진 것은 수은 온도계로 가열되면 팽창하는 미세한 수은 모세관으로 구성됩니다.
섭씨 및 화씨 눈금 눈금이있는 온도계. 출처 : Pixabay.
그런 다음 수은으로 채워진 모세관을 눈금이있는 유리관에 삽입하고 신체와 접촉합니다. 체온은 열 평형에 도달 할 때까지 측정해야하며 둘 다의 온도가 동일합니다.
온도계를 만들려면 무엇이 필요합니까?
우선, 온도에 따라 변하는 온도계 속성이 필요합니다.
예를 들어, 수은과 같은 기체 나 액체는 가열되면 팽창하지만 전기 저항도 작용하여 전류가 통과 할 때 열을 방출합니다. 간단히 말해 쉽게 측정 할 수있는 모든 열 측정 속성을 사용할 수 있습니다.
온도 t가 열 측정 속성 X에 정비례하면 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
여기서 k는 두 개의 적절한 온도가 설정되고 해당 X 값이 측정 될 때 결정되는 비례 상수입니다. 적절한 온도는 실험실에서 쉽게 얻을 수 있음을 의미합니다.
쌍 (t 1 , X 1 )과 (t 2 , X 2 )가 설정되면 그 사이의 간격이 동일한 부분으로 나뉘어 각도가됩니다.
온도 눈금
온도 눈금을 구성하는 데 필요한 온도 선택은 실험실에서 쉽게 얻을 수있는 기준으로 이루어집니다. 전 세계에서 가장 널리 사용되는 척도 중 하나는 스웨덴 과학자 Anders Celsius (1701-1744)가 만든 섭씨 척도입니다.
섭씨 눈금의 0은 1 기압에서 얼음과 물이 평형을 이루는 온도이고, 액체 물과 수증기가 평형을 이루고 압력이 1 기압 일 때 상한이 선택됩니다. 이 간격은 100 도로 나뉘며, 각각을 섭씨 온도라고합니다.
이것은 스케일을 구축하는 유일한 방법이 아닙니다. 다른 값과 함께 간격이 선택되는 화씨 눈금과 같은 다른 눈금이 있습니다. 그리고 켈빈 스케일이 있는데, 이것은 하한이 있습니다 : 절대 0.
절대 0은 물질에서 입자의 모든 움직임이 완전히 중단되는 온도에 해당하지만, 매우 가까워졌지만 아직 어떤 물질도 절대 0으로 냉각 할 수 없습니다.
예
모든 사람은 직간접 적으로 매일 열을 경험합니다. 예를 들어 뜨거운 음료를 마실 때, 한낮의 태양, 자동차 엔진의 온도, 사람으로 가득 찬 방, 그리고 수많은 다른 상황에서.
지구상에서 태양에서 오는 것과 행성 내부에서 오는 생명의 과정을 유지하려면 열이 필요합니다.
마찬가지로 기후는 대기에서 발생하는 열 에너지의 변화에 의해 주도됩니다. 태양의 열은 모든 곳에서 똑같이 도달하지 않으며 적도 위도에서는 극지방보다 더 많이 도달하므로 열 균형을 이루기 위해 열대 지방에서 가장 뜨거운 공기가 상승하고 남북으로 이동합니다. 이전에 얘기했던 것입니다.
이런 식으로 기류가 다른 속도로 설정되어 구름과 비를 운반합니다. 다른 한편으로, 뜨거운 공기와 차가운 공기 전선 사이의 갑작스런 충돌은 폭풍, 토네이도 및 허리케인과 같은 현상을 유발합니다.
대조적으로, 더 가까운 수준에서 더위는 해변의 일몰만큼 환영받지 못할 수도 있습니다. 열은 자동차 엔진과 컴퓨터 프로세서의 작동 문제를 유발합니다.
또한 전도 케이블 및 재료에서 전기 에너지가 손실되어 팽창하므로 모든 엔지니어링 분야에서 열처리가 매우 중요합니다.
식
- 연습 1
사탕의 라벨은 275 칼로리를 제공합니다. 이 사탕은 줄 단위의 에너지가 얼마입니까?
해결책
처음에는 열량 단위로 칼로리를 언급했습니다. 음식에는 일반적으로 이러한 단위로 측정되는 에너지가 포함되어 있지만식이 칼로리는 실제로 킬로 칼로리입니다.
등가는 다음과 같습니다. 1kcal = 4186 J이며 사탕에는 다음과 같은 것으로 결론지었습니다.
275 킬로 칼로리 x 4186 줄 / 킬로 칼로리 = 1.15 10 6 J.
-연습 2
100g의 금속을 100 ° C로 가열하고 20 ° C에서 300g의 물과 함께 열량계에 넣습니다. 평형에 도달했을 때 시스템이 획득하는 온도는 21.44 ° C입니다. 열량계가 열을 흡수하지 않는다고 가정하고 금속의 비열을 결정하라는 메시지가 표시됩니다.
해결책
이 상황에서, 금속은 우리가 Q가 호출 열, 포기 주어진 : 그것은 손실을 나타 내기 위해 앞에 위치 - ()과 사인을
그 부분에서 열량계의 물은 열을 흡수하며 이는 Q 흡수로 표시됩니다.
에너지는 보존되며 다음과 같습니다.
문에서 ΔT를 계산할 수 있습니다.
중요 : 1ºC는 1 켈빈과 같은 크기입니다. 두 척도의 차이점은 켈빈 척도가 절대적이라는 것입니다 (켈빈도는 항상 양수 임).
20ºC에서 물의 비열은 4186 J / kg입니다. K 및이를 통해 흡수 된 열을 계산할 수 있습니다.
결론적으로 금속의 비열이 제거됩니다.
참고 문헌
- Bauer, W. 2011. 공학 및 과학 물리학. 볼륨 1. McGraw Hill.
- Cuellar, JA Physics II : 역량 별 접근. McGraw Hill.
- Kirkpatrick, L. 2007. Physics : A Look at the World. 6 ta 편집이 생략되었습니다. Cengage 학습.
- Knight, R. 2017. 과학자 및 공학을위한 물리학 : 전략 접근. 피어슨.
- Tippens, P. 2011. 물리학 : 개념 및 응용. 7 판. 맥그로 힐