ماده، ماده ای که همه اشیای فیزیکی از آن تشکیل شده اند، طیفی از خواص حرارتی را نشان می دهد که برای درک جهان اطراف ما بسیار مهم است. این خواص - مانند دما، گرما و انبساط حرارتی - توسط اصول انتقال انرژی و قوانین فیزیک کنترل می شوند.
دما معیاری از میانگین انرژی جنبشی ذرات در یک ماده است که اغلب بر حسب درجه سانتیگراد (درجه سانتیگراد)، فارنهایت (درجه فارنهایت) یا کلوین (K) اندازه گیری می شود. از طرف دیگر گرما نوعی انتقال انرژی بین دو جسم یا سیستم به دلیل اختلاف دما است. واحد گرما در سیستم بین المللی واحدها (SI) ژول (J) است. رابطه بین گرما ( \(Q\) )، جرم ( \(m\) )، ظرفیت گرمایی ویژه ( \(c\) ) و تغییر دما ( \(\Delta T\) ) با معادله توصیف می‌شود: \(Q = mc\Delta T\) ظرفیت گرمایی ویژه اندازه گیری مقدار انرژی گرمایی مورد نیاز برای تغییر دمای یک کیلوگرم ماده به اندازه یک درجه سانتیگراد است.
وقتی مواد گرم می شوند، معمولا منبسط می شوند. این پدیده به انبساط حرارتی معروف است و در جامدات، مایعات و گازها قابل مشاهده است. انبساط حرارتی به این دلیل اتفاق می‌افتد که افزایش دما منجر به افزایش انرژی جنبشی ذرات می‌شود و باعث دور شدن آنها از هم می‌شود. میزان انبساط حرارتی را می توان با ضریب انبساط خطی ( \(\alpha\) ) برای جامدات توصیف کرد که تغییر طول ( \(\Delta L\) ) را در واحد طول ( \(L\) نشان می دهد. ) به ازای درجه تغییر دما ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) برای مایعات و گازها، انبساط حجمی بیشتر از انبساط خطی مرتبط است و با ضریب توصیف می شود. انبساط حجمی
تغییرات فاز تبدیل بین فازهای جامد، مایع و گاز یک ماده است و شامل جذب یا آزاد شدن انرژی بدون تغییر دما است. انواع اصلی تغییرات فاز عبارتند از ذوب، انجماد، تبخیر، تراکم، تصعید و رسوب. گرمای مرتبط با تغییر فاز به عنوان گرمای نهان شناخته می شود. به عنوان مثال، انرژی لازم برای تبدیل 1 کیلوگرم یخ به آب بدون تغییر دما، گرمای نهان همجوشی ( \(L f\) ) نامیده می شود، در حالی که انرژی لازم برای تبدیل 1 کیلوگرم آب به بخار بدون تغییر دما نامیده می شود. گرمای نهان تبخیر ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) برای ذوب یا انجماد، \(Q = mL_v\) برای تبخیر یا میعان.
انرژی حرارتی را می توان از طریق ماده توسط رسانش، همرفت و تابش منتقل کرد. رسانایی عبارت است از انتقال حرارت بین موادی که در تماس مستقیم با یکدیگر هستند. رسانایی حرارتی ( \(k\) ) یک ماده معیاری برای سنجش توانایی آن در انتقال گرما است. قانون هدایت حرارتی فوریه رابطه بین نرخ انتقال حرارت ( \(Q/t\) )، هدایت حرارتی ( \(k\) )، مساحت ( \(A\) )، گرادیان دما ( \(\Delta T/L\) را نشان می دهد. \(\Delta T/L\) )، و ضخامت ماده ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) همرفت انتقال گرما با حرکت سیالات (مایعات یا گازها) است. ) ناشی از اختلاف دما است. این شامل حرکت حجمی سیال است. تابش انتقال انرژی از طریق امواج الکترومغناطیسی است و برای انتشار نیازی به محیطی ندارد. همه اجسام تشعشع حرارتی ساطع می کنند و مقدار تابش ساطع شده با چهارمین توان دمای جسم افزایش می یابد، همانطور که توسط قانون استفان بولتزمن توضیح داده شده است: \(P = \sigma AT^4\) که در آن \(P\) توان ساطع شده، \(\sigma\) ثابت استفان بولتزمن، \(A\) مساحت سطح و \(T\) دما بر حسب کلوین است.
آب دارای خواص منحصر به فردی است که مربوط به ظرفیت گرمایی ویژه و رفتار آن در حدود 4 درجه سانتیگراد است. ظرفیت گرمایی ویژه آب به طور قابل توجهی بالا است، به این معنی که برای افزایش دمای خود به انرژی گرمایی زیادی نیاز دارد و به نقش آن به عنوان یک بافر حرارتی در اکوسیستم ها کمک می کند. علاوه بر این، آب در دمای 4 درجه سانتیگراد به حداکثر چگالی خود می رسد. با سرد شدن زیر این دما، منبسط می شود. این انبساط غیرعادی برای بقای آبزیان در آب و هوای سرد بسیار مهم است، زیرا یخ در سطح بدنه های آبی تشکیل می شود و آب زیرین را عایق می کند.
خواص حرارتی ماده کاربردهای گسترده ای در زندگی روزمره و صنعت دارد. برای مثال، انبساط حرارتی در طراحی پل‌ها و راه‌آهن‌ها در نظر گرفته می‌شود تا امکان انبساط و انقباض با تغییرات دما فراهم شود. ظرفیت گرمایی ویژه بالای آب آن را به یک خنک کننده عالی در فرآیندهای صنعتی و نیروگاه ها تبدیل می کند.
در آزمایشی برای نشان دادن ظرفیت گرمایی ویژه آب، از بخاری برای انتقال مقدار مشخصی انرژی به مقدار اندازه‌گیری شده آب استفاده می‌شود. دانش آموزان با مشاهده تغییر دما می توانند ظرفیت گرمایی ویژه آب را با استفاده از فرمول \(Q = mc\Delta T\) محاسبه کنند.
یکی دیگر از تظاهرات رایج، قرار دادن یک بالون روی یک فلاسک با آب است. همانطور که آب گرم می شود و تبدیل به بخار می شود، بالون باد می کند زیرا بخار آب هوا را فشار می دهد. این نشان دهنده انبساط آب هنگامی که به گاز تبدیل می شود، اثر قابل مشاهده انبساط حرارتی ماده است.
درک خواص حرارتی ماده نه تنها درک ما از فیزیک بنیادی را افزایش می دهد، بلکه توانایی ما را برای مهندسی راه حل ها برای انواع چالش های عملی نیز غنی می کند.
