Материјата, супстанцијата од која се составени сите физички објекти, прикажува низа термички својства кои се клучни за разбирање на светот околу нас. Овие својства - како што се температурата, топлината и термичката експанзија - се регулирани со принципите на пренос на енергија и законите на физиката.
Температурата е мерка за просечната кинетичка енергија на честичките во супстанцијата, често мерена во степени Целзиусови (°C), Фаренхајти (°F) или Келвин (К). Топлината, од друга страна, е форма на пренос на енергија помеѓу два објекти или системи поради температурна разлика. Единицата за топлина во Меѓународниот систем на единици (SI) е џул (J). Односот помеѓу топлината ( \(Q\) ), масата ( \(m\) ), специфичниот топлински капацитет ( \(c\) ) и промената на температурата ( \(\Delta T\) ) е опишан со равенката: \(Q = mc\Delta T\) Специфичниот топлински капацитет е мерка за количината на топлинска енергија потребна за промена на температурата на еден килограм супстанција за еден степен Целзиусов.
Кога материјалите се загреваат, тие обично се шират. Овој феномен е познат како термичка експанзија и може да се забележи во цврсти материи, течности и гасови. Термичката експанзија настанува затоа што зголемувањето на температурата резултира со зголемување на кинетичката енергија на честичките, што предизвикува нивно раздвојување. Обемот на термичка експанзија може да се опише со коефициентот на линеарно проширување ( \(\alpha\) ), за цврсти материи, што ја покажува промената во должината ( \(\Delta L\) ) по единица должина ( \(L\) ) по степен промена на температурата ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) За течности и гасови, волуменското проширување е порелевантно од линеарното проширување, и тоа е опишано со коефициентот на волуметриско проширување.
Фазните промени се трансформации помеѓу цврстата, течната и гасната фаза на супстанцијата и вклучуваат апсорпција или ослободување на енергија без промена на температурата. Главните типови на фазни промени вклучуваат топење, замрзнување, испарување, кондензација, сублимација и таложење. Топлината поврзана со промената на фазата е позната како латентна топлина. На пример, енергијата потребна за промена на 1 kg мраз во вода без промена на температурата се нарекува латентна топлина на фузија ( \(L f\) ), додека енергијата потребна за претворање на 1 kg вода во пареа без промена на температурата се нарекува латентна топлина на испарување ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) за топење или замрзнување, \(Q = mL_v\) за испарување или кондензација.
Топлинската енергија може да се пренесе преку материјата со спроводливост, конвекција и зрачење. Спроводливоста е пренос на топлина помеѓу супстанциите кои се во директен контакт една со друга. Топлинската спроводливост ( \(k\) ) на материјалот е мерка за неговата способност да спроведува топлина. Фуриеовиот закон за топлинска спроводливост ја покажува врската помеѓу брзината на пренос на топлина ( \(Q/t\) ), топлинската спроводливост ( \(k\) ), површината ( \(A\) ), температурниот градиент ( \(\Delta T/L\) ), и дебелина на материјалот ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) Конвекцијата е пренос на топлина со движење на течности (течности или гасови ) предизвикани од температурни разлики. Тоа вклучува масовно движење на течноста. Зрачењето е пренос на енергија преку електромагнетни бранови и не бара медиум за ширење. Сите објекти испуштаат топлинско зрачење, а количината на зрачењето се зголемува со четвртата моќност на температурата на објектот, како што е опишано со законот на Стефан-Болцман: \(P = \sigma AT^4\) каде \(P\) дали емитираната моќност, \(\sigma\) е Стефан-Болцманова константа, \(A\) е површината и \(T\) е температурата во Келвин.
Водата има некои уникатни својства поврзани со нејзиниот специфичен топлински капацитет и нејзиното однесување близу 4°C. Специфичниот топлински капацитет на водата е значително висок, што значи дека ѝ треба многу топлинска енергија за да ја зголеми нејзината температура, што придонесува за нејзината улога како термички тампон во екосистемите. Дополнително, водата ја достигнува својата максимална густина на 4°C; како што се лади под оваа температура, се шири. Оваа аномална експанзија е клучна за опстанокот на водниот живот во ладна клима, бидејќи мразот се формира на површината на водните тела, изолирајќи ја водата одоздола.
Термичките својства на материјата имаат широка примена во секојдневниот живот и во индустријата. На пример, термичката експанзија се зема во предвид при проектирањето на мостовите и железничките пруги за да се овозможи проширување и контракција со температурни промени. Високиот специфичен топлински капацитет на водата ја прави одлична течност за ладење во индустриските процеси и електраните.
Во експериментот за да се демонстрира специфичниот топлински капацитет на водата, се користи грејач за пренос на познато количество енергија на измерено количество вода. Со набљудување на промената на температурата, учениците можат да го пресметаат специфичниот топлински капацитет на водата користејќи ја формулата \(Q = mc\Delta T\) .
Друга вообичаена демонстрација вклучува ставање балон над колба со вода. Како што водата се загрева и се претвора во пареа, балонот се надува поради водената пареа што го турка воздухот. Ова го покажува ширењето на водата кога се претвора во гас, видлив ефект од термичкото ширење на материјата.
Разбирањето на топлинските својства на материјата не само што го подобрува нашето разбирање на фундаменталната физика, туку и ја збогатува нашата способност да инженеруваме решенија за различни практични предизвици.
