Materia, substanca nga e cila përbëhen të gjitha objektet fizike, shfaq një sërë vetive termike që janë thelbësore për të kuptuar botën përreth nesh. Këto veti - të tilla si temperatura, nxehtësia dhe zgjerimi termik - rregullohen nga parimet e transferimit të energjisë dhe ligjet e fizikës.
Temperatura është një masë e energjisë mesatare kinetike të grimcave në një substancë, e matur shpesh në gradë Celsius (°C), Fahrenheit (°F) ose Kelvin (K). Nxehtësia, nga ana tjetër, është një formë e transferimit të energjisë midis dy objekteve ose sistemeve për shkak të një ndryshimi të temperaturës. Njësia e nxehtësisë në Sistemin Ndërkombëtar të Njësive (SI) është xhaul (J). Marrëdhënia midis nxehtësisë ( \(Q\) ), masës ( \(m\) ), kapacitetit specifik të nxehtësisë ( \(c\) ) dhe ndryshimit të temperaturës ( \(\Delta T\) ) përshkruhet nga ekuacioni: \(Q = mc\Delta T\) Kapaciteti specifik i nxehtësisë është një masë e sasisë së energjisë termike të nevojshme për të ndryshuar temperaturën e një kilogrami të një lënde me një gradë Celsius.
Kur materialet nxehen, ato zakonisht zgjerohen. Ky fenomen njihet si zgjerim termik dhe mund të vërehet në trupat e ngurtë, lëngjet dhe gazrat. Zgjerimi termik ndodh sepse rritja e temperaturës rezulton në një rritje të energjisë kinetike të grimcave, duke bërë që ato të shpërndahen. Shtrirja e zgjerimit termik mund të përshkruhet nga koeficienti i zgjerimit linear ( \(\alpha\) ), për trupat e ngurtë, i cili tregon ndryshimin në gjatësi ( \(\Delta L\) ) për njësi gjatësi ( \(L\) ) për shkallë ndryshimi në temperaturë ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) Për lëngjet dhe gazet, zgjerimi i vëllimit është më i rëndësishëm se zgjerimi linear dhe përshkruhet nga koeficienti të zgjerimit vëllimor.
Ndryshimet fazore janë transformime ndërmjet fazave të ngurta, të lëngëta dhe të gazta të një substance dhe përfshijnë thithjen ose çlirimin e energjisë pa ndryshuar temperaturën. Llojet kryesore të ndryshimeve fazore përfshijnë shkrirjen, ngrirjen, avullimin, kondensimin, sublimimin dhe depozitimin. Nxehtësia e lidhur me ndryshimin e fazës njihet si nxehtësia latente. Për shembull, energjia e nevojshme për të ndryshuar 1 kg akull në ujë pa ndryshuar temperaturën quhet nxehtësia latente e shkrirjes ( \(L f\) ), ndërsa energjia e nevojshme për të kthyer 1 kg ujë në avull pa ndryshim të temperaturës quhet nxehtësia latente e avullimit ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) për shkrirje ose ngrirje, \(Q = mL_v\) për avullim ose kondensim.
Energjia termike mund të transferohet përmes materies me përcjellje, konvekcion dhe rrezatim. Përçimi është transferimi i nxehtësisë midis substancave që janë në kontakt të drejtpërdrejtë me njëra-tjetrën. Përçueshmëria termike ( \(k\) ) e një materiali është një masë e aftësisë së tij për të përcjellë nxehtësinë. Ligji i Furierit për përcjelljen termike tregon marrëdhënien midis shkallës së transferimit të nxehtësisë ( \(Q/t\) ), përçueshmërisë termike ( \(k\) ), sipërfaqes ( \(A\) ), gradientit të temperaturës ( \(\Delta T/L\) ), dhe trashësia e materialit ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) Konvekcioni është transferimi i nxehtësisë nga lëvizja e lëngjeve (lëngjeve ose gazeve). ) shkaktuar nga ndryshimet e temperaturës. Ai përfshin lëvizjen më të madhe të lëngut. Rrezatimi është transferimi i energjisë përmes valëve elektromagnetike dhe nuk kërkon një medium për t'u përhapur. Të gjitha objektet lëshojnë rrezatim termik dhe sasia e rrezatimit të emetuar rritet me fuqinë e katërt të temperaturës së objektit, siç përshkruhet nga ligji Stefan-Boltzmann: \(P = \sigma AT^4\) ku \(P\) është fuqia e emetuar, \(\sigma\) është konstanta Stefan-Boltzmann, \(A\) është sipërfaqja dhe \(T\) është temperatura në Kelvin.
Uji ka disa veti unike që lidhen me kapacitetin e tij specifik të nxehtësisë dhe sjelljen e tij afër 4°C. Kapaciteti specifik termik i ujit është dukshëm i lartë, që do të thotë se kërkon shumë energji termike për të rritur temperaturën e tij, duke kontribuar në rolin e tij si një tampon termik në ekosisteme. Gjithashtu, uji arrin densitetin maksimal në 4°C; ndërsa ftohet nën këtë temperaturë, zgjerohet. Ky zgjerim anormal është thelbësor për mbijetesën e jetës ujore në klimat e ftohta, pasi akulli formohet në sipërfaqen e trupave ujorë, duke izoluar ujin poshtë.
Vetitë termike të materies kanë aplikime të gjera në jetën e përditshme dhe në industri. Për shembull, zgjerimi termik konsiderohet në projektimin e urave dhe hekurudhave për të lejuar zgjerimin dhe tkurrjen me ndryshimet e temperaturës. Kapaciteti i lartë specifik termik i ujit e bën atë një ftohës të shkëlqyer në proceset industriale dhe termocentralet.
Në një eksperiment për të demonstruar kapacitetin specifik të nxehtësisë së ujit, përdoret një ngrohës për të transferuar një sasi të njohur energjie në një sasi të matur uji. Duke vëzhguar ndryshimin e temperaturës, nxënësit mund të llogarisin kapacitetin termik specifik të ujit duke përdorur formulën \(Q = mc\Delta T\) .
Një tjetër demonstrim i zakonshëm përfshin vendosjen e një tullumbace mbi një balonë me ujë. Ndërsa uji nxehet dhe kthehet në avull, tullumbace fryhet për shkak të avullit të ujit që shtyn ajrin. Kjo tregon zgjerimin e ujit kur kthehet në gaz, një efekt i dukshëm i zgjerimit termik të materies.
Kuptimi i vetive termike të materies jo vetëm që rrit zotërimin tonë të fizikës themelore, por gjithashtu pasuron aftësinë tonë për të inxhinieruar zgjidhje për një sërë sfidash praktike.
