Materia, substansen som alla fysiska föremål består av, uppvisar en rad termiska egenskaper som är avgörande för att förstå världen omkring oss. Dessa egenskaper – såsom temperatur, värme och termisk expansion – styrs av principerna för energiöverföring och fysikens lagar.
Temperatur är ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin för partiklarna i ett ämne, ofta mätt i grader Celsius (°C), Fahrenheit (°F) eller Kelvin (K). Värme, å andra sidan, är en form av energiöverföring mellan två objekt eller system på grund av en temperaturskillnad. Enheten för värme i International System of Units (SI) är joule (J). Förhållandet mellan värme ( \(Q\) ), massa ( \(m\) ), specifik värmekapacitet ( \(c\) ), och temperaturförändring ( \(\Delta T\) ) beskrivs av ekvationen: \(Q = mc\Delta T\) Specifik värmekapacitet är ett mått på mängden värmeenergi som krävs för att ändra temperaturen på ett kilogram av ett ämne med en grad Celsius.
När material värms upp expanderar de vanligtvis. Detta fenomen är känt som termisk expansion och det kan observeras i fasta ämnen, vätskor och gaser. Termisk expansion uppstår eftersom temperaturökningen resulterar i en ökning av den kinetiska energin hos partiklarna, vilket får dem att flytta isär. Omfattningen av termisk expansion kan beskrivas av linjär expansionskoefficient ( \(\alpha\) ), för fasta ämnen, som visar förändringen i längd ( \(\Delta L\) ) per längdenhet ( \(L\) ) per grads förändring i temperatur ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) För vätskor och gaser är volymexpansion mer relevant än linjär expansion, och den beskrivs av koefficienten av volymetrisk expansion.
Fasförändringar är omvandlingar mellan de fasta, flytande och gasfaserna i ett ämne och involverar absorption eller frigöring av energi utan att temperaturen ändras. Huvudtyperna av fasförändringar inkluderar smältning, frysning, förångning, kondensation, sublimering och avsättning. Värmen som är förknippad med fasförändring är känd som latent värme. Till exempel kallas energin som krävs för att omvandla 1 kg is till vatten utan att ändra temperatur det latenta fusionsvärmet ( \(L f\) ), medan energin som krävs för att omvandla 1 kg vatten till ånga utan temperaturförändring kallas det latenta förångningsvärmet ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) för smältning eller frysning, \(Q = mL_v\) för förångning eller kondensation.
Termisk energi kan överföras genom materia genom ledning, konvektion och strålning. Överledning är överföring av värme mellan ämnen som är i direkt kontakt med varandra. Värmeledningsförmågan ( \(k\) ) hos ett material är ett mått på dess förmåga att leda värme. Fouriers lag för värmeledning visar sambandet mellan värmeöverföringshastigheten ( \(Q/t\) ), värmeledningsförmåga ( \(k\) ), area ( \(A\) ), temperaturgradient ( \(\Delta T/L\) ), och materialets tjocklek ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) Konvektion är överföring av värme genom rörelse av vätskor (vätskor eller gaser) ) orsakade av temperaturskillnader. Det involverar bulkrörelsen av vätskan. Strålning är överföring av energi genom elektromagnetiska vågor och kräver inget medium för att fortplanta sig. Alla objekt avger termisk strålning, och mängden strålning som sänds ut ökar med fjärde potensen av objektets temperatur, enligt Stefan-Boltzmanns lag: \(P = \sigma AT^4\) där \(P\) är den emitterade effekten, \(\sigma\) är Stefan-Boltzmanns konstant, \(A\) är ytan och \(T\) är temperaturen i Kelvin.
Vatten har några unika egenskaper relaterade till dess specifika värmekapacitet och dess beteende nära 4°C. Vattnets specifika värmekapacitet är markant hög, vilket innebär att det kräver mycket värmeenergi för att höja dess temperatur, vilket bidrar till dess roll som termisk buffert i ekosystem. Dessutom når vatten sin maximala densitet vid 4°C; när den svalnar under denna temperatur expanderar den. Denna onormala expansion är avgörande för överlevnaden av vattenlevande liv i kalla klimat, eftersom is bildas på ytan av vattendrag som isolerar vattnet nedanför.
Materiens termiska egenskaper har omfattande tillämpningar i det dagliga livet och industrin. Till exempel beaktas termisk expansion vid utformningen av broar och järnvägar för att möjliggöra expansion och sammandragning med temperaturförändringar. Vattens höga specifika värmekapacitet gör det till ett utmärkt kylmedel i industriella processer och kraftverk.
I ett experiment för att demonstrera den specifika värmekapaciteten hos vatten, används en värmare för att överföra en känd mängd energi till en uppmätt mängd vatten. Genom att observera temperaturförändringen kan eleverna beräkna den specifika värmekapaciteten för vatten med formeln \(Q = mc\Delta T\) .
En annan vanlig demonstration innebär att man placerar en ballong över en kolv med vatten. När vattnet värms upp och förvandlas till ånga, blåses ballongen upp på grund av att vattenångan trycker på luften. Detta visar expansionen av vatten när det förvandlas till en gas, en synlig effekt av den termiska expansionen av materia.
Att förstå materiens termiska egenskaper förbättrar inte bara vårt grepp om grundläggande fysik utan berikar också vår förmåga att konstruera lösningar för en mängd praktiska utmaningar.
