Matter, dutu ambayo vitu vyote vya kimwili vinaundwa, huonyesha sifa mbalimbali za joto ambazo ni muhimu kuelewa ulimwengu unaotuzunguka. Sifa hizi—kama vile halijoto, joto, na upanuzi wa joto—huongozwa na kanuni za uhamishaji nishati na sheria za fizikia.
Joto ni kipimo cha wastani wa nishati ya kinetiki ya chembe katika dutu, mara nyingi hupimwa kwa nyuzi joto Selsiasi (°C), Fahrenheit (°F), au Kelvin (K). Joto, kwa upande mwingine, ni aina ya uhamisho wa nishati kati ya vitu viwili au mifumo kutokana na tofauti ya joto. Kitengo cha joto katika Mfumo wa Kimataifa wa Vitengo (SI) ni joule (J). Uhusiano kati ya joto ( \(Q\) ), wingi ( \(m\) ), uwezo maalum wa joto ( \(c\) ), na mabadiliko ya halijoto ( \(\Delta T\) ) unafafanuliwa na mlinganyo: \(Q = mc\Delta T\) Uwezo mahususi wa joto ni kipimo cha kiasi cha nishati ya joto kinachohitajika kubadilisha halijoto ya kilo moja ya dutu kwa digrii moja ya Selsiasi.
Wakati vifaa vinapokanzwa, kawaida hupanua. Hali hii inajulikana kama upanuzi wa joto na inaweza kuzingatiwa katika vitu vikali, vimiminika na gesi. Upanuzi wa joto hutokea kwa sababu ongezeko la joto husababisha ongezeko la nishati ya kinetic ya chembe, na kuzifanya ziende kando. Upeo wa upanuzi wa mafuta unaweza kuelezewa na mgawo wa upanuzi wa mstari ( \(\alpha\) ), kwa yabisi, ambayo inaonyesha mabadiliko ya urefu ( \(\Delta L\) ) kwa kila urefu wa kitengo ( \(L\) ) kwa mabadiliko ya digrii katika halijoto ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) Kwa vimiminika na gesi, upanuzi wa kiasi ni muhimu zaidi kuliko upanuzi wa mstari, na unafafanuliwa na mgawo. ya upanuzi wa volumetric.
Mabadiliko ya awamu ni mabadiliko kati ya awamu ya kigumu, kioevu na gesi ya dutu na huhusisha ufyonzwaji au kutolewa kwa nishati bila kubadilisha halijoto. Aina kuu za mabadiliko ya awamu ni pamoja na kuyeyuka, kufungia, kuyeyuka, kufidia, usablimishaji, na uwekaji. Joto linalohusishwa na mabadiliko ya awamu hujulikana kama joto lililofichika. Kwa mfano, nishati inayohitajika kubadilisha kilo 1 ya barafu kuwa maji bila kubadilisha halijoto inaitwa joto la fiche la muunganisho ( \(L f\) ), ilhali nishati inayohitajika kubadilisha kilo 1 ya maji kuwa mvuke bila mabadiliko ya joto inaitwa. joto lililofichika la mvuke ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) kwa kuyeyuka au kugandisha, \(Q = mL_v\) kwa ajili ya kuyeyushwa au kufidia.
Nishati ya joto inaweza kuhamishwa kupitia mata kwa upitishaji, upitishaji, na mionzi. Uendeshaji ni uhamisho wa joto kati ya vitu vinavyowasiliana moja kwa moja na kila mmoja. Conductivity ya joto ( \(k\) ) ya nyenzo ni kipimo cha uwezo wake wa kufanya joto. Sheria ya Fourier ya upitishaji wa joto inaonyesha uhusiano kati ya kiwango cha uhamisho wa joto ( \(Q/t\) ), conductivity ya joto ( \(k\) ), eneo ( \(A\) ), gradient ya joto ( \(\Delta T/L\) ), na unene wa nyenzo ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) Upitishaji ni uhamishaji wa joto kwa mwendo wa maji (kioevu au gesi ) unaosababishwa na tofauti za joto. Inahusisha harakati nyingi za maji. Mionzi ni uhamishaji wa nishati kupitia mawimbi ya sumakuumeme na hauitaji kati ili kueneza. Vitu vyote hutoa mionzi ya joto, na kiasi cha mionzi inayotolewa huongezeka kwa nguvu ya nne ya joto la kitu, kama ilivyoelezwa na sheria ya Stefan-Boltzmann: \(P = \sigma AT^4\) ambapo \(P\) ni nishati inayotolewa, \(\sigma\) ni Stefan-Boltzmann thabiti, \(A\) ni eneo la uso, na \(T\) ni halijoto katika Kelvin.
Maji yana sifa za kipekee zinazohusiana na uwezo wake mahususi wa joto na tabia yake karibu 4°C. Uwezo mahususi wa joto wa maji ni wa juu sana, ambayo ina maana kwamba inahitaji nishati nyingi ya joto ili kuongeza halijoto yake, na hivyo kuchangia katika jukumu lake kama buffer ya joto katika mifumo ikolojia. Zaidi ya hayo, maji hufikia wiani wake wa juu saa 4 ° C; inapopoa chini ya joto hili, hupanuka. Upanuzi huu usio wa kawaida ni muhimu kwa maisha ya viumbe vya majini katika hali ya hewa ya baridi, kwani barafu hutengeneza juu ya uso wa maji, na kuhami maji chini.
Sifa za joto za maada zina matumizi mbalimbali katika maisha ya kila siku na tasnia. Kwa mfano, upanuzi wa joto huzingatiwa katika muundo wa madaraja na reli ili kuruhusu upanuzi na kupungua kwa mabadiliko ya joto. Uwezo mahususi wa juu wa joto wa maji huifanya kupoeza bora katika michakato ya viwandani na mitambo ya nguvu.
Katika jaribio la kuonyesha uwezo maalum wa joto wa maji, hita hutumiwa kuhamisha kiasi kinachojulikana cha nishati kwa kiasi kilichopimwa cha maji. Kwa kuangalia mabadiliko ya halijoto, wanafunzi wanaweza kukokotoa uwezo maalum wa joto wa maji kwa kutumia fomula \(Q = mc\Delta T\) .
Onyesho lingine la kawaida linahusisha kuweka puto juu ya chupa yenye maji. Maji yanapopashwa moto na kugeuka kuwa mvuke, puto hupanda hewa kutokana na mvuke wa maji unaosukuma hewa. Hii inaonyesha upanuzi wa maji wakati inageuka kuwa gesi, athari inayoonekana ya upanuzi wa joto wa suala.
Kuelewa sifa za joto za maada huongeza ufahamu wetu wa fizikia ya kimsingi tu bali pia huongeza uwezo wetu wa kupata suluhu za kihandisi kwa changamoto mbalimbali za kiutendaji.
