Teplo

Pro NBA košíkářské družstvo, vidět Miami teplo.

Ve fyzice, teplo je definováno jak energie při přepravě.^[1] Obecně, teplo je forma energie spojené s pohybem atomů, molekuly a jiné částečky, které zahrnují vadí. Teplo může být vytvořeno chemickými reakcemi (takový jak hořící), jaderné reakce (takový jako roztavení vzetí místa uvnitř slunce), elektromagnetické rozptýlení (jak v elektrických pecích), nebo mechanické rozptýlení (takový jako tření). Teplo může být přeneseno mezi objekty radiací, vedením a konvekcí. Teplota, definovaný jako míra objektu spontánně nechat energie, je používán ukázat úroveň základního pohybu spojeného s teplem. Teplo může jen být přeneseno mezi objekty nebo oblastmi uvnitř objektu, s různými teplotami, a pak jediný ve směru chladnějšího těla.

Solar-termální “teplo” emise zaznamenávaly přes Soho/ EIT dalekohled.

Historie

První k navrhli zdání teorie na teple byl řecký filozof Heraclitus kdo žil kolem 500 př.n.l. ve městě Ephesus v Ionii, Malá Asie. On stal se slavný jak “tok a oheň” filozof pro jeho příslovečnou promluvu: “všechny věci jsou plynoucí.” Heraclitus argumentoval, že tři principové elementy v přírodě byly oheň, země a voda. Tito tři, nicméně, oheň je přiřazen jako ovládání ústředního člena a přizpůsobení jiný dva. Vesmír byl postulován být v nepřetržitém stavu stavu toku nebo stálého stavu změny jako výsledek transformací ohně. Heraclitus shrnul jeho filozofii jak: “všechny věci jsou výměna pro oheň.”

Jak brzy jak 460 př.n.l. Hippocrates, otec medicíny, postuloval, že:

Teplo, kvantita, která funguje k živý, pochází z vnitřního ohně lokalizovaného v levé komoře.

Hypotéza, že teplo je forma pohybu byla navrhována zpočátku v 12. století. Asi 1600, anglický filozof a vědecká Francis slanina domýšleli se toho:

Teplo sám, jeho esence a quiddity je pohyb a nic jinde.

V 1738, švýcarský lékař a matematik Daniel Bernoulli publikoval Hydrodynamica který položil východisko pro kinetickou teorii plynů. V této práci, Bernoulli nejprve navrhoval že plyny sestávají z velkých množství molekul pohybovat se ve všech směrech, že jejich dopad na povrch způsobí tlak plynu, který my cítíme, a to co my zážitek jako teplo je prostě kinetická energie jejich pohybu.^[2] Stavět na této logice, v střední 17. století, anglický vědec Robert Hooke státy:

...teplo být nic jinde ale ostré a prudké pohybování částí těla.

Moderní historie tepla, nicméně, začne v 1797 když výrobce děla Benjamin Thompson, jinak známý jako Count Rumford, metodicky nejprve vyrazil počítat známý jev třecí teplo, tj. zjistit jak hodně teplo je produkováno otiskem kovu proti kovu. To dělá toto, on navrhl specificky tvarovaný dělový barel, důkladně izoloval proti ztrátě tepla, pak nahradil ostrý vrtací nástroj s jednotvárnou vrtnou korunkou, a ponořil přední část zbraně v tanku plném vody. Používat toto nastavení, k jeho úžasu diváci, on dělal spáleninu chladné vody v dva-a-napůl-čas hodin, bez použití ohně.^[3]

Rumford shrne toto jevy takto: “to je stěží nutné sčítat, to něco který některý izoloval tělo … moci pokračovat opatřit bez omezení, moci ne možná být materiální substance; a to jeví se mně být extrémně obtížný, jestliže ne docela nemožný, tvořit nějakou zřetelnou myšlenku na něco schopný bytí rozrušoval a komunikoval ve způsobu Heat byl vzrušený a komunikoval v těchto experimentech, kromě toho být pohyb.” Jak daleko jako co tohoto “tepla” se pohybuje, kde to se pohybuje a jak to se pohybuje, Rumford byl v poměrném mrtvém bodu. Jak on říká: “já jsem velmi daleko od předstírat, že ví to jak … ten zvláštní druh pohybu v tělech který byl předpokládaný, že představuje teplo je vzrušený, pokračoval, a množený...”

V 1824, French připraví Sadi Carnot, věřit, že funkční teorie tepelných motorů by nějak pomáhala Napoleonovi a francouzská vláda v jejich válečných úsilích, publikoval Úvahy o pohonné síle ohně. V tomto papíru, který položil základ pro vědu termodynamiky, Carnot prosazoval druhé právo termodynamiky: “výroba pohonné síly je očekávaná ne ke spotřebě energie kalorický, ale k jeho přepravě tvořit teplou korporaci k chladnému tělu, tj. k jeho re-založení rovnováhy.” Podle Carnot, tento princip platí o nějakém souboru stroje v pohybu teplem.^[4]

To by nebylo až do 20. století, s potvrzením teorie že celá záležitost je složena z atomů, že konečnější teorie na teple mohly být založeny. Jiné důležité historické postuláty tepla zahrnují phlogiston (1733), vypalovat vzduch (1775), a kalorický (1787).

Přehled

Obecnou znalostí, termín teplo byl použit ve spojení s teplem nebo hotness, obklopení namítá. Pojetí že teplé objekty “obsahují teplo” je neneobvyklý. Během jeho 350 vývoje roku, věda termodynamiky založila fyzickou kvantitu pojmenovaný teplota počítat úroveň “tepla”, zatímco teplo (také nesprávně volal změna tepla) byl definován jako přechodná forma energie, která počítá spontánní přenos vnitřní energie kvůli rozdílu teploty (nebo sklon.) Jednotka Sie pro teplo je joule; alternativní jednotka ještě v použití v USA a jiných zemích je britská termální jednotka.

Teplo vyzařovat z rozpálené ocelové tyče.

Množství tepla vyměnilo objektem, když jeho teplota se mění jednou mírou je volán tepelná kapacita. Tepelná kapacita je typická pro každého a každý objekt. Když odkazoval se na jednotku množství (takový jako masa nebo krtci), teplo vyměněné na míru je pojmenováno měrné teplo, a závisí primárně na složení a lékařská prohlídka řeknou (fázi) objektů. Paliva tvoří předvídatelná množství tepla když hořel; toto teplo je znáno jak hodnota topení a je vyjádřen na jednotku množství. Na transitioning od jedné fáze k jinému, čisté látky mohou vyměnit teplo bez jejich teplotního utrpění nějaké změny. Množství tepla vyměněného během fázové změny je znáno jak skupenské teplo a závisí primárně na substanci a parafovat a konečná fáze.

Teplo je množství procesu — jak protichůdný k bytí kvantita státu — a je k tepelné energii jak práce je k mechanické energii. Teplo proudí mezi oblastmi, které nejsou v teplotní rovnováze spolu navzájem; to spontánně vyplývá z oblastí vysoké teploty k oblastem nízké teploty. Všechny objekty (vadí) mají jisté množství vnitřní energie, kvantita státu, která je příbuzná náhodnému pohybu jejich atomů nebo molekuly. Když dvě skupiny různé teploty vstoupí do teplotního kontaktu, oni vymění vnitřní energii až do teploty je vyrovnán; to je, než oni dosáhnou teplotní rovnováhy. Množství energie přenášelo je množství tepla vyměněné. To je obyčejný misconception splést teplo s vnitřní energií: teplo je příbuzné změně ve vnitřní energii a práci dělané systémem. Teplo termínu je používáno popsat tok energie, zatímco termínová vnitřní energie je používána popisovat energii sám. Rozumět tomuto rozdílu je nutná část pochopení první právo termodynamiky.

Infračervené záření je často spojeno k teplu, od objektů u pokojové teploty nebo nahoře bude vydávat záření převážně soustředěný v střední-infračervená skupina (viz černé těleso).

Notace

Tepelný obsah je tradičně zkrácen jak Q, a je změřen v joules v jednotkách Sie. Tepelný obsah, teplá přenosová rychlost a tepelný tok jsou často zkráceni s různými případy dopisu Q. Oni jsou často měněni v jiných kontextech. Pozorovat konvenci znamení, když tělo uvolňuje teplo do jeho okolí, Q <0 -="" When="" a="" body="" absorbs="" heat="" from="" its="" surroundings="">Q >   0 (+). Teplá přenosová rychlost, nebo proudění tepla na čas jednotky, je označen:

ukázat změnu na čas jednotky. To je změřeno v watts. Tepelný tok je definován jako množství tepla na čas jednotky na jednotku průřezová oblast, je zkrácen q, a je změřen v watts na metr čtvercový. To je také někdy notated jak Q? nebo q? nebo .

Termodynamika

Množství tepelné energie, ?Q, požadovaný měnit teplotu materiálu od počáteční teploty, T₀, k výstupní teplotě, T_f závisí na tepelné kapacitě toho materiálu podle vztahu:

Tepelná kapacita je závislá na jak množství materiálu, který vymění teplo tak jeho vlastnostech. Tepelná kapacita může být rozdělena v několika různých způsobech. Nejprve všichni, to může být reprezentováno jako produkt hmoty a specifické tepelné kapacity (více obyčejně volané měrné teplo):

nebo množství krtků a molárové tepelné kapacity:

Jak stolička tak specifické tepelné kapacity jen závisí na fyzikálních vlastnostech substance být ohříván, ne na nějakých specifických vlastnostech vzorku. Nahoře definice tepelné kapacity jen pracují přibližně pro pevné látky a kapaliny, ale pro plyny oni nepracují vůbec většina z času. Molárová tepelná kapacita může být “obvázaná” jestliže změny teploty nastanou u jeden konstantní objem nebo stálý tlak.

Teplo může být odvozeno z rovnice pro vnitřní energii U tím, že přeskupí:

.

kde w je práce. To je důležité si všimnout toho ačkoli U je státní funkce a proto konstanta po každém cyklu tepelného motoru, žádný q ani w je udržován.

Změny fáze

Bod varu vody, u hladiny moře a normálního atmosférického tlaku, bude vždy být u 100 ° C bez ohledu na to jak hodně teplo je přidáno. Zvláštní teplo mění fázi vody od kapaliny do vodní páry. Teplo se přidalo ke změně fáze substance v této cestě je řekl, aby byl “skrytý,” a tak to je voláno skupenské teplo (od latiny latere mínit “ležet skrytý”). Skupenské teplo je teplo na hmotu jednotky nutnou měnit stav dané substance, nebo:

a

Například, otáčet 1 libru vody do jedné libry páry u 100 ° C a u normální atmosférický tlak byl by: 1000 BTU = (1000 BTU/lb) (1 lb). Poznámka, která jako tlak se zvětší, L zvedne se mírně. Tady, M_o je množství hmoty zpočátku v nové etapě, a M je množství hmoty, která skončí v nové etapě. Také, L obecně nezávisí na množství hmoty to mění fázi, tak rovnice může normálně být psána:

Někdy L moci být čas-závislý jestliže tlak a hlasitost jsou čas-se měnit, tak to základní moci být se ovládal:

Mechanismy přenosu tepla

Jak zmínil se o předtím, teplo inklinuje k pohybu od oblasti vysoké teploty k oblasti nízké teploty. Tento přenos tepla může nastat vedením mechanismů a radiace. V strojírenství, termín convective přenos tepla je používán popisovat spojené efekty vedení a proud tekutiny a je považován za třetí mechanismus přenosu tepla.

Vedení

Vedení je nejvíce obyčejné prostředky k přenosu tepla v pevné látce. Na mikroskopické váze, vedení nastane jak horký, rychle se pohybovat nebo vibrovat atomy a molekuly se ovlivňují se sousedními atomy a molekulami, přenášet některé jejich energie (teplo) k těmto sousedním atomům. V izolačních látkách tepelný tok je nesen téměř úplně chvěními fonona.

“elektronový plyn” napomáhající kovová pevná látka diriguje téměř všichni tepelného toku přes pevnou látku. Tok fonona je ještě dar, ale vysílá méně než 1 % energie. Elektrony také řídí elektrický proud přes napomáhající pevné látky a termální a elektrické conductivities nejvíce kovy mají stejný poměr. Dobrý elektrický vodič, takový jako měď, obvykle také řídí teplo dobře. Peltier-Seebeck účinek vystavuje sklon elektronů řídit teplo přes elektricky napomáhající pevnou látku. Thermoelectricity je způsoben vztahem mezi elektrony, tepelnými toky a elektrickými proudy.

Proudění tepla

Konvekce je obvykle dominantní forma přenosu tepla v kapalinách a plynech. Toto je termín charakterizoval spojené efekty vedení a proud tekutiny. V konvekci, enthalpy převod nastane pohybem horkých nebo chladných částí tekutiny spolu s přenosem tepla vedením. Například, když voda je ohřívána na kamnech, horká voda od dna pánve se zvedne, ohřívat vodu u vrcholu pánve. Dva druhy konvekce jsou obyčejně rozlišovány, volná konvekce, ve kterém gravitace a výtlačné síly řídí plynulý pohyb, a vynucená konvekce, kde fanoušek, stirrer, nebo jiné prostředky je zvyklý na pohyb tekutina. Optimstická konvekce je kvůli účinkům gravitace, a od této doby se nevyskytuje v prostředích microgravity.

Radiace

Radiace je jediná forma přenosu tepla, který může vyskytovat se v nepřítomnosti nějaké formy média a jako takový je jediné prostředky k přenosu tepla přes vakuum. Tepelné sálání je přímý výsledek pohybů atomů a molekul v materiálu. Protože tyto atomy a molekuly jsou složeny z nosičů proudu (protony a elektrony), jejich činnosti vyústí v emisi elektromagnetického záření, který nese energii pryč od povrchu. Současně, povrch je stále vybombardovaný radiací od okolí, končit přenosem energie k povrchu. Protože množství vydávaného záření zvětší se s rostoucí teplotou, síťový přenos energie od vyšších teplot k nižším teplotám vyplývá.

Pro objekty pokojové teploty (~ 300 K), většina fotonů vydávala (a zapojený do radiative přenosu tepla) být v infračerveném spektru, ale toto je v žádném případě jediný kmitočtový rozsah zapojený do radiace. Frekvence vydávaly být částečně příbuzný černé-radiace těla. Žhavější objekty — vlákno žárovky u 3000K například — přenést teplo ve viditelném spektru nebo za. Kdykoli radiace Em je vydávána a pak zabraný, teplo je přeneseno. Tento princip je používán v mikrovlnných troubách, řezání laserem a RF vlasovém odstranění.

Jiné mechanismy přenosu tepla

• Skupenské teplo: Přenos tepla přes fyzickou změnu ve středu takový jako voda-k-mrazit nebo zalévat-k-pára zahrnuje významnou energii a je využívaná mnoha způsoby: parní stroj, etc ledničky. (viz skupenské teplo roztavení)
• Topná trubka: Používající skupenské teplo a vzlínání k pohybu zahřívají, to může vysílat mnohokrát jako hodně tepla jako podobný tříděný měděný prut. Původně vynalezl pro použití v satelitech, oni začnou mít použití v osobních počítačích.

Odvádění tepla

Ve studených podnebích, domy s jejich vyhřívacími systémy tvoří dissipative systémy. V zášti úsilí izolovat takové domy, redukovat ztráty tepla k jejich zevnějškům, značné teplo je ztraceno, nebo prostopášný, od nich který může dělat jejich vnitřky nepohodlně chladný nebo chladný. Dále, vnitřek domu musí být udržován ven teplotní rovnováhy s jeho vnějším okolím pro příčinu jeho obyvatelů. Ve skutečnosti domácí rezidence jsou oázy tepla v moři chladný a teplotní gradient mezi vnitřkem a venku je často docela přehnaný. Toto může vést k problémům takový jako kondenzace a nepohodlná dáma který, jestliže vlevo unaddressed, moci způsobit strukturální škodu k vlastnictví. Toto je proč moderní techniky izolace jsou vyžadovány redukovat tepelnou ztrátu.

V takový dům, termostat je zařízení schopné spouštění vyhřívací systém když vnitřek domu klesne pod nastavenou teplotu, a zastavovat ten stejný systém když další (vyšší) nastavená teplota byla dosáhl. Tak termostat řídí tok energie do domu, ta energie nakonec bytí ztratilo se k zevnějšku.