Căldura și temperatura sunt concepte importante pentru fiecare dintre noi, în fiecare zi. Modul în care ne îmbrăcăm dimineața depinde de faptul dacă ziua este caldă sau rece și cea mai mare parte din ceea ce facem necesită energie care provine în cele din urmă de la Soare. Studiul căldurii și temperaturii face parte dintr-o zonă a fizicii cunoscută sub numele de termodinamică. Legile termodinamicii guvernează fluxul de energie în întregul univers. Acestea sunt studiate în toate domeniile științei și ingineriei, de la chimie la biologie și științe ale mediului.
Nu este întotdeauna ușor să distingem între termenii de căldură și temperatură. Căldura este fluxul de energie de la un obiect la altul. Acest flux de energie este cauzat de o diferență de temperatură. Transferul de căldură poate schimba temperatura. Termodinamica afectează totul, de la comportamentul atomilor și moleculelor la gătit și vremea noastră de pe Pământ, până la ciclurile de viață ale stelelor.
1.1 Temperatura și echilibrul termic
Căldura ne este familiară tuturor. Putem simți căldura care intră în corpul nostru de la soarele de vară sau de la cafea sau ceaiul fierbinte după o plimbare de iarnă. De asemenea, putem simți căldura părăsind corpul, pe măsură ce simțim frigul nopții sau efectul răcoritor al transpirației după exerciții.
Ce este căldura? Cum o definim și cum este legată de temperatură? Care sunt efectele căldurii și cum curge din loc în loc? Vom constata că, în ciuda bogăției fenomenelor, un mic set de principii fizice subiacente unește acești subiecți și îi leagă de alte domenii.
Temperatura
Conceptul de temperatură a evoluat din conceptele comune de cald și rece. Definiția științifică a temperaturii explică mai mult decât simțurile noastre de cald și rece. După cum probabil ați învățat deja, multe mărimi fizice sunt definite numai în funcție de modul în care sunt observate sau măsurate, adică sunt definite operațional. Temperatura este definită operațional ca fiind cantitatea din ceea ce măsurăm cu un termometru. În teoria cinetică a gazelor, temperatura este proporțională cu energia cinetică medie a translației, fapt care oferă o definiție mai fizică. Diferențele de temperatură mențin transferul de căldură în tot universul. Transferul de căldură este mișcarea energiei dintr-un loc sau material în altul ca urmare a unei diferențe de temperatură.
Echilibrul termic
Un concept important legat de temperatură este echilibrul termic. Două obiecte se află în echilibru termic dacă sunt în contact strâns care permite fie să câștige energie unul din celălalt, dar cu toate acestea, nu se transferă energie netă între ele. Chiar și atunci când nu sunt în contact, acestea se află în echilibru termic dacă, atunci când sunt puse în contact, nu se transferă energie netă între ele. Dacă două obiecte rămân în contact pentru o lungă perioadă de timp, de obicei ajung la echilibru. Cu alte cuvinte, două obiecte aflate în echilibru termic nu schimbă energie.
Experimental, dacă obiectul A este în echilibru cu obiectul B, iar obiectul B este în echilibru cu obiectul C, atunci (așa cum ați fi putut ghici deja) obiectul A este în echilibru cu obiectul C. Această declarație de tranzitivitate se numește legea zero a termodinamicii. (Numărul „zero” a fost sugerat de fizicianul britanic Ralph Fowler în anii 1930. Prima, a doua și a treia lege a termodinamicii erau deja numite și numerotate atunci. Legea zero a fost rareori menționată, dar trebuie discutată înainte de altele, deci Fowler i-a dat un număr mai mic.) Luați în considerare cazul în care A este un termometru. Legea zero ne spune că dacă A citește o anumită temperatură atunci când este în echilibru cu B și este apoi pusă în contact cu C, nu va face schimb de energie cu C; prin urmare, citirea temperaturii sale va rămâne aceeași (Figura 1.2). Cu alte cuvinte, dacă două obiecte sunt în echilibru termic, ele au aceeași temperatură.
Figura 1.2 Dacă termometrul A este în echilibru termic cu obiectul B și B este în echilibru termic cu C, atunci A este în echilibru termic cu C. Prin urmare, citirea de pe A rămâne aceeași atunci când A este deplasat pentru a intra în contact cu C.
Un termometru își măsoară propria temperatură. Prin conceptele de echilibru termic și legea zero a termodinamicii putem spune că un termometru măsoară temperatura a altceva, și pentru a da sens afirmației că două obiecte sunt la aceeași temperatură.
Ne vom referi adesea la „sisteme” în loc de „obiecte”. Un sistem constă din unul sau mai multe obiecte – dar în termodinamică, avem nevoie ca un sistem să fie macroscopic, adică să fie format dintr-un număr imens (cum ar fi 1023) de molecule. Atunci putem spune că un sistem este în echilibru termic cu el însuși dacă toate părțile acestuia sunt la aceeași temperatură.
Sursa: University Physics (OpenStax), https://openstax.org/books/university-physics-volume-1/pages/1-introduction acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2
Descoperă universul fizicii printr-o perspectivă fenomenologică captivantă!
Buclele cauzale în călătoria în timp
Descoperiți misterele călătoriei în timp și buclele cauzale!
Legea gravitației universale a lui Newton
O privire de ansamblu asupra descoperirilor lui Newton și asupra implicațiilor acestei legi în înțelegerea Universului.
Lasă un răspuns