Что такое тепло?

Я попытаюсь дать ответ в чисто классической термодинамике.

Резюме

Тепло – это способ учета передачи энергии между термодинамическими системами . Вся энергия, которая не передается в виде работы, передается в виде тепла. Если вы наблюдаете термодинамический процесс и вычисляете, что система А потеряла$Q$калорий тепла, это означает, что если бы окружающая среда вокруг системы А была заменена на$Q$грамм воды на$14\sideset{^{\circ}}{}{\mathrm{C}}$и процесс повторится, температура этой воды поднимется до$15\sideset{^{\circ}}{}{\mathrm{C}}$.

Энергия

Энергия – это число, связанное с состоянием системы. Его можно рассчитать, если указать переменные состояния — такие, как масса, температура, химический состав, давление и объем. (Эти переменные состояния не все независимы, поэтому вам нужно указать только их комбинацию.)

Иногда энергия может быть учтена очень просто. Для идеального газа энергия просто пропорциональна температуре, количеству молекул и количеству измерений. Для системы с интересным химическим составом, внутренними напряжениями и деформациями, гравитационным потенциалом и т. д. энергия может быть более сложной. По сути, мы изобретаем формулы энергии, которые наиболее полезны для нас.

Хороший обзор энергии есть в «Лекциях Фейнмана» здесь . Более теоретическую точку зрения на то, где эти энергетические формулы высвобождаются, см. Ответ Любоша Мотла здесь .

Энергосбережение

Пока мы даем правильные определения энергии, получается, что энергия сохраняется.

Предположим, у нас есть изолированная система. Если он не находится в равновесии, его состояние может измениться. Сохранение энергии означает, что в конце изменения новое состояние будет иметь ту же энергию. (По этой причине энергия часто рассматривается как ограничение. Например, изолированная система будет максимизировать свою энтропию при условии сохранения энергии.)

Это оставляет вопрос о том, что такое изолированная система. Если мы возьмем другую систему (среду) и сохраним ее вокруг изолированной системы, мы не обнаружим никаких наблюдаемых изменений в среде по мере изменения состояния изолированной системы. Например, изменения в изолированной системе не могут изменить температуру, давление или объем окружающей среды. Практически у изолированной системы не должно быть физических механизмов взаимодействия с остальной Вселенной. Вещество и излучение не могут уйти или войти, и не может быть теплопроводности (конечно, я потороплюсь с последним, но пока примите «теплопроводность» как грубый термин). Совершенно изолированная система — это только идеализация.

Затем мы наблюдаем взаимодействие систем A и B. Перед взаимодействием А имеет энергию 100 Дж. После взаимодействия А имеет 90 джоулей энергии, поэтому он потерял 10 джоулей. Закон сохранения энергии говорит, что если мы измерим энергию в системе B до и после взаимодействия, мы всегда обнаружим, что система B получила 10 джоулей энергии. В общем, система B всегда будет выигрывать ровно столько, сколько потеряет система A, поэтому общая сумма постоянна.

Есть нюансы и предостережения по энергосбережению. См. , например, этот вопрос .

Работа

Работа определяется

$P$это давление ;$V$является Volume , и довольно легко дать рабочие определения обоих.

Используя это уравнение, мы должны убедиться, что$P$это давление окружающей среды на систему. Например, если мы отправим воздушный шар в космос, он начнет расширяться. Однако это не сработает, потому что давление на шар равно нулю. Однако, если воздушный шар расширяется на Земле, он совершает работу, определяемую произведением изменения его объема и атмосферного давления.

В этом примере весь воздушный шар рассматривается как система. Вместо этого мы могли бы думать только о воздухе внутри воздушного шара как о системе. Его среда — это резина воздушного шара. Затем, когда воздушный шар расширяется в открытом космосе, воздух внутри действительно работает против давления эластичного воздушного шара.

Я написал больше о работе в этом ответе .

Адиабатические процессы

Работа и энергия, как описано до сих пор, являются независимыми идеями. Оказывается, при определенных обстоятельствах они тесно связаны.

Для некоторых систем мы обнаруживаем, что уменьшение энергии системы точно такое же, как и работа, которую она совершает. Например, если мы возьмем этот воздушный шар в космос и посмотрим, как он расширяется, воздух в нем будет терять энергию по мере расширения. Мы бы знали, потому что измеряем температуру, давление и объем воздуха до и после расширения и вычисляем изменение энергии по формуле.

Тем временем воздух совершал работу над воздушным шаром. Мы можем рассчитать эту работу, измерив давление, которое воздушный шар оказывает на воздух, и умножив его на изменение объема (или проинтегрировав, если давление непостоянно).

Примечательно, что мы могли обнаружить, что эти два числа, работа и изменение энергии, всегда оказывались в точности одинаковыми, за исключением знака минус. Такой процесс называется адиабатическим.

В действительности адиабатические процессы являются приближениями. Они лучше всего работают с системами, которые почти изолированы, но имеют ограниченный способ взаимодействия с окружающей средой или же происходят слишком быстро, чтобы взаимодействия помимо давления-объема могли быть важными.

В нашем воздушном шаре расширение может не быть адиабатическим из-за излучения или проводимости между воздушным шаром и воздухом. Если бы воздушный шар был идеальным изолятором и совершенно белым, мы бы ожидали, что процесс будет адиабатическим.

Звуковые волны распространяются по существу адиабатически не потому, что нет механизмов взаимодействия одной небольшой массы воздуха с соседними, а потому, что эти механизмы (диффузия, конвекция и т. д.) слишком медленны, чтобы действовать во временном масштабе периода звуковая волна (около тысячных долей секунды).

Это заставляет нас думать о работе по-новому. В адиабатических процессах работа представляет собой обмен энергией от одной системы к другой. Работа по-прежнему рассчитывается из$P\textrm{d}V$, но как только мы вычислим работу, мы узнаем изменение энергии.

Нагревать

Реальные процессы не являются адиабатическими. Одни близки, а другие вовсе не близки. Например, если я поставлю кастрюлю с водой на плиту и включу горелку, объем воды почти не изменится, поэтому работа, совершаемая при нагревании воды, почти равна нулю, а работа, совершаемая водой, положительна, это означает, что вода должна терять энергию.

Однако на самом деле вода получает много энергии, что мы можем обнаружить, наблюдая за изменением температуры и используя формулу для энергии, которая включает температуру. Энергия попала в котел, но не от работы.

Это означает, что работа не является достаточным понятием для описания переноса энергии. Мы изобретаем новый общий термин для передачи энергии, которая не совершается за счет работы. Этот термин — «тепло».

Теплота — это просто любая энергия, передаваемая между двумя системами не только работой, но и другими способами. Энергия, поступающая в кипящий котел, поступает посредством тепла. Это приводит к термодинамическому уравнению

$E$это энергия,$W$работа и$Q$нагревать. Знак минус является условным. В нем говорится, что если система работает, она теряет энергию, но если она получает тепло, она получает энергию.

Интерпретация тепла

Раньше меня очень смущала теплота, потому что это было похоже на deus ex machina, когда я говорил: «Вся оставшаяся энергия должна быть теплом». Что значит сказать, что что-то «потеряло 30 калорий из-за тепла»? Как вы можете посмотреть на это и сказать? Давление, температура, объем определяются в терминах очень определенных, конкретных вещей, а работа определяется в терминах давления и объема. По сравнению с этим тепло кажется слишком абстрактным.

Один из способов получить представление о тепле, а также просмотреть все, что было до сих пор, — это взглянуть на эксперименты Джеймса Джоуля . Джоуль поместил гребное колесо в ванну с водой, соединил колесо с грузом так, чтобы вес вращал колесо, и позволил грузу упасть. Вот изображение установки из Википедии:
$\hspace{100px}$.

Когда вес упал, он сработал на воде; в любой момент на лопасти оказывалось некоторое давление, и они выметали объем, пропорциональный их площади и скорости. Джоуль предположил, что вся энергия, переданная воде, была передана за счет работы.

Грузы теряли энергию при падении, потому что уменьшалась их гравитационная потенциальная энергия. Предполагая, что энергия сохраняется, Джоуль мог бы найти, сколько энергии уходит в воду. Он также измерил температуру воды. Это позволило ему выяснить, как изменяется энергия воды при изменении ее температуры.

Далее предположим, что Джоуль начинает нагревать воду огнем. На этот раз энергия передается в виде тепла, но если он повысит температуру воды точно в том же диапазоне, что и в опыте с работой, то передача тепла в этом опыте должна быть такой же, как работа, совершенная в предыдущем. Итак, теперь у нас есть представление о том, что делает тепло с точки зрения работы. Джоуль обнаружил, что для повышения температуры одного грамма воды с$14\sideset{^{\circ}}{}{\mathrm{C}}$к$15\sideset{^{\circ}}{}{\mathrm{C}}$. Если у вас есть больше воды, чем это, требуется больше работы пропорционально. 4,2 джоуля называют одной калорией.

Наконец мы можем дать физическую интерпретацию тепла. Представьте какой-нибудь общий термодинамический процесс. Представьте, что это происходит в поршне, чтобы мы могли легко отслеживать давление и объем. Мы измеряем изменение энергии и работу во время процесса. Затем мы приписываем любую недостающую передачу энергии теплу и говорим: «система отдала 1000 джоулей (или 239 калорий) тепла». Это означает, что если мы возьмем поршень и окружим его 239 граммами воды при$14\sideset{^{\circ}}{}{\mathrm{C}}$, затем проделал точно такой же процесс, температура воды поднимется до$15\sideset{^{\circ}}{}{\mathrm{C}}$.

Заблуждения

То, что я обсуждал в этом посте, — это первый закон термодинамики — сохранение энергии. Студенты часто путаются в том, что такое тепло, потому что путают его определение с той ролью, которую оно играет во втором законе термодинамики, которую я здесь не обсуждал. Этот раздел предназначен для того, чтобы указать, что некоторые общеупотребительные утверждения о тепле представляют собой либо небрежное использование языка (что нормально, если все понимают, о чем говорится), либо правильное использование тепла, но не прямое обсуждение того, что такое тепло. .

Внутри вещей нет определенного количества тепла. Представьте себе дом с парадной дверью и задней дверью. Люди могут приходить и уходить через любую дверь. Если вы наблюдаете за домом, вы можете сказать: «Сегодня дом потерял 3 скрытных людей». Конечно, люди в доме — просто люди. Дверь только описывает, как они ушли. Точно так же энергия — это просто энергия. «Работа» и «тепло» описывают, какой механизм использовался для выхода из системы или входа в нее. (Обратите внимание, что энергия сама по себе не является такой же вещью, как люди, а всего лишь числом, вычисляемым из состояния, так что аналогия только простирается.)

Мы часто говорим, что энергия «теряется в тепле». Например, если вы нажмете на тормоз в своей машине, кажется, что вся кинетическая энергия исчезает. Мы замечаем, что тормозные колодки, резина в шинах и дорога становятся немного горячее, и мы говорим, что «кинетическая энергия автомобиля превратилась в тепло». Это неточно. Это разговорное выражение, означающее, что «кинетическая энергия автомобиля передавалась в виде тепла тормозным колодкам, резине и дороге, где она теперь существует в виде тепловой энергии ».

Тепло — это не то же самое, что температура. Температура – ​​это то, что вы измеряете термометром. Когда тепло переносится в систему, ее температура увеличивается, но ее температура также может увеличиваться, потому что вы совершаете над ней работу.

Связь между теплотой и температурой включает новую переменную состояния, энтропию , и описывается вторым законом термодинамики . Такие утверждения, как «тепло самопроизвольно перетекает от горячих тел к холодным телам», описывают этот второй закон термодинамики и на самом деле являются утверждениями о том, как использовать тепло вместе с определенными переменными состояния, чтобы решить, является ли данный процесс самопроизвольным. они не являются прямыми утверждениями о том, что такое тепло.

Тепло не является «энергией низкого качества», потому что это не энергия. Подобные утверждения — это опять же обсуждение второго закона термодинамики.

Ссылка

Этот пост основан на том, что я помню из первых двух глав книги Энрико Ферми « Термодинамика » .

Слово «тепло» используется для обозначения передачи энергии от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой. Вы никогда не должны говорить, что тело содержит определенное количество тепла; следует только сказать, что определенное количество теплоты перетекало от одного тела к другому. Как правильно говорит Ник, это выражается в единицах энергии (джоулях, а иногда и в калориях).

Три значения:

1. количество энергии (в джоулях), переданное от «горячего тела» к «холодному телу»

2. процесс 1.

3. неточная 1-форма Q такая, что$dE=W+Q$или же$Q=TdS$

Тепло не является веществом. Тепло нельзя «извлечь» из тела. Микроскопически теплота есть «поток кинетической энергии» в процессе достижения теплового равновесия.

Внутреннюю энергию можно определить как способность выполнять работу или производить тепло (среди прочего).

Вы можете определить систему, определив ее границы. Энергия, протекающая через границы системы, может быть теплотой или работой.

Хотя Энергия может существовать в системе как потенциал (во многих формах), для обмена ею из одной системы в другую она принимает или именуется в этих конкретных формах: теплота и работа.

Чем теплота отличается от работы?

Механическая работа – это сила, действующая через расстояние в определенном направлении. Это актуально и полезно для наших повседневных задач, таких как: перемещение руки, поршня, машины, затем автомобиля и т. д. Это в заданном предпочтительном направлении. Эта энергия может быть использована для ответа на какое-то намерение всей системы — это одна из причин, по которой ее часто называют полезной энергией.

С другой стороны, в микроскопическом масштабе частиц много, и их нелегко контролировать. У них нет предпочтительного направления движения; частицы вибрируют и движутся беспорядочно. Они не движутся в когерентном направлении, хотя и имеют среднюю скорость (связанную с температурой системы). Это своего рода симметрия в том смысле, что нет предпочтительного направления. Но, эту извращенную энергию можно передать, так что изотропия с рассеянным количеством «сюрпризов» и информации переходит границы под названием Тепло. Эта передача тепла переводит взаимодействующие системы в полностью скучное мертвое состояние (в которое системы обычно эволюционируют).

Тепло передается от высокотемпературных систем к низкотемпературным. Изменения в системах, происходящие в результате теплопередачи, сильно зависят от пути (т. е. его эффекты зависят от давления, объема, времени, разницы температур, порядка событий...)

Наконец, механическая работа, помимо движения большого количества частиц в когерентном направлении, это «преднамеренное действие» порождает в микроскопическом масштабе также множество «непреднамеренных действий» (т . никогда не одинок.

Работа может полностью превратиться в теплоту, но теплота не может полностью превратиться в работу. Вот почему тепло обычно рассматривается как потеря энергии. В упрощенных механических системах определением энергии часто является «способность физической системы совершать работу» (т. е. без учета передачи тепла).

«Тепловая энергия» , Википедия.

Почитайте о молекулярном/статистическом описании тепловой энергии (которая не является теплом), и вы действительно почувствуете, что это такое на самом деле.

Поскольку строгое описание тепла основано на энтропии, позвольте мне обозначить его как$q$и энтропия на$s$($\mathrm{d}q$полный дифференциал$q$), тогда

Вы можете встретить множество интуитивных (в основном неверных) определений и описаний тепла. Некоторые из них могут все еще работать, если вы инженер-механик, работающий с простыми (линейными) тепловыми/жидкостными системами, но если вы физик, вам действительно нужно знать энтропию и теплоту с точки зрения этого.

Размерно,$q$(тепло) равно энергии.

Во многом это исторический артефакт. Но его часто используют для обозначения энергии. В любом учебнике по физике это будет пониматься как аналог энергии и поэтому измеряться в джоулях.