Правильно ли мое концептуальное понимание тепла и температуры?

Объект не обладает теплом. Они обладают внутренней энергией.

Теплота, как и работа, представляет собой передачу энергии и является свойством процесса или взаимодействия, а не объекта.

Тепло — это тип передачи энергии от одной системы к другой, а не внутренняя энергия любой данной системы («тепловая энергия» может быть хорошим термином для того, о чем вы думаете). Во «Введении в теплофизику» Даниэля Шредера, с. 18 говорит:

Тепло определяется как любой спонтанный поток энергии от одного объекта к другому, вызванный разницей температур между объектами... Работа в термодинамике определяется как любая другая передача энергии в систему или из нее. Вы работаете над системой всякий раз, когда нажимаете на поршень, размешиваете чашку кофе или пропускаете ток через резистор. В каждом случае энергия системы будет увеличиваться, и обычно ее температура тоже. Но мы не говорим, что объект «нагревается», потому что поток энергии не является самопроизвольным, вызванным разницей температур. Обычно при работе мы можем идентифицировать некоего «агента» (возможно, неодушевленный предмет), который «активно» вкладывает энергию в систему; это не произойдет «автоматически».

На следующей странице автор отмечает:

Процессы теплопередачи далее подразделяются на три категории в зависимости от задействованного механизма. Теплопроводность — это передача тепла посредством молекулярного контакта: быстро движущиеся молекулы сталкиваются с медленно движущимися молекулами, отдавая при этом часть своей энергии. Конвекция — это объемное движение газа или жидкости, обычно обусловленное тенденцией более теплого материала расширяться и подниматься в гравитационном поле. Излучение — это излучение электромагнитных волн, в основном инфракрасных для объектов при комнатной температуре, но включая видимый свет для более горячих объектов, таких как нить накаливания лампочки или поверхность солнца.

Хотя это не указано здесь, я считаю, что передача энергии через излучение считается «теплом» только в том случае, если это излучение черного тела, испускаемое исключительно из-за температуры объекта; позже в книге отмечается, что повышение температуры объекта в микроволновой печи будет считаться, например, «работой», а не «теплом». Дополнительная тонкость заключается в том, что технически все передачи энергии между молекулами при обычных температурах (ниже температур ядерных реакций) происходят из-за электромагнитных взаимодействий между ними и технически могут быть типами «передачи энергии через излучение», но, предположительно, Шредер использует «излучение». говорить о случаях, когда между системами происходит обмен энергией, даже если между ними существует макроскопическое разделение.

Что касается температуры, то теорема о равнораспределении говорит, что для набора молекул, каждая из которых имеет ряд «квадратичных степеней свободы» (имеется в виду, что энергия пропорциональна квадрату некоторой скорости или квадрату расстояния между молекулами в случае одного вида потенциальной энергии) каждая степень свободы будет в среднем содержать энергию$(1/2)kT$, поэтому общая «тепловая энергия» в системе из N молекул, каждая из которых имеет f степеней свободы, равна$U_{thermal} = N (f/2) kT$. Примечания к книге на стр. 15, что эта тепловая энергия не включает все виды энергии:

Прежде всего, количество$U_{thermal}$почти никогда не является полной энергией системы; есть также «статическая» энергия, которая не меняется при изменении температуры, например, энергия, хранящаяся в химических связях, или энергия покоя ($mc^2$) всех частиц в системе. Поэтому безопаснее применять теорему о равнораспределении только к изменениям энергии при повышении или понижении температуры и избегать фазовых превращений и других реакций, в которых могут быть нарушены связи между частицами.

Для газа, состоящего из молекул, каждая из которых состоит только из одного атома, единственными степенями свободы являются перемещения по трем независимым пространственным осям, каждая из которых может содержать некоторую кинетическую энергию. Однако для газа из двухатомных молекул помимо трех поступательных степеней свободы могут быть дополнительные. Существуют две вращательные степени свободы, которые также могут содержать кинетическую энергию — вращение вдоль оси, соединяющей две молекулы, не «учитывается», в книге говорится, что это «по причинам, связанным с квантовой механикой», но вращение вдоль двух ортогональные оси делает. И молекула тоже может вибрировать, два атома изменяют расстояние вдоль оси, соединяющей их, как два шара, соединенных пружиной, так что есть одна дополнительная степень свободы, которая может содержать кинетическую энергию от этой вибрации,потенциальная энергия, поскольку связь между атомами растягивается и сжимается, причем потенциал пропорционален квадрату расстояния, как пружина. Таким образом, двухатомная молекула может иметь до 7 степеней свободы, хотя есть еще одна сложность, заключающаяся в том, что при определенных температурах столкновения между молекулами могут быть недостаточно сильными, чтобы они могли обмениваться энергией при определенных степенях свободы — как говорится в книге. на стр. 16:

Однако при комнатной температуре многие колебательные степени свободы не дают вклада в тепловую энергию молекулы. Опять же, объяснение лежит в квантовой механике, как мы увидим в главе 3. Таким образом, молекулы воздуха ($N_2$и$O_2$), например, имеют только пять степеней свободы, а не семь, при комнатной температуре. При более высоких температурах колебательные моды в конечном итоге вносят свой вклад. Мы говорим, что эти моды «вымораживаются» при комнатной температуре; очевидно, столкновения с другими молекулами достаточно сильны, чтобы заставить молекулу воздуха вращаться, но вряд ли когда-либо достаточно сильны, чтобы заставить ее колебаться.

Температуру, когда становятся активными различные степени свободы, можно определить, измерив, как теплоемкость вещества зависит от температуры; примечания к книге на с. 28, что теплоемкость на самом деле следует называть «энергоемкостью», поскольку теплоемкость при постоянном объеме$C_V$определяется как скорость изменения внутренней энергии при повышении температуры,$\frac{\partial U}{\partial T}$, которую можно измерить, добавив небольшое известное количество энергии и наблюдая, как изменяется температура. Для системы только с квадратичными степенями свободы, где$U_{thermal} = N (f/2) kT$, вы можете видеть, что теплоемкость при постоянном объеме будет, таким образом,$N(f/2)k$, и, таким образом, измеряя теплоемкость как функцию температуры, вы можете увидеть, когда f увеличивается, как показано на диаграмме ниже с этой страницы :

Вышесказанное относится только к газу, с. 16 отмечает следующее о степенях свободы для твердых тел и жидкостей:

В твердом теле каждый атом может колебаться в трех перпендикулярных направлениях, поэтому для каждого атома имеется шесть степеней свободы (три для кинетической энергии и три для потенциальной энергии)... Однако опять-таки некоторые из степеней свободы могут быть " "заморожен" при комнатной температуре.

Жидкости сложнее, чем газы или твердые тела. Обычно можно использовать формулу$\frac{3}{2} kT$чтобы найти среднюю поступательную кинетическую энергию молекул в жидкости, но теорема о равнораспределении не работает для остальной части тепловой энергии, потому что межмолекулярные потенциальные энергии не являются хорошими квадратичными функциями.

Подводя итог, можно сказать, что температура пропорциональна средней поступательной кинетической энергии вдоль каждой из трех пространственных осей для газа, состоящего из одноатомных молекул, но для молекул с большим количеством атомов или для твердых тел она пропорциональна средней «тепловой энергии», которая включает непоступательную энергию. кинетическая энергия (вращение, вибрация) и потенциальная энергия; а если некоторые степени свободы неквадратичны, как в жидкости, то такой простой зависимости между температурой и полной внутренней энергией нет.

Более фундаментальное определение температуры в статистической механике состоит в том, что она обратна скорости изменения энтропии S при изменении внутренней энергии U — если объем V и число частиц N остаются фиксированными, температура определяется уравнением$\frac{1}{T} = \frac{\partial S}{\partial U}$(в случаях, когда N и / или V не являются фиксированными величинами, вы можете использовать «фундаментальное уравнение термодинамики», уравнение 5.1 на стр. 2 этого PDF-файла , чтобы связать температуру с другими величинами). Это означает, что по определению энтропия изолированной пары систем всегда будет увеличиваться, когда тепло перетекает из более горячей системы в более холодную, и энтропия достигает максимума, когда обе они достигают одинаковой температуры — см. этот ответ для больше по этому поводу.

Как говорится в другом ответе, объекты не обладают теплом. Теплота – это фактическое количество энергии, переданной от одного объекта другому.

Типичный случай, когда у вас есть два объекта$A,B$при различной температуре в контакте,$T_A>T_B$. Тогда это означает, как вы говорите, что средняя энергия$A$больше, чем средняя энергия$B$. Это индуцирует некоторую дополнительную энергию$A$как -то перевести на$B$: эта дополнительная переданная энергия является теплом; этот процесс будет происходить до тех пор, пока$T_A=T_B$. Обратите внимание, что количество переданного тепла связано с разницей температур (средняя КЭ ), а не с разницей энергий ( общая КЭ).