物理学における熱は、異なる温度にある物体や物質に接触するたびに伝達される熱エネルギーとして定義されます。このエネルギー伝達とそれに関連するすべてのプロセスは、物理学の重要な分野である熱力学の研究の対象です。
熱は、エネルギーがとる多くの形態の1つであり、最も身近なものの1つです。それはどこから来たのですか？答えは、物質を構成する原子と分子にあります。物の中のこれらの粒子は静的ではありません。私たちは、それらを柔らかいバネでつながれた小さなビーズとして想像することができ、簡単に伸縮することができます。
原子や分子は物質内で振動し、それが内部エネルギーに変換されます。出典：P. Tippens。物理学：概念とアプリケーション。
このようにして、粒子は振動することができ、それらのエネルギーは他の粒子に、またある物体から別の物体に容易に移動することができます。
体が吸収または放出する熱の量は、物質の性質、その質量、および温度差によって異なります。次のように計算されます。
Qは伝達される熱量、mは物体の質量、C eは物質自体の比熱、およびΔT= 最終 T- 初期 T 、つまり温度差です。
すべてのエネルギー形態と同様に、熱は国際システム（SI）でジュールで測定されます。その他の適切な単位は次のとおりです。cgsシステムのergs、イギリスのシステムのBtu、およびカロリー（食品のエネルギー含有量に一般的に使用される用語）。
熱特性
キャンプファイヤーからの熱は移動中のエネルギーです。出典：Pixabay
覚えておくべき重要な概念がいくつかあります。
-熱は輸送中のエネルギーに関するものです。物体には熱がなく、状況に応じて放出または吸収するだけです。オブジェクトが持っているのは、その内部構成による内部エネルギーです。
次に、この内部エネルギーは、振動運動に関連する運動エネルギーと、分子構成に典型的なポテンシャルエネルギーで構成されます。この構成によれば、物質は多かれ少なかれ熱を伝達し、これはその比熱C eに反映されます。これは、Qを計算する式で言及された値です。
-2番目の重要な概念は、熱は常に最も熱い体から最も冷たい体に伝達されるということです。経験によると、ホットコーヒーの熱は常にカップとプレートの磁器、またはスプーンの金属に向かって流れ、逆には流れません。
-伝達または吸収される熱の量は、問題の体の質量によって異なります。X質量のサンプルに同じ量のカロリーまたはジュールを追加しても、質量が2Xの別のサンプルと同じようには加熱されません。
理由？大きいサンプルにはより多くの粒子があり、それぞれが平均して小さいサンプルの半分のエネルギーしか受け取りません。
熱平衡とエネルギー保存
経験上、2つの物体を異なる温度で接触させると、しばらくすると両方の温度が同じになることがわかります。次に、オブジェクトまたはシステムは、それらを呼び出すこともできるので、熱平衡状態にあると言えます。
一方、孤立したシステムの内部エネルギーをどのように増加させるかを考えると、2つのメカニズムが考えられます。
i）加熱、つまり別のシステムからエネルギーを転送する。
ii）何らかの機械的作業を実行します。
エネルギーが節約されることを考慮に入れる：
熱力学の枠組みでは、この保存原理は熱力学の第一法則として知られています。システムを分離する必要があると言います。そうしないと、バランスの他のエネルギー入力または出力を考慮する必要があるためです。
熱はどのように測定されますか？
熱は、それが生み出す効果に従って測定されます。そのため、飲み物、食べ物、その他の物体がどれだけ熱いか冷たいかをすばやく知らせるのは、触覚です。熱を伝達または吸収すると温度が変化するので、これを測定すると、伝達された熱量がわかります。
温度を測定するために使用される機器は、温度計であり、測定を実行するための目盛り付きスケールが装備されています。最もよく知られているのは、加熱すると膨張する水銀の細い毛細管で構成される水銀温度計です。
摂氏と華氏の目盛りが付いた温度計。出典：Pixabay。
次に、水銀で満たされた毛細管をスケール付きのガラス管に挿入し、身体と接触させます。体温は、熱平衡に達し、両方の温度が同じになるまで測定する必要があります。
体温計を作るには何が必要ですか？
初めに、温度によって変化する温度特性が必要です。
たとえば、ガスや水銀などの液体は、加熱されると膨張しますが、電流が流れると熱を放出する電気抵抗も機能します。簡単に言うと、簡単に測定できる温度特性を使用できます。
温度tが温度特性Xに正比例する場合、次のように記述できます。
ここで、kは2つの適切な温度が設定され、Xの対応する値が測定されたときに決定される比例定数です。適切な温度は、実験室で簡単に入手できることを意味します。
ペア（t 1、X 1）と（t 2、X 2）が確立されると、それらの間の間隔が等しい部分に分割されます。これらは度になります。
温度スケール
温度スケールを構築するために必要な温度の選択は、それらが実験室で容易に取得できるという基準で行われます。世界中で最も広く使用されているスケールの1つは、スウェーデンの科学者Anders Celsius（1701-1744）によって作成された摂氏スケールです。
摂氏スケールの0は、氷と液体の水が1気圧の圧力で平衡状態になる温度です。上限は、液体の水と水蒸気が平衡状態で1気圧の圧力状態にあるときに選択されます。この間隔は100度に分割され、それぞれが摂氏度と呼ばれます。
これは、スケールを構築する唯一の方法ではありません。華氏目盛など、他の値で間隔が選択されている他のさまざまな目盛があります。そして、ケルビンスケールがあり、これには下限のみがあります。絶対ゼロです。
絶対零度は、物質内の粒子のすべての動きが完全に停止する温度に対応しますが、完全に近づいてはいますが、物質を絶対零度まで冷却することはまだできていません。
例
誰もが直接的または間接的に毎日熱を経験します。たとえば、温かい飲み物を飲んでいるとき、真昼の太陽の下で、車のエンジンの温度を調べたり、人でいっぱいの部屋や他の無数の状況で調べたりします。
地球上では、太陽と惑星の内部の両方から来る生命過程を維持するために熱が必要です。
同様に、気候は大気中で発生する熱エネルギーの変化によって引き起こされます。太陽の熱はどこにでも均等に届くわけではなく、赤道緯度では極よりも届くため、熱帯地方で最も暑い空気が上昇し、北と南に移動して、熱バランスを実現します。それは前に話しました。
このように、気流は異なる速度で確立され、雲と雨を運びます。一方、熱気と冷気の前面が突然衝突すると、嵐、竜巻、ハリケーンなどの現象が発生します。
対照的に、より近いレベルでは、暑さはビーチの夕日ほど歓迎されないかもしれません。熱は、自動車のエンジンやコンピュータープロセッサの動作に問題を引き起こします。
また、伝導ケーブルと材料の電気エネルギーが失われて膨張するため、エンジニアリングのすべての領域で熱処理が非常に重要です。
演習
-演習1
キャンディーのラベルには、275カロリーが含まれていると記載されています。このキャンディーはジュールでどのくらいのエネルギーに相当しますか？
解決
当初、カロリーは熱の単位として言及されていました。食品には通常これらの単位で測定されるエネルギーが含まれていますが、食事のカロリーは実際にはキロカロリーです。
同等性は次のとおりです。1kcal = 4186 J、キャンディーは次のように結論付けられます。
275キロカロリーx 4186ジュール/キロカロリー= 1.15 10 6 J.
-演習2
100 gの金属を100°Cに加熱し、300 gの水と共に20°Cの熱量計に入れます。システムが平衡に達したときに取得する温度は21.44°Cです。熱量計が熱を吸収しないと仮定して、金属の比熱を決定するように求められます。
解決
このような状況では、金属は、我々はQを呼ぶであろう、熱を断念与えられた（ - ）と符号はそれが損失を示すために前に配置されています。
その一部として、熱量計の水は熱を吸収します。これは、Q吸収量として示されます。
エネルギーは節約されます。
ステートメントからΔTを計算できます。
重要： 1ºCは1ケルビンと同じサイズです。2つのスケールの違いは、ケルビンスケールが絶対的であることです（ケルビン度は常に正です）。
20ºCの水の比熱は4186 J / kgです。Kとこれで吸収熱を計算できます：
結論として、金属の比熱はクリアされます：
参考文献
- バウアー、W。2011。工学および科学のための物理学。ボリューム1。McGrawHill。
- Cuellar、JA物理学II：能力によるアプローチ。マグローヒル。
- カークパトリック、L。2007。物理学：世界の概観。6 ta編集の省略。Cengage Learning。
- ナイト、R。2017。科学者および工学のための物理学：戦略的アプローチ。ピアソン。
- Tippens、P。2011。Physics：Concepts and Applications。第7版。マグロウヒル