Värme, temperatur & fasomvandlingar
Temperatur, inre energi och värme hör ihop men betyder inte samma sak. Temperatur beskriver ett tillstånd, medan värme är energi som överförs på grund av temperaturskillnad. Vid fasomvandling kan mycket energi överföras utan att temperaturen ändras.
- Nivå 1b
Förstå → Se exempel → Träna
Förstå
Temperatur och inre energi
Temperatur är kopplad till hur energin är fördelad mellan partiklarna, medan inre energi är summan av mikroskopiska energibidrag i systemet. Två system kan ha samma temperatur men olika total inre energi om de har olika mängd materia.
Värmeöverföring
Energi kan överföras genom värmeledning, konvektion och elektromagnetisk strålning. Nettotransporten går spontant från högre till lägre temperatur tills termisk jämvikt nås.
Specifik värmekapacitet
När temperaturen ändras utan fasomvandling kan Q = mcΔT användas. Den specifika värmekapaciteten c anger hur mycket energi som behövs för att höja temperaturen hos ett kilogram av ämnet en kelvin.
Fasomvandling
Vid smältning, stelning, förångning och kondensation används eller frigörs energi för att förändra partiklarnas bindningstillstånd. Under en ideal fasövergång vid konstant tryck kan temperaturen vara konstant trots fortsatt energiöverföring. Då används Q = mL.
Termisk jämvikt
När två kroppar med olika temperatur sätts i termisk kontakt överförs energi tills de når samma temperatur, om systemet är tillräckligt isolerat. Sluttemperaturen bestäms av både massor och värmekapaciteter, inte bara av starttemperaturerna. Energibalansen är därför viktigare än att bara ta ett vanligt medelvärde.
Exempel
Exempel: värma och koka vatten
- För att värma 1,0 kg vatten från 20 °C till 100 °C krävs Q = mcΔT ≈ 1,0·4,18 kJ/(kg·K)·80 K ≈ 334 kJ.
- Om vattnet sedan ska förångas behövs ytterligare energi enligt Q = mL_v.
- Under själva kokningen vid konstant tryck går energin främst till fasomvandlingen och temperaturen ligger omkring kokpunkten.
- Det visar varför samma effekt kan ge temperaturökning i ett steg men ingen temperaturökning i ett annat.
Så gör du
- 1Dela processen i temperaturförändringar och fasomvandlingar.
- 2Använd Q = mcΔT när fasen är densamma och Q = mL under fasbyte.
- 3Använd temperaturskillnader i kelvin eller grader Celsius men absolut temperatur i samband som kräver kelvin.
- 4Summera energin för samtliga delsteg.
- 5Kontrollera tecken eller riktning: tar systemet upp eller avger det energi?
Vanliga misstag
Vanligt misstag
Värme är energi som ett föremål innehåller.
Bättre
Värme är energiöverföring på grund av temperaturskillnad; det som systemet har är bland annat inre energi.
Det gör skillnad mellan tillstånd och process.
Vanligt misstag
Temperaturen måste alltid stiga när energi tillförs.
Bättre
Vid en fasomvandling kan tillförd energi förändra fas i stället för temperatur.
Kokande vatten är ett vardagligt exempel.
Fundera
Varför kan ånga vid 100 °C orsaka allvarligare brännskador än vatten vid 100 °C?
Träna
Övning
0,50 kg vatten värms 20 K. c = 4,18 kJ/(kg·K).
Sammanfattning
- Temperatur och inre energi är relaterade men inte identiska.
- Värme är energiöverföring på grund av temperaturskillnad.
- Q = mcΔT gäller temperaturändring utan fasbyte.
- Q = mL beskriver energi vid fasomvandling.
Relaterade genomgångar
Fortsätt med något som hänger ihop med den här genomgången.
Energi, arbete, effekt & verkningsgrad
Använd energiprincipen och sambanden för arbete, effekt och verkningsgrad.
Läs genomgångenElektrisk laddning, spänning, ström & resistans
Förstå laddning, spänning, ström och resistans.
Läs genomgångenElektriska kretsar
Analysera serie- och parallellkopplingar med ström, spänning, resistans och effekt.
Läs genomgången