Termisk energi, värme och fasomvandlingar

Temperatur, värme och inre energi

Vi vill skilja på tre ord som ofta blandas ihop: temperatur, värme och inre energi. Alla ämnen består av partiklar som hela tiden rör sig. Temperaturen är ett mått på partiklarnas genomsnittliga rörelseenergi. Inre energi är all energi hos partiklarna tillsammans. I fysiken betyder värme energi som överförs för att det finns en temperaturskillnad. Värme går av sig själv från varmare till kallare. Se hur partiklarna rör sig snabbare när vattnet värms.

Celsius och kelvin

Celsiusskalan har 0 °C där is smälter och 100 °C där vatten kokar vid normalt lufttryck. Kelvinskalan börjar vid absoluta nollpunkten, −273,15 °C. Där har partiklarna lägsta möjliga energi, och kallare än så kan inget bli. Ett steg på kelvinskalan är lika stort som ett steg på celsiusskalan. Därför är en temperaturändring lika stor i K som i °C. Dra i reglaget och se båda skalorna.

Specifik värmekapacitet: Q = c · m · ΔT

Värmen som behövs beror på ämnet, massan och temperaturändringen. Den specifika värmekapaciteten c är energin som 1 kg behöver för att bli 1 K varmare. För vatten är c = 4,18 kJ/(kg·K). Dubbla massan kräver dubbla energin för samma temperaturökning. Dra i reglaget och se hur linjen blir flackare.

Olika ämnen, olika c

Olika ämnen behöver olika mycket energi för samma uppvärmning. Metaller har låg specifik värmekapacitet och blir snabbt varma. Vatten har ovanligt hög specifik värmekapacitet. Därför tar det lång tid att värma vatten, och det svalnar långsamt. Välj ämne och jämför hur mycket energi som behövs för samma uppvärmning.

Smältning: Q = l · m

När is smälter stiger inte temperaturen, fast energi tillförs. Energin går åt till att lossa partiklarna ur det fasta mönstret. Den energin kallas smältvärme. För is är det specifika smältvärmet 334 kJ/kg. Grafen får därför en vågrät platå vid 0 °C tills all is har smält.

Kokning och hela uppvärmningskurvan

Vid kokning blir vätskan gas, och då behövs ångbildningsvärme. För vatten är det specifika ångbildningsvärmet 2 260 kJ/kg. Det är nästan sju gånger så mycket som smältvärmet. Därför är kokplatån mycket längre än smältplatån. De sneda delarna lutar olika, eftersom is, vatten och ånga har olika specifik värmekapacitet.

Effekt och tid: P = Q / t

En vattenkokare har en effekt, till exempel 2 000 W. Den tillför då 2 000 J varje sekund. Tiden det tar är energin delad med effekten. Högre effekt ger kortare tid. I verkligheten går en del av energin till kannan och luften. Dra i reglaget och jämför tiderna.

Blandning och termisk jämvikt

När varmt och kallt vatten blandas avger det varma vattnet energi. Det kalla vattnet tar upp lika mycket, om ingen energi går till omgivningen. Till slut har allt samma temperatur. Det kallas termisk jämvikt. Då gäller att avgiven värme är lika med upptagen värme.

Värmetransport: ledning, konvektion och strålning

Värme kan transporteras på tre sätt. Vid ledning skickar partiklarna energin vidare till sina grannar, och metaller leder bäst. Vid konvektion flyttar sig själva vätskan eller gasen: varmt stiger och kallt sjunker. Värmestrålning är elektromagnetisk strålning, mest infraröd, och behöver inget ämne. Så når solens värme jorden genom tomma rymden. Tryck på knapparna för att se varje sätt.

Sammanfattning

Temperaturen är ett mått på partiklarnas genomsnittliga rörelseenergi. Inre energi är all energi hos partiklarna tillsammans. Värme är energi som överförs på grund av en temperaturskillnad, alltid från varmare till kallare av sig själv. Kelvinskalan börjar vid absoluta nollpunkten, −273,15 °C, och en ändring på 1 K är lika stor som 1 °C.

Energin för att ändra temperaturen är Q = c · m · ΔT. Den specifika värmekapaciteten c är energin som 1 kg behöver för att bli 1 K varmare. Vatten har c = 4,18 kJ/(kg·K), mycket mer än metaller. Med en värmare med effekten P tar uppvärmningen tiden t = Q / P, om inget går förlorat.

Vid en fasomvandling ändras inte temperaturen. Energin Q = l · m går åt till att ändra fas. För vatten är smältvärmet 334 kJ/kg och ångbildningsvärmet 2 260 kJ/kg. I en uppvärmningskurva syns fasomvandlingarna som vågräta platåer.

När varmt och kallt blandas avger det varma lika mycket energi som det kalla tar upp, tills allt har samma temperatur: termisk jämvikt. Värme transporteras genom ledning, konvektion och strålning. Strålning behöver inget ämne och når oss från solen.

Hur mycket energi behövs för att värma 1,5 kg vatten från 15 °C till 100 °C? ΔT = 85 K. Q = c · m · ΔT = 4,18 · 1,5 · 85 ≈ 530 kJ.

Källor

1. 13.1 Temperature (celsius- och kelvinskalan, absoluta nollpunkten), OpenStax College Physics 2e
2. 14.1 Heat (värme är energi som överförs på grund av en temperaturskillnad), OpenStax College Physics 2e
3. 14.2 Temperature Change and Heat Capacity (Q = c · m · ΔT, c för vatten och metaller), OpenStax College Physics 2e
4. 14.3 Phase Change and Latent Heat (Q = l · m, platåer i uppvärmningskurvan), OpenStax College Physics 2e
5. 14.4 Heat Transfer Methods (ledning, konvektion och strålning), OpenStax College Physics 2e
6. Temperatur (mått på partiklarnas rörelse), Nationalencyklopedin
7. Inre energi (partiklarnas sammanlagda energi), Nationalencyklopedin
8. Specifik värmekapacitet (energi för att värma 1 kg en grad), Nationalencyklopedin
9. Smältvärme (energi för att smälta ett ämne, per kg), Nationalencyklopedin
10. Ångbildningsvärme (energi för att förånga en vätska vid konstant temperatur), Nationalencyklopedin
11. Konvektion (strömningar av varm och kall vätska eller gas), Nationalencyklopedin
12. Värmestrålning (infraröd elektromagnetisk strålning), Nationalencyklopedin
13. The kelvin (SI-enheten för termodynamisk temperatur), BIPM
14. Specifik värmekapacitet, Wikipedia på svenska
15. Ämnesplan i fysik, Gy25, Skolverket