Varmeoverførsel

Jeg ved ikke, hvad I syntes, men jeg syntes, vi skal snakke om pizza. Her er det pizza-aften. Jeg kan dufte pizzaen i ovnen. Det er svært ikke at tænke på det. Vi skal snakke om varme og termisk ligevægt, men jeg tror, vi kan gøre det på denne måde. Hvis du, ligesom jeg, er utålmodig, så lægger du sikkert et stykke pizza på tallerkenen, lige så snart det kommer ud af ovnen. Du har sikkert lagt mærke til, undersiden af tallerkenen bliver varm. Hvorfor gør den det? Vi har temperaturen af pizzaen, T pizza, som er varmere end temperaturen af tallerkenen, T plate. Da temperaturen af pizzaen er højere end tallerkenens, så begynder tallerkenen at blive varm. Pizzaens temperatur begynder til gengæld at blive lavere. Dette sker hver gang temperaturen af objekt et ikke er det samme som temperaturen af objekt to. Vi bruger temperatur til at udtrykke, hvorvidt noget er varmt eller koldt. Hvad betyder varmt eller koldt? Temperatur er faktisk et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi af partiklerne i et objekt. Lad os lige tygge lidt på den. Temperatur er den gennemsnitlige kinetiske energi af partikler. Kinetisk energi, ved vi, er 1/2 m·v². Når pizzaen er varm, så bevæger dens partikler sig hurtigere, end når den er kold. Når partikler og objekter bevæger sig, så vibrerer de faktisk. I det varmere objekt så sker der det, at partiklerne vibrerer hurtigere, end når objektet er koldere. Det er hvad der menes med varmt eller koldt. Denne type af kinetiske energi, bevægelse af partikler, kaldes for termisk energi. Nu tænker du måske, "hvis temperatur er et mål for kinetisk energi i objekter, og vi har pizza på en tallerken, hvor temperaturen ændrer sig, betyder det, at der er en form for overførsel af energi? Du har fuldstændig ret. Varme er overførslen af energi mellem objekter med forskellige temperaturer. Det er et meget vigtigt begreb, så lad skrive definitionen. Varme er overførslen af energi mellem objekter med forskellige temperaturer. Vores pizza og tallerken viser, at varme overføres fra den varme pizza til den kolde tallerken, fra det varme objekt til det kolde objekt. Hvorfor? Lad os prøve at få en dybere forståelse for, hvad der sker med alting i dette system. I realiteten overføres der også en masse energi fra pizzaen til luften omkring den, men i lad os lige nu forenkle situationen og blot se på pizzaen og tallerkenen. Som sagt, jo højere temperaturen er, jo mere vil partiklerne i objektet bevæge sig og vibrere. Lad os tegne partiklerne i pizzaen. Vi bruger gul til at repræsentere pizzaen og jeg vil give pizza partiklerne en længere hastighedsvektor end dem i tallerkenen. Jeg antager her, at partiklerne i pizzaen og tallerkenen har samme masse. Dermed kan vi se bortfra masse-delen af den kinetiske energi og forenkle situationen. Vi kan blot fokusere på hastighederne af alle partiklerne i systemet. Når du lægger et stykke pizza på tallerkenen, så vil partiklerne på objekternes overflade komme i kontakt med hinanden. Lad os se, hvad der sker når disse hurtigere partikler fra pizzaen kolliderer med de langsommere partikler på tallerkenens overflade. Når partiklerne kolliderer, så overføres kinetisk energi mellem partiklerne. Da det varmere objekts partikler her pizzaen, har mere energi, så kan de give noget af denne energi til det koldere objekts partikler. Det er derfor varme altid overføres fra det varmere objekt til det koldere objekt. Når det varmere objekts partikler overfører noget af deres energi til det koldere objekts partikler, så mister det varmere objekts partikler noget energi og bliver langsommere. Det kan vi vise ved at bruge en kortere hastighedsvektor. Samtidig, så modtager det koldere objekts partikler energi og bliver hurtigere. Denne partikel i pizzaen har en anden hastighed end partiklen ved siden af, også i pizzaen. Hvad sker der, når de kolliderer? Så overføres der igen energi. Den hurtigere partikel vil give noget energi til den langsommere, og undervejs selv blive langsommere. Denne dominoeffekt virker på alle partiklerne i systemet, i tallerkenen og i pizzaen, indtil alle partiklerne har den samme kinetiske energi. Når partiklerne i begge objekter har den samme kinetiske energi, så bliver der ikke længere overført energi mellem de to objekter og systemet er blevet stabilt og har nået termisk ligevægt. Når du lader din pizza stå for længe på køkkenbordet, så bliver den kold. Hvis du måler temperaturen af pizzaen og tallerkenen, vil den være den samme. Nu ved vi, at varme kun overføres når temperaturen er forskellig mellem objekter. Når temperaturen er den samme, så er der ingen varmeoverførsel, og dette er defineret som termisk ligevægt. Termisk ligevægt sker, når der ingen varmeoverførsel er i systemet. Det viser sig alligevel, at pizza kan bruges til at lære om varmeoverførsel og termisk ligevægt. Hvis du ikke har noget imod det, så er der en pizza med mit navn på, der kalder, og jeg foretrækker at spise den inden den er i termisk ligevægt med min tallerken.