Природа тепла и температуры

Природа тепла и температуры

Употребляя термин «тепло», имеем в виду тепловую энергию, то есть форму внутренней энергии, оказывающую влияние на температуру объекта или вещества. Тем не менее, узкое научное определение тепла отличается от вышеуказанного и звучит следующим образом: тепло – это энергия, передаваемая от частиц одного вещества с более высокой температурой к частицам другого вещества с более низкой температурой. На языке термодинамики, тепло, в действительности является процессом, а не свойством.

Точно так же, как электромобили сталкиваются под разными углами и на разных скоростях, молекулы сталкиваются друг с другом и передают энергию своего движения.

Энергия является фундаментальным признаком каждой физической системы во Вселенной, настолько фундаментальным, что это практически лишает нас возможности дать ей определение. Стандартный учебник по физике дает энергии следующее определение: «способность системы осуществлять работу». Но принцип работы также чрезмерно абстрактен. Согласно неформальному подходу определение энергии звучит следующим образом: «сила, заставляющая вещи меняться». Это определение больше подходит к нашим целям, поскольку намного легче осознать, что энергия делает, тем то, чем она является.

Воздействие энергии – это самое главное условие в процессе приготовления еды. Энергия нагревает еду, охлаждает ее; энергия меняет вкус, консистенцию и цвет продуктов. Приготовление пищи представляет собой процесс трансформации продуктов питания посредством энергии,...

питания посредством энергии, проникающей в них, а потребление пищи – это процесс получения энергии из пищи посредством иной трансформации.

Энергия принимает разные формы и передвигается разными способами. В приготовлении пищи наиболее распространенным видом движения энергии является тепло. Хотя технические словари определяют тепло как передачу энергии, с точки зрения повара наиболее применимым является определение тепла как формы внутренней энергии, которая постоянно переходит от вещества с более высокой температурой к веществу с более низкой температурой. Чтобы понять природу тепла, нам необходимо понять, что представляет собой внутренняя энергия и температура.

Внутренняя энергия – это совокупность разных типов энергии, хранящихся в части вещества (которая может быть маленькой как одиночный атом или настолько большой, насколько у вас хватает воображения). Например, в горячем печеном картофеле внутренняя энергия есть в химической связи молекул крахмала, в паре, заключенном под картофельной кожурой и даже в ядерных силах, держащих атомы вместе. Но значительная доля внутренней энергии, которую мы по большей части принимаем за тепло, заключена в постоянном хаотичном движении и мимолетных столкновениях бесчисленных молекул картофеля.

Несмотря на то что, картофель внешне кажется твердым, его молекулы действительно находятся в постоянном движении; просто это движение насколько мало, что его нельзя увидеть без специальных приборов. Открытие, позволившее установить, что микроскопические частицы веществ – твердых, жидких и газообразных – постоянно сталкиваются, стало одним из выдающихся достижений 19-го века. В 20-м веке эти знания воплотились в теоретических открытиях Альберта Эйнштейна.

Предположим, что молекулы твердого тела ведут себя как электрические автомобильчики с бамперами в парковом аттракционе. Когда два накренившихся автомобиля сталкиваются, они передают импульс и энергию друг другу. Чем быстрее машина тормозит, тем медленнее она разгоняется.

В таком газе как воздух, молекулы быстро перемещаются и толкают соседние молекулы во всех направлениях. В твердых веществах частицы обычно связаны друг с другом, таким образом, их движения более ограничены. Тем не менее, они двигаются вперед и назад, отскакивая друг от друга как электрические автомобильчики с бамперами, соединенные резиновой лентой.

Если бы вам нужно было измерить скорость каждого электрического автомобильчика с бампером в определенный момент, то вы бы обнаружили, что некоторые из них абсолютно неподвижны (или почти неподвижны), другие двигаются достаточно быстро, а скорость остальных находится в пределах между этими двумя экстремальными значениями. Это же правило распространяется и на движение молекул. Чем быстрее молекулы двигаются внутри вещества, тем больше его внутренняя энергия. Но даже в очень горячей плазме, такой как на поверхности солнца, некоторые частицы остаются неподвижными в любой момент. Удивительно, но факт.

Мы не можем определить скорость всех этих частиц без сложного оборудования. То, что мы действительно испытываем, и, что имеет значение для приготовления пищи – это средняя скорость движения всех молекул. Простой и знакомой нам величиной, имеющей отношение к средней скорости, является температура.

Еще статьи