Siltumenerģija, temperatūra un siltums
Apskatīt video Khan Academy platformā: 
Thermal energy, temperature, and heat
Transkripts:
00:00
- [Skolotājs] Man ir divi trauki ar ūdeni.
00:01
Es sāku tos sildīt ar, būtībā,
00:03
vienādu siltuma daudzumu.
00:04
Plītis ir līdzīgas. Ko mēs novērojam?
00:06
Mēs redzam, ka trauks, kurā ir mazāk ūdens,
00:09
sāk vārīties ātri.
00:10
Tas nav liels pārsteigums.
00:12
Tas nozīmē, ka traukam, kurā ir mazāk ūdens,
00:14
temperatūra ceļas ātrāk,
00:16
un tas sasniedz vārīšanās temperatūru,
00:17
kas ir 100 Celsija grādi,
00:19
daudz ātrāk nekā otrs trauks.
00:20
Bet jautājums ir, kāpēc tā notiek?
00:22
Kāpēc, ja ir mazāks ūdens daudzums,
00:25
tā temperatūra ceļas ātrāk?
00:27
Lai atbildētu uz šo jautājumu,
00:29
mums ir jāsaprot atšķirība starp temperatūru,
00:32
siltumu un siltumenerģiju.
00:35
Un tieši to mēs darīsim šajā video.
00:37
Sāksim.
00:38
Sāksim ar jautājumu, kas ir siltumenerģija?
00:41
Siltumenerģija būtībā ir visu daļiņu
00:45
kinētiskās enerģijas summa.
00:47
Ko tas nozīmē?
00:49
Lai to saprastu, pietuvināsim mūsu ūdeni.
00:51
Mēs atradīsim ūdens molekulas,
00:53
un šīs molekulas kopā satur
00:54
starpmolekulārie spēki.
00:56
Šie spēki ir pietiekami vāji,
00:59
lai daļiņas varētu kustēties.
01:02
Tās visas kustas haotiski.
01:04
Tā rezultātā tām piemīt kinētiskā enerģija.
01:08
Šeit ir dažādi kustības veidi.
01:10
Ir translācijas jeb virzes kustība,
01:12
kur daļiņas pārvietojas no vienas vietas uz citu.
01:14
Es neesmu uzzīmējis bultiņas visām daļiņām,
01:17
jo negribu, lai zīmējums ir pārāk pieblīvēts,
01:19
bet visas daļiņas var kustēties.
01:21
Dažas daļiņas kustēsies ļoti lēni.
01:22
Citas daļiņas var kustēties ļoti ātri,
01:25
bet tāpēc pastāv kinētiskā enerģija.
01:27
Bet tas vēl nav viss. Daļiņas var arī griezties.
01:31
Tātad ir arī rotācijas kinētiskā enerģija.
01:33
Un daļiņas var arī vibrēt. Tās var svārstīties.
01:37
Tātad ir svārstību kinētiskā enerģija.
01:41
Tagad saskaiti visu šo visu molekulu kinētisko enerģiju,
01:45
visu šeit esošo daļiņu,
01:47
šo kopējo enerģiju mēs saucam par siltumenerģiju
01:51
šim ūdenim.
01:52
Tas attiecas ne tikai uz šķidrumiem,
01:54
tas attiecas arī uz cietām vielām un gāzēm.
01:57
Vienīgā atšķirība ir tā, ka cietā vielā,
02:00
apskatīsim cietu vielu, piemēram, ledu.
02:04
Lielā atšķirība ir tā, ka šeit daļiņas,
02:07
ļoti spēcīgu starpmolekulāro spēku dēļ,
02:09
daļiņas ir fiksētas noteiktā vietā.
02:11
Tāpēc tās nevar pārvietoties no vienas vietas uz citu,
02:14
bet tās joprojām var vibrēt.
02:16
Tā rezultātā tām ir kinētiskā enerģija.
02:19
Tātad, runājot par cietām vielām,
02:21
siltumenerģija rodas no vibrācijas,
02:24
no svārstību kinētiskās enerģijas, kas tām piemīt.
02:27
Kā ir ar gāzēm?
02:29
Gāzēs gandrīz nav starpmolekulāro spēku.
02:31
Tāpēc daļiņas var brīvi pārvietoties,
02:34
un tādēļ, runājot par gāzēm,
02:36
siltumenerģija rodas
02:37
no daļiņu translācijas kinētiskās enerģijas.
02:40
Bet visos gadījumos var redzēt,
02:42
no kurienes galu galā rodas siltumenerģija?
02:44
No visu daļiņu kinētiskās enerģijas.
02:47
Labi, tātad tā ir siltumenerģija.
02:50
Kas tagad ir temperatūra?
02:52
Vai tas ir tas pats, kas siltumenerģija? Nē.
02:55
Temperatūra ir daļiņu vidējās kinētiskās
02:59
enerģijas mērs.
03:01
Tas nozīmē, ja tu ņem visu daļiņu
03:03
kopējo enerģiju,
03:04
kas būtībā ir siltumenerģija,
03:05
un dali to ar kopējo daļiņu skaitu,
03:09
tu iegūsti katras daļiņas vidējo enerģiju.
03:11
Tas ir temperatūras mērs.
03:14
Un, lai redzētu, cik atšķirīgas šīs divas lietas ir,
03:17
apskatīsim dažus skaitļus.
03:18
Pieņemsim, ka mums šeit ir apmēram 100 ūdens molekulu.
03:23
Protams, mēs abi zinām, ka mēs strādājam
03:26
ar triljoniem un triljoniem molekulu,
03:28
bet izmantosim vienkāršus skaitļus.
03:30
Ja šeit ir 100,
03:31
pieņemsim, ka šeit, tā kā ūdens ir vairāk,
03:33
ir apmēram 300 ūdens molekulu, labi?
03:36
Ja vidējā kinētiskā enerģija ir 2,
03:42
divas vienības, ko tas nozīmē?
03:44
Tas nozīmē, ka būs dažas daļiņas, dažas molekulas,
03:47
kuras kustēsies ar,
03:48
kuru kinētiskā enerģija būs lielāka par divi.
03:50
Dažām daļiņām kinētiskā enerģija būs mazāka par divi,
03:52
divām kinētiskās enerģijas vienībām.
03:54
Bet, ja tu aprēķini vidējo, tu iegūsi 2,
03:57
un tas atspoguļo temperatūru.
04:00
Ja šis skaitlis ir lielāks, temperatūra būs augstāka.
04:03
Ja šis skaitlis ir mazāks, temperatūra būs zemāka.
04:06
Labi, tagad šis ūdens ir istabas temperatūrā.
04:09
Es vēl neesmu sācis tos sildīt.
04:10
Tas nozīmē, ka arī šim traukam vajadzētu būt
04:12
tādai pašai temperatūrai kā pirmajam,
04:13
kas nozīmē, ka tiem vajadzētu būt arī
04:15
tādai pašai vidējai kinētiskajai enerģijai.
04:19
Jo, ja tam būtu cita kinētiskā enerģija,
04:21
šī ūdens temperatūra būtu atšķirīga
04:22
salīdzinājumā ar otru.
04:23
Bet tā nav.
04:24
Mums šobrīd ir viena un tā pati temperatūra, istabas temperatūra.
04:27
Labi, rodas jautājums,
04:29
kāda ir siltumenerģija šeit un šeit?
04:32
Siltumenerģija šeit būs, ja mums vidēji,
04:35
katrai molekulai ir 2 enerģijas vienības,
04:37
bet kopā ir 100 molekulu.
04:39
Tātad kopējā enerģija būs 200.
04:42
Tas atspoguļo siltumenerģiju šeit.
04:45
Kāda ir siltumenerģija šeit?
04:46
Atkal, katrai molekulai vidēji
04:48
ir 2 enerģijas vienības,
04:49
bet tagad kopā ir 300 molekulu,
04:52
kas nozīmē, ka kopā būs 600 enerģijas vienību.
04:56
Tātad siltumenerģija šeit būs 600 vienību.
04:59
Jūsu acu priekšā,
05:00
jūs varat redzēt, ka tām ir atšķirīga siltumenerģija.
05:02
Šim ūdenim ir vairāk siltumenerģijas salīdzinājumā ar otru,
05:06
galvenokārt tāpēc, ka tajā ir daudz vairāk daļiņu.
05:09
Bet, paskat, tiem ir viena un tā pati temperatūra.
05:11
Tātad var redzēt, ka tās nav viena un tā pati lieta.
05:14
Tas mūs noved pie trešās un pēdējās daļas,
05:16
kas ir siltums.
05:18
Kas ir siltums? Vai tas ir tas pats, kas siltumenerģija? Nē.
05:22
Siltums ir siltumenerģijas daudzums,
05:25
kas tiek pārnests.
05:27
Ikreiz, kad jūs pievienojat vai atņemat siltumenerģiju
05:29
kādam objektam, mēs sakām,
05:31
tad mēs lietojam vārdu "siltums".
05:33
Zinātnē nav jēgas teikt,
05:37
ka šim ūdenim ir 600 siltuma vienību.
05:40
Nē. Tas, kas ūdenim ir, ir siltumenerģija.
05:45
Bet, ja tam pievada siltumenerģiju
05:47
vai atņem tam siltumenerģiju,
05:50
tad mēs lietojam vārdu "siltums".
05:52
Mēs sakām, ka siltums tika pievadīts vai siltums tika aizvadīts.
05:55
Tātad tev nav siltuma, tev ir tikai siltumenerģija.
05:59
Un atkal, ņemsim dažus skaitļus.
06:01
Tad viss kļūs daudz skaidrāks.
06:03
Bet pirms mēs to darām, varētu rasties jautājums,
06:05
kā pārnest enerģiju?
06:07
Kā pārnest siltumenerģiju?
06:09
Izrādās, ka to var izdarīt trīs veidos.
06:11
Pirmais ir siltumvadītspēja.
06:13
Tā ir siltumenerģijas pārnese,
06:16
kurā pašas daļiņas nepārvietojas.
06:19
Piemēram, ja mēs apsveram, kā siltums
06:23
tiek pārnests šajā traukā,
06:26
apskatīsim šī trauka atomus.
06:29
Trauka apakšā esošajiem atomiem,
06:31
būs augsta siltumenerģija,
06:33
jo tie ir tiešā saskarē ar liesmu.
06:35
Bet kā šī siltumenerģija tiek pārnesta uz šejieni?
06:38
Tā kā daļiņas šeit galvenokārt svārstās,
06:40
atceries, tā ir cieta viela,
06:41
tātad siltumenerģija galvenokārt ir svārstības,
06:44
jo daļiņas svārstās, tās vibrē,
06:46
tās saskaras un liek daļiņām,
06:49
sev blakus esošajām, svārstīties, tām blakus esošajām svārstīties,
06:52
un tad šīs daļiņas liks daļiņām
06:54
sev blakus svārstīties un tā tālāk, un tā tālāk.
06:56
Un tā, lūk, siltumenerģija tiek pārnesta,
07:00
bet pati viela nepārvietojās.
07:02
Daļiņas nepārvietojās no vienas vietas uz citu.
07:04
Tātad bez vielas kustības,
07:06
siltumenerģija tiek pārnesta.
07:09
To mēs saucam par siltumvadītspēju.
07:11
Bet tas vēl nav viss.
07:12
Ir otrs veids,
07:13
ir otrs veids,
07:14
kā var pārnest siltumenerģiju,
07:16
ko mēs saucam par konvekciju.
07:18
Tas ir gandrīz pretējais.
07:20
Šeit viela pārvietojas no vienas vietas uz citu,
07:24
un tādā veidā tiek pārnesta siltumenerģija.
07:26
Un tas nevar notikt cietās vielās,
07:28
jo cietās vielās, atceries,
07:29
viela nevar pārvietoties no vienas vietas uz citu,
07:31
kas nozīmē, ka tas var notikt tikai plūstošās vielās - šķidrumos un gāzēs.
07:34
Šim nolūkam apskatīsim ūdeni mūsu traukā.
07:37
Un atkal, ja pieņem, ka tā apakša ir,
07:41
teiksim, karsta, tai ir augsta siltumenerģija,
07:44
tad tas nozīmē, ka daļiņas šeit pārvietojas
07:46
ar ļoti lielu ātrumu, un tāpēc tās ir tālāk viena no otras,
07:50
un tādēļ tām būs mazāks blīvums.
07:52
Un tā šī ūdens daļa sāks celties augšup,
07:56
ļaujot pārējam, vēsākajam ūdenim, noslīdēt lejā.
07:59
Un tad tas uzsilst, un tad tas ceļas augšup,
08:02
un tad pārējais noslīgst lejā.
08:03
Tādā veidā, lūk, liekot vielai kustēties,
08:07
viela kustas, un tā rezultātā,
08:09
siltumenerģija tiek pārnesta.
08:11
Tas var notikt tikai šķidrumos un gāzēs.
08:14
Bet ir arī trešais veids. Tas ir starojums.
08:17
Šeit siltumenerģijas pārnese
08:20
var notikt bez jebkādas vielas.
08:22
Tas var notikt kosmosa vakuumā
08:25
ar elektromagnētiskā starojuma palīdzību.
08:28
Labākais piemērs tam ir, kā mēs saņemam siltumu
08:29
no Saules.
08:31
Starp Sauli un Zemi ir vakuums,
08:33
tāpēc nevar notikt siltumvadītspēja vai konvekcija.
08:35
Bet mēs saņemam starojumu,
08:37
kas var pārvietoties caur kosmosu,
08:38
un tā mēs saņemam siltumu no Saules.
08:40
Atgriežoties pie mūsu piemēra,
08:42
pieņemsim, mēs ieslēdzam plīti un kādu laiku pagaidām,
08:45
mēs pārnesīsim gandrīz vienādu enerģijas daudzumu.
08:46
Tā ir tā pati plīts un viss pārējais.
08:48
Pieņemsim, ka mēs pārnesām apmēram 300 enerģijas vienību.
08:51
Tas ir siltums, ko mēs pārnesām, labi?
08:56
Kas tā rezultātā notiek ar mūsu siltumenerģiju?
08:58
Siltumenerģija palielināsies.
08:59
Tā pieaugs no 600 līdz 600 + 300, tātad 900 vienībām.
09:03
Šī pieaugs no 200 līdz 200 + 300, tātad 500 vienībām.
09:07
Tātad atkal var redzēt, ka jebkurā laika brīdī,
09:09
šim traukam ir vairāk siltumenerģijas nekā šim.
09:12
Bet tagad ir svarīgākais brīdis. Kāda ir jaunā temperatūra?
09:16
Temperatūras būs augstākas,
09:18
bet kuram būs augstāka temperatūra?
09:21
Vai tā būs vienāda? Vai tā būs atšķirīga?
09:23
Vai tu vari apturēt video un padomāt par to?
09:26
Labi, atceries, ka temperatūrai,
09:28
man jādomā par vidējo kinētisko enerģiju.
09:30
Šim traukam ir 900 enerģijas vienību,
09:32
bet tās ir sadalītas starp 300 molekulām, 300 daļiņām.
09:37
Ja aprēķina vidējo, 900 dalīts ar 300,
09:40
sanāk apmēram trīs.
09:42
Tātad temperatūra ir pieaugusi,
09:45
jo ir palielinājusies vidējā kinētiskā enerģija
09:46
no divi līdz trīs, labi?
09:48
Tagad paskatīsimies šeit.
09:50
Lai gan mums ir mazāk siltumenerģijas, 500 vienību,
09:53
tā ir sadalīta tikai starp 100 molekulām, 100 daļiņām,
09:57
kas nozīmē, ja es to dalu ar 100, es iegūstu pieci.
10:00
Jaunā vidējā kinētiskā enerģija būs piecas vienības.
10:04
Tātad var redzēt, ka vidējā kinētiskā enerģija šeit
10:07
ir augstāka,
10:08
tāpēc temperatūra šeit ir augstāka.
10:13
Tam ir jēga, vai ne?
10:14
Tā kā šeit ir mazāk molekulu, mazāk daļiņu,
10:16
kad tu sadali šo enerģiju, vidēji,
10:19
katrai no tām tiek vairāk.
10:21
Tāpēc šī trauka temperatūra ceļas
10:23
daudz ātrāk nekā otram.
10:25
Un tas ir iemesls, kāpēc tas trauks
10:27
galu galā sasniedz vārīšanās temperatūru ātrāk nekā otrs.
10:32
Ja būtu jāparāda atšķirība starp abiem
10:34
vienā attēlā,
10:36
šis attēls to labi apkopo.
10:37
Ja tu saskaitītu visu kinētisko enerģiju
10:39
visām daļiņām šeit,
10:41
tā būs lielāka šeit, salīdzinot ar šejieni,
10:43
jo šeit jau sākotnēji ir vairāk daļiņu.
10:46
Tāpēc šim traukam joprojām ir vairāk siltumenerģijas
10:48
salīdzinājumā ar otru.
10:49
Bet padomā par vidējo.
10:51
Vidēji,
10:52
daļiņas šeit kustas diezgan lēni.
10:54
Tātad tam ir mazāka vidējā kinētiskā enerģija, zemāka temperatūra.
10:58
Vidēji daļiņas šeit kustas ļoti ātri.
11:00
Tātad vidēji,
11:01
ir daudz augstāka kinētiskā enerģija uz vienu daļiņu,
11:04
un tāpēc ir augstāka temperatūra.
11:07
Tagad ir kaut kas, par ko padomāt.
11:08
Ja tu salīdzini šo trauku ar ūdeni ar okeānu,
11:12
tu atklāsi, ka okeānam ir daudz lielāka siltumenerģija
11:16
salīdzinājumā ar šo, tā pati ideja.
11:19
Bet šis ūdens manā virtuvē ir ar augstāku temperatūru.
11:21
Tas joprojām ir karstāks par okeānu,
11:25
jo vidējā kinētiskā enerģija ir augstāka
11:28
nekā okeānā.
11:30
Tas ir neticami, vai ne?
Eksperta komentārs
Video sākumā ar sadzīves piemēru tiek aktualizēts jautājums, kāpēc, pievadot vienādu siltuma daudzumu, trauks ar mazāku ūdens daudzumu sasniedz vārīšanās temperatūru ātrāk. Šis piemērs kalpo par pamatu, lai konsekventi nošķirtu trīs bieži jauktus jēdzienus – siltumenerģiju, temperatūru un siltumu.
Video skaidrots, ka siltumenerģija ir visu sistēmas daļiņu kinētisko enerģiju summa, ietverot translācijas, rotācijas un svārstību kustību (atkarībā no vielas agregātstāvokļa). Uzsvērts, ka dažādos agregātstāvokļos siltumenerģija rodas no atšķirīgiem kustības veidiem: cietvielās – galvenokārt no svārstībām, šķidrumos – no vairākiem kustības veidiem, bet gāzēs – galvenokārt no translācijas kustības.
Temperatūra tiek interpretēta kā daļiņu vidējās kinētiskās enerģijas mērs, nevis kopējās enerģijas rādītājs. Ar skaitlisku piemēru parādīts, ka sistēmām ar atšķirīgu molekulu skaitu var būt vienāda temperatūra, bet atšķirīga siltumenerģija. Tas ļauj skaidri parādīt, kāpēc mazāks ūdens daudzums, pievadot to pašu siltuma daudzumu, uzsilst straujāk.
Tālāk tiek precīzi nošķirts jēdziens siltums kā siltumenerģijas pārnese, uzsverot, ka fizikā nav korekti runāt par “objektā esošu siltumu” – objektam piemīt siltumenerģija, bet siltums raksturo pārneses procesu.
Video noslēgumā strukturēti aplūkoti trīs siltumpārneses veidi: siltumvadītspēja, konvekcija un starojums, katru ilustrējot ar intuitīvi saprotamiem piemēriem. Noslēdzošais salīdzinājums starp ūdens trauku un okeānu efektīvi apkopo galveno ideju: liela siltumenerģija nenozīmē augstu temperatūru, ja enerģija ir sadalīta starp ļoti lielu daļiņu skaitu.
Jēdzieni: temperatūra, siltuma pārnese, konvekcija, siltumstarojums, siltumvadīšana, molekulas, temperatūra, vārīsānas temperatūra, siltums, siltuma daudzums, siltumenerģija, (rotācijas/svārstību) kinētiska enerģija. .
Mācību literatūrā latviešu valodā kinētisko enerģiju parasti apzīmē ar Wₖ vai Eₖ, nevis KE, kā tas darīts video.