Visa källa för Värme

{{Fysikalisk storhet
|namn                       = Värme
|bild                       = 
|bildtext                   = 
|alternativnamn             = Värmemängd
|definition                 = [[Energi]]överföringen som sker mellan två [[Termodynamiskt system|termodynamiska system]] till följd av en [[temperatur]]differens
|storhetssymboler           = <math>Q</math>
|dimensionssymboler         = 
|extensiv                   = 
|intensiv                   = 
|konserverad                = 
|koordinattransformation    = 
|härledningar               = 
|si-enhet                   = [[Joule|J]]&nbsp;= [[Kilogram|kg]]·[[Meter|m]]<sup>2</sup>·[[Sekund|s]]<sup>−2</sup>
|si-dimension               = [[Längd|L]]<sup>2</sup>·[[Massa|M]]·[[Tid|T]]<sup>−2</sup>
|si-grundenheter            = 
|cgs-enhet                  = [[erg]]
|cgs-dimension              = [[Längd|L]]<sup>2</sup>·[[Massa|M]]·[[Tid|T]]<sup>−2</sup>
|cgs-enhet_e-stat           = 
|cgs-dimension_e-stat       = 
|cgs-enhet_e-mag            = 
|cgs-dimension_e-mag        = 
|gaussenhet                 = 
|gaussdimension             = 
|hle-enhet                  = 
|hle-dimension              = 
|planckenhet                = 
|planckdimension            = 
|astronomisk_enhet          = 
|astronomisk_dimension      = 
|angloamerikansk_enhet      = 1&nbsp;[[Btu]]&nbsp;:=&nbsp;788,169&nbsp;[[Fot (enhet)|ft]]&nbsp;·&nbsp;[[Pound-force|lbf]] <br>≈ 1&nbsp;055,056&nbsp;J
|angloamerikansk_dimension  = 
|andra_enheter              = 
|anmärkningar               = 
|se_även                    = 
}}
[[Fil:171879main LimbFlareJan12 lg.jpg|thumb|[[Solen]]s elektromagnetiska värmestrålning är en av de viktigaste drivkrafterna för livet på [[jorden]].]]
[[Fil:system boundary sv.png|thumb|Värme kan flöda över systemgränsen hos ett [[termodynamiskt system]], vilket leder till att systemets [[inre energi]] förändras.]]

'''Värme''', eller '''värmemängd''', är ett begrepp inom [[termodynamik]]en som beskriver den [[energi]]överföring som sker mellan två [[termodynamiskt system|system]] till följd av en [[temperatur]]differens, vilket postuleras i [[termodynamikens nollte huvudsats]]. Värme kan även ses som den energiöverföring som sker till ett system men som inte är i form av [[Mekaniskt arbete|arbete]].<ref name="Reif">{{bokref| författare=F. Reif| titel= Fundamentals of Statistical and Thermal Physics| år=2000| utgivare=McGraw-Hll, Inc.| utgivningsort=[[Singapore]]| isbn=0-07-085615-X| sid=67}}</ref>
Inom tekniken behandlar området [[värmeöverföring]] den energitransport som sker mellan system. Värmeöverföring leder till en förändring hos systemens [[termisk energi|termiska energi]] vilket kan ske till följd av masstransport, [[konduktion]], [[konvektion]] eller [[värmestrålning|termisk strålning]].

Naturlig värmeöverföring sker endast spontant till den kallare kroppen, i enlighet med [[termodynamikens andra huvudsats]]. Värmeöverföringen till en kropp med samma eller högre temperatur kan endast ske genom att [[Fysikaliskt arbete|arbete]] utförs, som med en [[värmepump]].

Ett närliggande begrepp är [[termisk energi]], vilket är löst definierat som den energi hos en kropp som ökar med dess temperatur. Värme är den process genom vilken termisk energi flödar från ett system till ett annat.

==Överblick==
Värme flödar spontant från system med en högre [[temperatur]] till system med lägre temperatur, men värmeflöde i motsatt riktning sker ''inte'' spontant. Då två system med olika temperatur är i termisk kontakt med varandra kommer de att utbyta [[energi]] till dess att båda system har samma temperatur, ett tillstånd som kallas [[termisk jämvikt]].<ref>Çengel et al., sid. 30 och 261</ref>

I ett [[Termodynamiskt_system#Isolerat_system|isolerat system]] kan ingen energi utbytas med omgivningen, alltså kan inget värme passera systemgränsen. I ett [[Termodynamiskt_system#Slutet_system|slutet system]] är värme och arbete de enda sätten energi kan passera systemgränsen. Energiöverföring som sker på grund av en förändring hos externa mekaniska parametrar som [[volym]], [[tryck]], [[magnetiskt fält]] och liknande är, per definition, [[mekaniskt arbete|arbete]].<ref name="Reif"/> All annan energiöverföring från eller till ett slutet system är värme.

Benämningar som ''varmt'' och ''kallt'' är relativa termer som generellt används för att jämföra temperaturen hos ett system med ett annat. 


===Definitioner===
Den skotske fysikern [[James Clerk Maxwell]] var, i sitt verk ''Theory of Heat'' (1871), en av de första att uttrycka en modern definition på värme:

* Det är ''något som kan överföras från ett system till ett annat'',  i enlighet med [[termodynamikens andra huvudsats]].
* Det är ''mätbar storhet'' och behandlas således matematiskt.
* Det ''kan inte behandlas som en substans'' eftersom det kan omvandlas till någonting som inte är en substans, exempelvis [[mekaniskt arbete]].
* Det är ''en energiform''.

Några moderna definitioner på värme är bland andra:

* Den energi som överförs från ett högtempererat system till ett lågtempererat kallas värme.<ref>{{webbref |url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heat.html |titel=Heat |hämtdatum=9 januari 2011 |verk=Discourse on Heat and Work |utgivare=Department of Physics and Astronomy, Georgia State University}}</ref>

* Allt spontant energiflöde från ett system till ett annat orsakat av en temperaturdifferens mellan systemen kallas värme.<ref name="Schroeder">{{bokref| författare=Schroeder, Daniel V.| titel=An introduction to thermal physics| år=2000| utgivare=[[Addison-Wesley]]| utgivningsort=[[San Francisco, Kalifornien]]| isbn=0-321-27779-1| citat=''Heat'' is defined as any spontaneous flow of energy from one system to another, caused by a difference in temperature between the systems.| sid=18}}</ref>

Ur ett termodynamiskt hänseende kan värme aldrig lagras i ett system. Likt arbete existerar det enbart i energiövergången från ett system till ett annat, eller till systemets omgivning. När energi i form av värme tillförs ett system lagras det i form av [[kinetisk energi|kinetisk]] och [[potentiell energi]] hos systemets atomer och molekyler. <ref name="Smith">{{bokref|författare= Smith, J.M., Van Ness, H.C., Abbot, M.M.|titel=Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics|utgivare=McGraw-Hill|år=2005|id={{ISBN|0073104450}}}}</ref>

==Inre energi==
{{huvudartikel|Inre energi}}
[[Termodynamikens första huvudsats]] postulerar att differensen mellan tillfört värme (''Q'') och uträttat arbete (''W'') i ett system är lika stor som förändringen i systemets [[inre energi]] (''U''):

:<math>\Delta U = Q - W \ </math>

Detta innebär att systemets energi antingen kan förändras genom arbete eller via värmeflöde över systemgränsen. Inre energi är summan av alla former av energi i systemet, förutom hela systemets kinetiska och potentiella energi. Den inre energin är nära kopplad till [[molekyl]]ernas struktur och rörelse och kan betraktas som summan av molekylernas kinetiska och potentiella energi.<ref>Çengel et al., sid. 61-64</ref>

Värmeöverföring till en [[ideal gas]] vid konstant [[tryck]] ökar den inre energin och uträttar gränsarbete, det vill säga möjliggör kompression och expansion av en gasen, förutsatt att volymen inte är begränsad. Om man i första huvudsatsen delar in arbete i ''gränsarbete'' och ''övrigt'', exempelvis axelarbete från en turbin, ges:

:<math>\Delta U + W_{gr\ddot{a}nsarbete} = Q - W_{\ddot{o}vrigt}\ </math>

Den kombinerade storheten Δ''U + W<sub>gränsarbete</sub>'' är [[entalpi]], ''H''. Både entalpi och inre energi är [[tillståndsfunktion]]er, det vill säga att de är oberoende av hur tillståndet uppnåddes, till skillnad mot exempelvis värme och arbete som båda är vägberoende storheter. Det infinitesimala uttrycket för värme, Δ''Q'', utgör en [[inexakt differential]] för processer som involverar arbete. För processer som inte involverar någon volymförändring, påverkas av magnetiska fält, eller på annat sätt påverkas av externa parametrar, utgör emellertid Δ''Q'' en [[exakt differential]]. På samma sätt gäller att arbete, Δ''W'', utgör en exakt differential för alla [[adiabatisk process|adiabatiska processer]] (processer utan värmeöverföring). För processer som involverar värmeöverföring utgör dock Δ''W'' en inexakt differential.

===Entalpi och inre energiförändring===
====Ideal gas====
För ett enkelt [[Kompressibilitet|kompressibelt]] system, som exempelvis en [[ideal gas]] i en cylinder, gäller att förändringen i inre energi Δ''U'' vid konstant volym och förändringen i entalpi Δ''H'' vid konstant tryck kan modelleras utifrån olika [[värmekapacitet]]er, ''C<sub>v</sub>'' respektive ''C<sub>p</sub>''.<ref>Laird, sid. 381-383</ref>

Det värme som krävs för att vid ''konstant volym'' förändra temperaturen hos den ideala gasen från ursprungstemperaturen ''T<sub>0</sub>'' till den slutliga temperaturen ''T<sub>f</sub>'' ges av:
:<math>Q = \int_{T_0}^{T_f}C_v\,dT = \Delta U\,\!</math>

Om man lämnar inskränkningen i volym och istället tillåter att systemet får expandera och dras samman vid ''konstant tryck'', ges istället det värme som krävs för att förändra temperaturen av:
:<math>Q = \int_{T_0}^{T_f}C_p\,dT = \Delta H\  = \Delta U + \int_{V_0}^{V_f}P\,dV\,\!</math>

====Inkompressibla ämnen====
För inkompressibla ämnen, som exempelvis [[Fast form|fasta material]] och [[vätska|vätskor]], försvinner skillnaden mellan de olika värmekapaciteterna, ''C<sub>v</sub>'' för konstant volym och ''C<sub>p</sub>'' för konstant tryck. Detta eftersom inget tryck-volym-arbete uträttas på eller av systemet.

==Latent och sensibelt värme==
{{huvudartikel|Latent värme|Sensibelt värme}}
Latent värme är det värme som avges eller absorberas av ett [[kemikalie|kemiskt ämne]] eller [[termodynamiskt system]] vid en [[Isoterm process|isoterm]] tillståndsförändring, exempelvis vid [[fasövergång]]ar såsom smältning av is eller kokning av vatten.<ref name="Perrot" >{{bokref | författare=Perrot, Pierre | titel=A to Z of Thermodynamics | utgivare=Oxford University Press | år=1998 | isbn=0-19-856552-6}}</ref><ref>{{bokref | författare=Clark, John, O.E.| titel=The Essential Dictionary of Science | utgivare=Barnes & Noble Books | år=2004 | isbn=0-7607-4616-8}}</ref> Begreppet introducerades 1750 av den skotske fysikern [[Joseph Black]] och kommer från latinets ''latere'' (''att ligga dold''), vilket syftar till att det latenta värmets effekt inte är direkt mätbar med hjälp av en termometer.

Sensibelt värme, i motsats till latent värme, är den värmeöverföring till ett termodynamiskt system vilken resulterar i en temperaturförändring hos systemet.<ref>{{webbref 
 |url=http://www.uwsp.edu/geo/faculty/ritter/geog101/textbook/energy/energy_balance.html 
 |författare=Ritter, Michael E. 
 |titel=The Physical Environment: an Introduction to Physical Geography 
 |datum=2006 
 |arkivurl=https://web.archive.org/web/20120829175538/http://www4.uwsp.edu/geo/faculty/ritter/geog101/textbook/energy/energy_balance.html 
 |arkivdatum=2012-08-29 
 }}</ref> Sensibelt värme ökar således enbart den termiska energin i ett system.

==Specifik värmekapacitet==
{{huvudartikel|Specifik värmekapacitet|Värmekapacitet}}
[[Specifik värmekapacitet]], eller värmekapacitivitet, är definierat som den mängd energi som måste överföras till eller från ett ämne per [[massa|massenhet]] (kilogram) eller [[substansmängd]] ([[mol]]) för att ämnets temperatur ska stiga en grad. Specifik värmekapacitet är en fysikalisk storhet, vilket innebär att den är beroende av vilket ämne som betraktas och dess [[Termodynamiskt tillstånd|tillstånd]]. 

De specifika värmekapaciteterna för monatomiska gaser, exempelvis [[helium]], är nästan helt oberoende av gasens temperatur. För gaser med två och tre atomer är värmekapaciteterna mer beroende av temperaturen.

==Entropi==
{{huvudartikel|Entropi|Termodynamikens andra huvudsats}}
Den tyske fysikern [[Rudolf Clausius]] formulerade i mitten av 1800-talet [[termodynamikens andra huvudsats]]: 
{{citat|Det är omöjligt att konstruera en maskin som arbetar i en cykelprocess och som inte har någon annan effekt än värmeöverföring från en lågtempererad kropp till en högtempererad.|[[Rudolf Clausius]]|<ref>Fri översättning från Çengel, sid. 266</ref>}}
Detta födde tanken om [[Reversibel process|reversibla]] (förlustfria) och irreversibla (verkliga) processer. Stora delar av den tillämpade termodynamiken handlar om att minimera värmeförluster i verkliga irreversibla processer. Detta faktum ledde till ett historiskt viktigt teorem, [[Clausius olikhet]]:<ref>Çengel, sid. 298-302</ref>
:<math>\oint \frac{\delta Q}{T} \leq 0.</math>
Olikheten innebär att för samtliga cykelprocesser sker någon form av värmeförlust, förutom i det reversibla fallet då likhet gäller. Utifrån från detta definieras det centrala begreppet [[entropi]] ''S'':
:<math>dS \ge \frac{\delta Q}{T} \!</math>

För en reversibel process kan ekvationen skrivs om så att värmet ''δQ'' (en inexakt differential) definieras som storheten ''TdS'' (en exakt differential):

:<math> \delta Q = T dS \,</math>

Med andra ord underlättar entropifunktionen ''S'' kvantifiering och mätning av värmeflöden in och ut ur ett termodynamiskt system.

==Tillämpad värmeöverföring==
{{huvudartikel|Värmeöverföring}}
[[Fil:Hot metalwork.jpg|thumb|right|En glödhet järnstav överför huvudsakligen värme till sin omgivning genom [[värmestrålning]].]]
Området [[värmeöverföring]], som vanligen ses som en gren av [[maskinteknik|maskin-]] eller [[kemiteknik]]en, behandlar tillämpande metoder för värmeöverföring. Notera är att termen ''värme'' i sin natur redan implicerar en ''överföring'', dock används det traditionella begreppet ''värmeöverföring'' fortfarande inom stora delar av tekniken och andra områden. Förståelsen för värmeöverföring är helt avgörande för utformning och drift av termiska processer och maskiner. 

Värmeöverföring kan ske genom [[konduktion|ledning]], [[värmestrålning|strålning]] och masstransport. Inom tekniken används termen [[konvektion|konvektiv värmeöverföring]] för att beskriva den kombinerade effekten av ledning och fluidströmning och detta ses ofta som ytterligare en form av värmeöverföring. Ett flertal fysiska lagar har upptäckts och härletts för att beskriva effekten av olika former av värmeöverföring, dock påvisar verkliga system ofta komplexa kombinationer av dessa effekter. Diverse matematiska metoder har tagits fram för att lösa eller uppskatta effekten av värmeöverföring för system.

==Begreppsförvirring==
Det råder till viss del debatt inom vetenskapen om hur begreppet ''värme'' ska och bör användas.<ref name="Sozbilir">{{tidskriftsref |år=2003 |titel=A review of selected literature on students' misconceptions of heat |tidskrift=Boğaziçi University Journal of Education |volym=20 |nummer=1 |sid=25–41 |url=http://buje.boun.edu.tr/upload/revizeedilmis/45bc61ceeb94344a0664C646d01.pdf |arkivurl=https://web.archive.org/web/20100923102957/http://buje.boun.edu.tr/upload/revizeedilmis/45bc61ceeb94344a0664C646d01.pdf |arkivdatum=2010-09-23 |hämtdatum=2011-01-10 }} {{Wayback|url=http://buje.boun.edu.tr/upload/revizeedilmis/45bc61ceeb94344a0664C646d01.pdf |date=20100923102957 }}</ref> I sin nuvarande form kan användningen av begreppet vara motsägelsefull och ibland rent av missvisande. En studie visade att ett flertal populära läroböcker använde ett språk som innebar flera betydelser av begreppet; att värme är en process för energiöverföring, att det är den överförda energin, att det är en storhet inom systemet, med flera. Studien visade att det inte var ovanligt med flera av dessa varianter i samma text.<ref name="Brookes">{{tidskriftsref |efternamn1=Brookes |förnamn1=D. |efternamn2=Horton |förnamn2=G. |efternamn3=Van Heuvelen |förnamn3=A. |efternamn4=Etkina |förnamn4=E. |år=2005 |titel=Concerning Scientific Discourse about Heat |tidskrift=2004 Physics Education Research Conference |utgivare=AIP Conference Proceedings |volym=790 |nummer= |sid=149–152 |url=http://research.physics.illinois.edu/per/David/perc2004_revised.pdf |doi=10.1063/1.2084723 |arkivurl=https://web.archive.org/web/20100719114350/http://research.physics.illinois.edu/per/David/perc2004_revised.pdf |arkivdatum=2010-07-19 }}</ref>

Friedrich Herrmann föreslog 2004 att anledningen till begreppsförvirring kan vara en konsekvens av den moderna definitionen av värme som en form av energi, vilket går emot både den historiska och vardagliga synen på värme. Han menar att det värmebegrepp som introducerades av [[Joseph Black]] på 1700-talet och som i stor utsträckning användes av [[Nicolas Léonard Sadi Carnot|Sadi Carnot]] i själva verket är vad vi i dag kallar [[entropi]] - en inre egenskap som är kopplat till ämnets massa och temperatur, som överförs mellan system med olika temperatur och som kan skapas på många olika sätt men aldrig förstöras. Även den vardagliga synen på värme liknar det tidiga historiska konceptet och när ''värme'' omdefinierades i termer av energi skapades en begreppsförvirring som ofta lyser igenom även i den moderna fysiken.<ref name="Herrmann"> {{bokref |efternamn=Herrmann |förnamn=Friedrich |redaktör=E. Mechlová  |titel=GIREP Conference 2004 Proceedings: Teaching and Learning Physics in new Contexts |hämtdatum=3 september 2010 |år=2004 |utgivare=University of Ostrava |isbn=80-7042-378-1 |sid=35–40 |kapitel= Entropy from the Beginning |kapitelurl=http://www.girep.org/proceedings/conference2004/Friedrich_Herrmann_-_Entropy_from_the_Beginning.pdf }} </ref>

==Se även==
{{Kolumner}}
* [[Mekaniskt arbete|Arbete]]
* [[Kyla]]
* [[Spillvärme]]
* [[Termodynamik]]
* [[Termometer]]
* [[Värmedöden]]
* [[Värmekraftverk]]
* [[Värmeledningsekvationen]]
* [[Värmeväxlare]]
{{Kolumner-slut}}

==Referenser==
{{enwp|url=http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Heat&oldid=406922051|artikel=Heat|datum=9 januari 2011}}
===Noter===
<references/>
===Allmänna källor===
*{{bokref |efternamn=Çengel |förnamn=Yunus A. |medförfattare=Turner, R.; Cimbala, J. |titel=Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences |upplaga=tredje upplagan |år=2008 |utgivare=McGraw-Hill |isbn=978-007-126631-4 |sid=}}
*{{bokref |efternamn=Laird |förnamn=Brian B.|titel=University Chemistry |år=2009 |utgivare=McGraw-Hill |isbn=978-0-07-128774-6}}

==Externa länkar==
*[http://www.cheresources.com/convection.shtml Samband för konvektiv värmeöverföring] – ChE Online Resources {{en ikon}}
*[https://web.archive.org/web/20100924135512/http://canadaconnects.ca/chemistry/10114/ Kvantitativ analys av värme] {{en ikon}}

{{Auktoritetsdata}}
[[Kategori:Energi]]
[[Kategori:Termodynamik]]
[[Kategori:Värmeöverföring]]