Ist mein konzeptionelles Verständnis in Bezug auf Wärme und Temperatur korrekt?

Objekt besitzt keine Wärme. Sie besitzen innere Energie.

Wärme ist wie Arbeit eine Energieübertragung und eine Eigenschaft eines Prozesses oder einer Wechselwirkung, nicht eines Objekts.

Wärme ist eher eine Art der Energieübertragung von einem System auf ein anderes als eine innere Energie eines bestimmten Systems ("thermische Energie" könnte ein guter Begriff für das sein, woran Sie denken). In An Introduction to Thermal Physics von Daniel Schroeder, p. 18 sagt:

Wärme ist definiert als jeder spontane Energiefluss von einem Objekt zum anderen, der durch einen Temperaturunterschied zwischen den Objekten verursacht wird ... Arbeit ist in der Thermodynamik definiert als jede andere Übertragung von Energie in oder aus einem System. Sie arbeiten an einem System, wenn Sie auf einen Kolben drücken, eine Tasse Kaffee umrühren oder Strom durch einen Widerstand leiten. In jedem Fall steigt die Energie des Systems und normalerweise auch seine Temperatur. Aber wir sagen nicht, dass das Objekt "erwärmt" wird, weil der Energiefluss kein spontaner ist, der durch einen Temperaturunterschied verursacht wird. Normalerweise können wir bei der Arbeit einen „Agenten“ (möglicherweise ein lebloses Objekt) identifizieren, der „aktiv“ Energie in das System einbringt; es würde nicht "automatisch" passieren.

Auf der nächsten Seite bemerkt der Autor:

Prozesse der Wärmeübertragung werden je nach beteiligtem Mechanismus weiter in drei Kategorien eingeteilt. Wärmeleitung ist die Übertragung von Wärme durch molekularen Kontakt: Sich schnell bewegende Moleküle treffen auf sich langsam bewegende Moleküle und geben dabei einen Teil ihrer Energie ab. Konvektion ist die Massenbewegung eines Gases oder einer Flüssigkeit, die normalerweise durch die Tendenz von wärmerem Material angetrieben wird, sich auszudehnen und in einem Gravitationsfeld aufzusteigen. Strahlung ist die Emission elektromagnetischer Wellen, meist Infrarot für Objekte mit Raumtemperatur, aber auch sichtbares Licht für heißere Objekte wie der Glühfaden einer Glühbirne oder die Oberfläche der Sonne.

Obwohl es hier nicht ausdrücklich erwähnt wird, glaube ich, dass die Energieübertragung durch Strahlung nur dann als "Wärme" zählt, wenn es sich um Schwarzkörperstrahlung handelt, die ausschließlich aufgrund der Temperatur des Objekts emittiert wird. Später wird im Buch erwähnt, dass die Erhöhung der Temperatur eines Objekts in einem Mikrowellenherd beispielsweise eher als "Arbeit" als als "Wärme" gelten würde. Eine zusätzliche Feinheit ist, dass technisch gesehen alle Energieübertragungen zwischen Molekülen bei normalen Temperaturen (unter denen von Kernreaktionen) auf elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen ihnen zurückzuführen sind und technisch gesehen Arten von "Energieübertragung durch Strahlung" sein könnten, aber vermutlich verwendet Schröder "Strahlung". über Fälle zu sprechen, in denen Energie zwischen Systemen ausgetauscht wird, obwohl zwischen ihnen eine makroskopische Trennung besteht.

In Bezug auf die Temperatur besagt das Gleichverteilungstheorem, dass für eine Ansammlung von Molekülen, die jeweils eine Reihe von "quadratischen Freiheitsgraden" haben (was bedeutet, dass die Energie proportional zum Quadrat einer bestimmten Geschwindigkeit oder zum Quadrat der Trennung zwischen den Molekülen in ist im Fall einer Art potentieller Energie) enthält jeder Freiheitsgrad im Durchschnitt eine Energie$(1/2)kT$, also die gesamte "thermische Energie" in einem System von N Molekülen, die jeweils f Freiheitsgrade haben, ist$U_{thermal} = N (f/2) kT$. Die Buchnotizen auf S. 15 dass diese thermische Energie nicht alle Energieformen umfasst:

Zunächst einmal die Menge$U_{thermal}$ist fast nie die Gesamtenergie des Systems; Es gibt auch "statische" Energie, die sich nicht ändert, wenn Sie die Temperatur ändern, wie z. B. in chemischen Bindungen gespeicherte Energie oder die Ruheenergien ($mc^2$) aller Teilchen im System. Daher ist es am sichersten, den Äquipartitionssatz nur auf Energieänderungen anzuwenden, wenn die Temperatur erhöht oder gesenkt wird, und Phasenumwandlungen und andere Reaktionen zu vermeiden, bei denen Bindungen zwischen Teilchen gebrochen werden können.

Für ein Gas, das aus Molekülen besteht, die jeweils nur aus einem einzigen Atom bestehen, sind die einzigen Freiheitsgrade Translationen auf drei unabhängigen Raumachsen, von denen jede etwas kinetische Energie enthalten kann. Für ein Gas aus zweiatomigen Molekülen kann es jedoch neben den drei translatorischen Freiheitsgraden noch weitere Freiheitsgrade geben. Es gibt zwei Rotationsfreiheitsgrade, die auch kinetische Energie enthalten können - die Rotation entlang der Achse, die die beiden Moleküle verbindet, "zählt" nicht, das Buch sagt, dies sei "aus quantenmechanischen Gründen", sondern die Rotation entlang zwei orthogonale Achsen tut. Und das Molekül kann auch schwingen, die beiden Atome ändern den Abstand entlang der Achse, die sie wie zwei Kugeln verbindet, die durch eine Feder verbunden sind, also gibt es einen zusätzlichen Freiheitsgrad, der kinetische Energie aus dieser Schwingung enthalten kann,potentielle Energie, da die Bindung zwischen den Atomen gedehnt und gestaucht wird, wobei das Potential wie eine Feder proportional zum Quadrat der Trennung ist. Ein zweiatomiges Molekül kann also bis zu 7 Freiheitsgrade haben, obwohl es eine weitere Komplikation darin gibt, dass bei bestimmten Temperaturen die Kollisionen zwischen Molekülen möglicherweise nicht heftig genug sind, um bei bestimmten Freiheitsgraden Energie auszutauschen – wie das Buch sagt auf P. 16:

Bei Raumtemperatur tragen jedoch viele Schwingungsfreiheitsgrade nicht zur thermischen Energie eines Moleküls bei. Auch hier liegt die Erklärung in der Quantenmechanik, wie wir in Kapitel 3 sehen werden. Also Luftmoleküle ($N_2$Und$O_2$) haben beispielsweise bei Raumtemperatur nur fünf statt sieben Freiheitsgrade. Bei höheren Temperaturen tragen schließlich die Schwingungsmoden dazu bei. Wir sagen, diese Moden sind bei Raumtemperatur "ausgefroren"; Offensichtlich sind Kollisionen mit anderen Molekülen heftig genug, um ein Luftmolekül in Rotation zu versetzen, aber kaum je heftig genug, um es zum Schwingen zu bringen.

Die Temperatur, bei der verschiedene Freiheitsgrade aktiv werden, kann bestimmt werden, indem gemessen wird, wie sich die Wärmekapazität einer Substanz mit der Temperatur ändert; die Buchnotizen auf S. 28 Diese Wärmekapazität sollte eigentlich als "Energiekapazität" bezeichnet werden, da die Wärmekapazität bei konstantem Volumen$C_V$ist definiert als die Rate, mit der sich die innere Energie bei steigender Temperatur ändert,$\frac{\partial U}{\partial T}$, die gemessen werden kann, indem man eine kleine bekannte Energiemenge hinzufügt und beobachtet, wie sich die Temperatur ändert. Für ein System mit nur quadratischen Freiheitsgraden gilt:$U_{thermal} = N (f/2) kT$, Sie können sehen, dass die Wärmekapazität bei konstantem Volumen somit sein wird$N(f/2)k$, und so können Sie durch Messen der Wärmekapazität als Funktion der Temperatur sehen, wann f zunimmt, wie im Diagramm unten auf dieser Seite gezeigt :

Das Obige gilt nur für ein Gas, S. 16 stellt folgendes über Freiheitsgrade für Festkörper und Flüssigkeiten fest:

In einem Festkörper kann jedes Atom in drei senkrecht zueinander stehenden Richtungen schwingen, also gibt es für jedes Atom sechs Freiheitsgrade (drei für kinetische Energie und drei für potentielle Energie) ... Wiederum können jedoch einige der Freiheitsgrade " ausgefroren" bei Zimmertemperatur.

Flüssigkeiten sind komplizierter als Gase oder Feststoffe. Sie können die Formel im Allgemeinen verwenden$\frac{3}{2} kT$um die durchschnittliche kinetische Translationsenergie von Molekülen in einer Flüssigkeit zu finden, aber das Gleichverteilungstheorem funktioniert nicht für den Rest der thermischen Energie, weil die intermolekularen potentiellen Energien keine schönen quadratischen Funktionen sind.

Zusammenfassend ist also die Temperatur proportional zur durchschnittlichen kinetischen Translationsenergie entlang jeder der 3 Raumachsen für ein Gas aus einatomigen Molekülen, aber für Moleküle mit mehr Atomen oder für Feststoffe ist sie proportional zur durchschnittlichen "thermischen Energie", die nicht-translationale Energie einschließt kinetische Energie (Rotation, Vibration) und potentielle Energie; und wenn einige Freiheitsgrade nicht quadratisch sind, wie in einer Flüssigkeit, gibt es keine so einfache Beziehung zwischen Temperatur und innerer Gesamtenergie.

Die grundlegendere Definition der Temperatur in der statistischen Mechanik ist, dass sie das Gegenteil der Rate ist, mit der sich die Entropie S ändert, wenn sich die innere Energie U ändert – wenn das Volumen V und die Teilchenzahl N konstant gehalten werden, wird die Temperatur durch die Gleichung definiert$\frac{1}{T} = \frac{\partial S}{\partial U}$(in Fällen, in denen N und/oder V nicht die fest gehaltenen Größen sind, können Sie die "Grundgleichung der Thermodynamik", Gleichung 5.1 auf S. 2 dieses PDFs verwenden, um die Temperatur mit anderen Größen in Beziehung zu setzen). Dies bedeutet, dass die Entropie eines isolierten Systems per Definition immer zunimmt, wenn Wärme aus dem heißeren in das kältere fließt, und die Entropie ein Maximum erreicht, wenn beide die gleiche Temperatur erreicht haben - siehe diese Antwort für mehr zu diesem Punkt.

Wie die andere Antwort besagt, besitzen Objekte keine Wärme. Wärme ist die tatsächliche Energiemenge, die von einem Objekt auf ein anderes übertragen wird.

Der typische Fall ist, wenn Sie zwei Objekte haben$A,B$bei unterschiedlicher Temperatur in Kontakt,$T_A>T_B$. Dann bedeutet es, wie Sie sagen, dass die durchschnittliche Energie von$A$ist größer als die durchschnittliche Energie von$B$. Dies induziert einen Teil der zusätzlichen Energie von$A$irgendwie übertragen werden$B$: diese zusätzlich übertragene Energie ist die Wärme; Dieser Prozess wird bis stattfinden$T_A=T_B$. Beachten Sie, dass die übertragene Wärmemenge mit der Temperaturdifferenz (dem durchschnittlichen KE) zusammenhängt, nicht mit der Energiedifferenz (dem Gesamt- KE).