Vo fyzike sa pojem „teplo“spája s prenosom tepelnej energie medzi rôznymi telesami. V dôsledku týchto procesov dochádza k zahrievaniu a ochladzovaniu telies, ako aj k zmene ich stavov agregácie. Pozrime sa podrobnejšie na otázku, čo je teplo.
Koncept konceptu
Čo je teplo? Každý človek môže na túto otázku odpovedať z každodenného hľadiska, čo znamená, že v rámci tohto konceptu sú pocity, ktoré má, keď teplota okolia stúpa. Vo fyzike sa tento jav chápe ako proces prenosu energie spojený so zmenou intenzity chaotického pohybu molekúl a atómov, ktoré tvoria telo.
Vo všeobecnosti môžeme povedať, že čím vyššia je telesná teplota, tým viac vnútornej energie sa v ňom ukladá a tým viac tepla môže odovzdať iným predmetom.
Teplo a teplota
S vedomím odpovede na otázku, čo je teplo, si mnohí môžu myslieť, že tento pojem je podobný pojmu „teplota“, ale nie je tomu tak. Teplo je kinetická energia, ktorej mierou je teplotaenergie. Proces prenosu tepla teda závisí od hmotnosti látky, od počtu častíc, ktoré ju tvoria, ako aj od typu týchto častíc a priemernej rýchlosti ich pohybu. Teplota zase závisí len od posledného z uvedených parametrov.
Rozdiel medzi teplom a teplotou ľahko pochopíte, ak vykonáte jednoduchý experiment: musíte naliať vodu do dvoch nádob tak, aby jedna nádoba bola plná a druhá len do polovice. Položením oboch nádob na oheň možno pozorovať, že tá, v ktorej je menej vody, začína vrieť ako prvá. Aby druhá nádoba uvarila, bude potrebovať ešte trochu tepla z ohňa. Keď obe nádoby varia, môžete zmerať ich teplotu, bude rovnaká (100 oC), ale na prevarenie vody v plnej nádobe bolo potrebné viac tepla.
Tepelné jednotky
Podľa definície tepla vo fyzike možno hádať, že sa meria v rovnakých jednotkách ako energia alebo práca, teda v jouloch (J). Okrem hlavnej jednotky tepla môžete v každodennom živote často počuť o kalóriách (kcal). Tento pojem sa chápe ako množstvo tepla, ktoré je potrebné odovzdať jednému gramu vody, aby jej teplota stúpla o 1 kelvin (K). Jedna kalória sa rovná 4,184 J. Môžete tiež počuť o veľkých a malých kalóriách, ktoré sú 1 kcal a 1 kalória.
Koncept tepelnej kapacity
Vediac, čo je teplo, uvažujme o fyzikálnej veličine, ktorá ho priamo charakterizuje – tepelnej kapacite. Pod týmto konceptom,fyzika znamená množstvo tepla, ktoré sa musí telu odovzdať alebo odobrať, aby sa jeho teplota zmenila o 1 kelvin (K).
Tepelná kapacita konkrétneho telesa závisí od 2 hlavných faktorov:
- o chemickom zložení a stave agregácie, v ktorom je telo prezentované;
- jeho omše.
Aby bola táto charakteristika nezávislá od hmotnosti predmetu, bola vo fyzike tepla zavedená ďalšia veličina - merná tepelná kapacita, ktorá určuje množstvo tepla odovzdaného alebo prijatého daným telesom na 1 kg jeho hmotnosť pri zmene teploty o 1 K.
Aby ste jasne ukázali rozdiel v špecifických tepelných kapacitách pre rôzne látky, vezmite napríklad 1 g vody, 1 g železa a 1 g slnečnicového oleja a zohrejte ich. Teplota sa zmení najrýchlejšie pre vzorku železa, potom pre kvapku oleja a naposledy pre vodu.
Upozorňujeme, že špecifická tepelná kapacita závisí nielen od chemického zloženia látky, ale aj od jej stavu agregácie, ako aj od vonkajších fyzikálnych podmienok, za ktorých sa uvažuje (konštantný tlak alebo konštantný objem).
Hlavná rovnica procesu prenosu tepla
Po vyriešení otázky, čo je teplo, by sme mali uviesť hlavný matematický výraz, ktorý charakterizuje proces jeho prenosu pre absolútne akékoľvek telesá v akomkoľvek stave agregácie. Tento výraz má tvar: Q=cmΔT, kde Q je množstvo odovzdaného (prijatého) tepla, c je špecifické teplo predmetného objektu, m -jeho hmotnosť, ΔT je zmena absolútnej teploty, ktorá je definovaná ako rozdiel teplôt tela na konci a na začiatku procesu prenosu tepla.
Je dôležité pochopiť, že vyššie uvedený vzorec bude vždy platný, keď si počas posudzovaného procesu objekt zachová svoj stav agregácie, to znamená, že zostane kvapalinou, pevnou látkou alebo plynom. V opačnom prípade rovnicu nemožno použiť.
Zmena stavu agregácie hmoty
Ako viete, existujú 3 hlavné súhrnné stavy, v ktorých môže byť hmota:
- gas;
- liquid;
- pevné telo.
Aby došlo k prechodu z jedného stavu do druhého, je potrebné, aby telo informovalo alebo odoberalo teplo. Pre takéto procesy vo fyzike boli zavedené pojmy špecifických teplôt topenia (kryštalizácie) a varu (kondenzácie). Všetky tieto veličiny určujú množstvo tepla potrebného na zmenu stavu agregácie, ktorá uvoľní alebo absorbuje 1 kg telesnej hmotnosti. Pre tieto procesy platí rovnica: Q=Lm, kde L je špecifické teplo zodpovedajúceho prechodu medzi stavmi hmoty.
Nižšie sú uvedené hlavné črty procesov zmeny stavu agregácie:
- Tieto procesy prebiehajú pri konštantnej teplote, ako je varenie alebo topenie.
- Sú reverzibilné. Napríklad množstvo tepla, ktoré dané teleso absorbovalo, aby sa roztopilo, sa bude presne rovnať množstvu tepla, ktoré sa uvoľní do prostredia, ak toto teleso znova prejde.do pevného stavu.
Tepelná rovnováha
Toto je ďalšia dôležitá otázka súvisiaca s pojmom „teplo“, ktorú je potrebné zvážiť. Ak sa dve telesá s rôznymi teplotami dostanú do kontaktu, potom sa po chvíli teplota v celom systéme vyrovná a stane sa rovnakou. Na dosiahnutie tepelnej rovnováhy musí teleso s vyššou teplotou odovzdávať teplo systému a teleso s nižšou teplotou musí toto teplo prijať. Zákony tepelnej fyziky, ktoré popisujú tento proces, môžu byť vyjadrené ako kombinácia hlavnej rovnice prenosu tepla a rovnice, ktorá určuje zmenu agregovaného stavu hmoty (ak existuje).
Pozoruhodným príkladom procesu spontánneho nastolenia tepelnej rovnováhy je rozžeravená železná tyč, ktorá je hodená do vody. V tomto prípade bude horúca žehlička odovzdávať teplo vode, kým sa jej teplota nezrovná s teplotou kvapaliny.
Základné metódy prenosu tepla
Všetky procesy, ktoré človek pozná a ktoré súvisia s výmenou tepelnej energie, prebiehajú tromi rôznymi spôsobmi:
- Tepelná vodivosť. Aby výmena tepla prebiehala týmto spôsobom, je potrebný kontakt dvoch telies s rôznymi teplotami. V kontaktnej zóne na lokálnej molekulárnej úrovni sa kinetická energia prenáša z horúceho telesa na studené. Rýchlosť tohto prenosu tepla závisí od schopnosti telies viesť teplo. Pozoruhodným príkladom tepelnej vodivosti ječlovek sa dotýka kovovej tyče.
- Konvekcia. Tento proces vyžaduje pohyb hmoty, preto sa pozoruje iba v kvapalinách a plynoch. Podstata konvekcie je nasledovná: keď sa vrstvy plynu alebo kvapaliny zahrievajú, ich hustota klesá, takže majú tendenciu stúpať nahor. Pri zvyšovaní objemu kvapaliny alebo plynu odovzdávajú teplo. Príkladom konvekcie je proces varenia vody v kanvici.
- Žiarenie. Tento proces prenosu tepla nastáva v dôsledku emisie elektromagnetického žiarenia rôznych frekvencií zohriatym telesom. Slnečné svetlo je ukážkovým príkladom žiarenia.
