Ve fyzice je pojem „teplo“spojován s přenosem tepelné energie mezi různými tělesy. Díky těmto procesům dochází k zahřívání a ochlazování těles a také ke změně jejich stavů agregace. Podívejme se podrobněji na otázku, co je teplo.
Koncept konceptu
Co je teplo? Každý člověk může odpovědět na tuto otázku z každodenního hlediska, což znamená, že v uvažovaném konceptu pocity, které má, když se zvýší okolní teplota. Ve fyzice je tento jev chápán jako proces přenosu energie spojený se změnou intenzity chaotického pohybu molekul a atomů, které tvoří tělo.
Obecně lze říci, že čím vyšší je tělesná teplota, tím více vnitřní energie je v něm uloženo a tím více tepla může předat jiným objektům.
Teplo a teplota
Znáte-li odpověď na otázku, co je teplo, mnozí si mohou myslet, že tento pojem je podobný pojmu „teplota“, ale není tomu tak. Teplo je kinetická energie, teplota je její mírouenergie. Proces přenosu tepla tedy závisí na hmotnosti látky, na počtu částic, které ji tvoří, a také na typu těchto částic a průměrné rychlosti jejich pohybu. Teplota zase závisí pouze na posledním z uvedených parametrů.
Rozdíl mezi teplem a teplotou snadno pochopíte, pokud provedete jednoduchý experiment: musíte nalít vodu do dvou nádob tak, aby jedna byla plná a druhá jen z poloviny. Položením obou nádob na oheň lze pozorovat, že ta, ve které je méně vody, se začíná vařit jako první. Aby se druhá nádoba uvařila, bude potřebovat ještě trochu tepla z ohně. Když se obě nádoby vaří, můžete změřit jejich teplotu, bude stejná (100 oC), ale k vaření vody v plné nádobě bylo potřeba více tepla.
Topné jednotky
Podle definice tepla ve fyzice lze hádat, že se měří ve stejných jednotkách jako energie nebo práce, tedy v joulech (J). Kromě hlavní jednotky tepla můžete v každodenním životě často slyšet o kaloriích (kcal). Tímto pojmem se rozumí množství tepla, které je potřeba předat jednomu gramu vody, aby se její teplota zvýšila o 1 kelvin (K). Jedna kalorie se rovná 4,184 J. Můžete také slyšet o velkých a malých kaloriích, které jsou 1 kcal a 1 kalorie.
Koncept tepelné kapacity
Když víme, co je teplo, uvažujme fyzikální veličinu, která jej přímo charakterizuje – tepelnou kapacitu. Pod tímto konceptemfyzika znamená množství tepla, které musí být tělu odevzdáno nebo odebráno, aby se jeho teplota změnila o 1 kelvin (K).
Tepelná kapacita konkrétního tělesa závisí na 2 hlavních faktorech:
- o chemickém složení a stavu agregace, ve kterém je tělo prezentováno;
- jeho mše.
Aby byla tato charakteristika nezávislá na hmotnosti předmětu, byla ve fyzice tepla zavedena další veličina - měrná tepelná kapacita, která určuje množství tepla přeneseného nebo přijatého daným tělesem na 1 kg tělesa. jeho hmotnost, když se teplota změní o 1 K.
Abyste jasně ukázali rozdíl ve specifických tepelných kapacitách pro různé látky, vezměte například 1 g vody, 1 g železa a 1 g slunečnicového oleje a zahřejte je. Teplota se bude měnit nejrychleji u vzorku železa, pak u kapky oleje a naposledy u vody.
Všimněte si, že měrná tepelná kapacita závisí nejen na chemickém složení látky, ale také na jejím stavu agregace a také na vnějších fyzikálních podmínkách, za kterých se uvažuje (konstantní tlak nebo konstantní objem).
Hlavní rovnice procesu přenosu tepla
Když jsme se vypořádali s otázkou, co je teplo, měli bychom uvést hlavní matematický výraz, který charakterizuje proces jeho přenosu pro absolutně jakákoli tělesa v jakémkoli stavu agregace. Tento výraz má tvar: Q=cmΔT, kde Q je množství přeneseného (přijatého) tepla, c je měrné teplo daného předmětu, m -jeho hmotnost, ΔT je změna absolutní teploty, která je definována jako rozdíl tělesných teplot na konci a na začátku procesu přenosu tepla.
Je důležité pochopit, že výše uvedený vzorec bude vždy platný, když si během uvažovaného procesu předmět zachová svůj stav agregace, to znamená, že zůstane kapalinou, pevnou látkou nebo plynem. Jinak rovnici nelze použít.
Změna stavu agregace hmoty
Jak víte, existují 3 hlavní agregované stavy, ve kterých může být hmota:
- plyn;
- liquid;
- pevné tělo.
Aby došlo k přechodu z jednoho stavu do druhého, je nutné, aby tělo informovalo nebo mu odebíralo teplo. Pro takové procesy ve fyzice byly zavedeny pojmy měrných tepel tání (krystalizace) a varu (kondenzace). Všechny tyto veličiny určují množství tepla potřebného ke změně stavu agregace, která uvolní nebo pohltí 1 kg tělesné hmotnosti. Pro tyto procesy platí rovnice: Q=Lm, kde L je měrné teplo odpovídajícího přechodu mezi stavy hmoty.
Níže jsou uvedeny hlavní rysy procesů změny stavu agregace:
- Tyto procesy probíhají při konstantní teplotě, jako je var nebo tání.
- Jsou reverzibilní. Například množství tepla, které dané těleso absorbovalo, aby se roztavilo, se bude přesně rovnat množství tepla, které se uvolní do prostředí, pokud toto těleso znovu projde.do pevného stavu.
Tepelná rovnováha
Toto je další důležitý problém související s pojmem „teplo“, který je třeba vzít v úvahu. Pokud se dostanou do kontaktu dvě tělesa s různou teplotou, pak se po chvíli teplota v celém systému vyrovná a stane se stejnou. K dosažení tepelné rovnováhy musí těleso s vyšší teplotou odevzdávat teplo systému a těleso s nižší teplotou musí toto teplo přijmout. Zákony tepelné fyziky, které popisují tento proces, lze vyjádřit jako kombinaci hlavní rovnice přenosu tepla a rovnice, která určuje změnu agregovaného stavu hmoty (pokud existuje).
Pozoruhodným příkladem procesu samovolného ustavení tepelné rovnováhy je rozžhavená železná tyč, která je hozena do vody. V tomto případě bude horká žehlička vydávat teplo vodě, dokud se její teplota nevyrovná teplotě kapaliny.
Základní způsoby přenosu tepla
Všechny lidstvu známé procesy spojené s výměnou tepelné energie probíhají třemi různými způsoby:
- Tepelná vodivost. Aby k výměně tepla došlo tímto způsobem, je nutný kontakt dvou těles s různými teplotami. V kontaktní zóně na lokální molekulární úrovni dochází k přenosu kinetické energie z horkého tělesa na studené. Rychlost tohoto přenosu tepla závisí na schopnosti zúčastněných těles vést teplo. Pozoruhodným příkladem tepelné vodivosti ječlověk se dotýká kovové tyče.
- Konvekce. Tento proces vyžaduje pohyb hmoty, proto je pozorován pouze v kapalinách a plynech. Podstata konvekce je následující: když se vrstvy plynu nebo kapaliny zahřívají, jejich hustota klesá, takže mají tendenci stoupat nahoru. Při nárůstu objemu kapaliny nebo plynu předávají teplo. Příkladem konvekce je proces vaření vody v konvici.
- Záření. K tomuto procesu přenosu tepla dochází v důsledku emise elektromagnetického záření různých frekvencí zahřátým tělesem. Sluneční světlo je ukázkovým příkladem záření.
