Czym jest ciepło? Dlaczego w ubraniach jest nam cieplej?

advertisement
Czym jest ciepło?
Dlaczego w ubraniach
jest nam cieplej?


Jedną z konsekwencji drugiej zasady termodynamiki jest
to, że energia samorzutnie przepływa od ciała
cieplejszego do ciała chłodniejszego. Z czasem
różnica temperatur w układzie złożonym z kilku
połączonych ciał o różnych temperaturach będzie coraz
mniejsza – innymi słowy, układ dąży do
stanu równowagi termodynamicznej.
Podobnie, jeśli kulkę położymy na wewnętrznym brzegu
miski, to będzie się toczyć w dół, by w końcu zatrzymać
się na jej dnie. W takiej pozycji kulka będzie trwale
pozostawać, gdyż znajduje się w stanie równowagi, tym
razem – mechanicznej.
Rys. 1



Temperatura ciała to wielkość
charakteryzująca miarę energii
kinetycznej molekuł. W obrębie jednej
fazy (np. tylko cieczy) charakteryzuje
stan jego ogrzania.
Temperaturę można wyrażać w różnych
skalach. Jedna ze skal powszechnie
stosowana to skala Celsjusza, która
jest skalibrowana w ten sposób,
że 0 odpowiada zamarzaniu wody,
a 100 – jej wrzeniu.
Inaczej skalibrowana jest skala Kelvina,
gdzie 0 odpowiada najniższej możliwej
temperaturze, jaką mogą osiągnąć
wszystkie ciała (tzw. temperatura zera
bezwzględnego). W tej skali
punkt 273 odpowiada zamarzaniu wody,
czyli punktowi 0 w skali Celsjusza.
Rys.2
Termometr
Czym jest ciepło?

Ciepło jest procesem ogrzewania lub
schładzania układu termodynamicznego.
W pierwszym przypadku mamy do
czynienia z przyrostem, a w drugim z
utratą jego energii wewnętrznej. Proces
ten zachodzi samoistnie, gdy pomiędzy
układem a otoczeniem istnieje różnica
temperatur.

Kawa i ciastko mają
najwyższą
temperaturę (ok.
50°C), dlatego ich
energia wewnętrzna
będzie przekazywana
na sposób termiczny
do chłodniejszego
otoczenia (ok. 20°C).
Rys.3 Kawa i
ciastko

Z kolei lody
waniliowe mają
najniższą temperaturę
(0°C), więc ich
energia wewnętrzna
będzie wzrastała
kosztem energii
otoczenia (energia
przepływa od
otoczenia do lodów).
Rys. 4
Lody



Podgrzewanie
powoduje szybszy ruch
molekuł danego ciała.
W gazach cząsteczki
zaczynają się szybciej
poruszać. W ciałach
stałych drgania molekuł stają
się większe (ich energia
kinetyczna wzrasta).
Jeśli drgania stają się bardzo
duże, może nastąpić
rozerwanie wiązań pomiędzy
jonami, co będziemy
obserwować jako topienie się
ciała stałego (kryształu).
Rys.5
Przewodnictw
o
Topnienie – przemiana fazowa, polegająca na przejściu
substancji ze stanu stałego w stan ciekły.
Rys.6
Topnienie

Zjawisko topnienia ściśle wiąże się ze zjawiskiem
krzepnięcia. Oznaczana eksperymentalnie
temperatura topnienia nie zawsze jednak odpowiada
ściśle temperaturze krzepnięcia. Wynika to m.in. z
wpływu zanieczyszczeń, szybkości schładzania lub
ogrzewania, tworzeniem zarodków krystalizacji oraz
ze zjawisk powierzchniowych i międzyfazowych.
Dla każdego idealnie czystego pierwiastka i
większości związków chemicznych, przy określonym
ciśnieniu można wyznaczyć jedną, ściśle określoną
temperaturę topnienia, która zarazem jest też jej
temperaturą krzepnięcia.
Energia pomiędzy ciałami może być
przekazywana w sposób termodynamiczny za
pomocą trzech mechanizmów:
przewodnictwa cieplnego,
 konwekcji,
 promieniowania.


Na ilustracji widzimy trzy sposoby przekazywania energii w
sposób termodynamiczny na przykładzie gotowania wody w
garnku. Płomień emituje energię w postaci promieniowania
podczerwonego. Ogrzewanie wody odbywa się z
wykorzystaniem zjawiska konwekcji. Ciepła woda przy dnie
przemieszcza się do góry i ogrzewa chłodniejszą wodę na
górze. Z kolei koniec rączki w garnku ogrzewa się w wyniku
przewodnictwa cieplnego.
Rys.7
Cieplny przepływ energii



Przewodnictwo cieplne (kondukcja) polega na
przekazywaniu energii wewnętrznej w ośrodkach
materialnych poprzez wzajemne oddziaływanie na
siebie molekuł tworzących daną materię.
W gazach odbywa się ono poprzez zderzanie się
cząsteczek gazu.
W ciałach stałych mechanizm ten jest bardziej
skomplikowany, lecz ma skutek podobny: energia
termiczna przemieszcza się od miejsca o wyższej
temperaturze do miejsc o niższej jej wartości.
Rys.8
Wymiana ciepła
Dlaczego dywan wydaje się być cieplejszy niż podłoga
wyłożona płytkami?



W pokoju, w którym podłoga wyłożona jest
terakotą, gdy stoimy bosymi stopami na płytkach,
czujemy chłód. Jednak jeśli przejdziemy na dywan
– odczujemy „ciepło”. Błędnie określamy
temperaturę płytek jako niższą, gdyż temperatura
dywanu i płytek jest taka sama. Przyczyną tego
błędnego odczucia jestróżnica w przewodności
cieplnej dywanu i płytek.
Płytki mają znaczne przewodnictwo
cieplne. Dlatego ciepło przekazywane z naszej
stopy będzie szybko rozchodzić się po całej
płytce, nie pozwalając na wyrównanie temperatury
pomiędzy częścią płytki przylegającą do stopy a
nią samą.
Z odmienną sytuacją mamy do czynienia, gdy
stoimy na dywanie. Dywan ma niski
współczynnik przewodnictwa cieplnego, przez
co energia cieplna powoli przepływa do dalszych
jego części. Dlatego część dywanu, przylegająca
bezpośrednio do naszej stopy szybko osiąga jej
temperaturę. Znika początkowa różnica
temperatur, a przepływ energii prawie ustaje i nie
odczuwamy zimna.
Rys.9
Dywan



Woda jest słabym przewodnikiem ciepła, a mimo to nie mamy
problemu, aby – podgrzewając tylko spód garnka z nią –
zagotować całą wodę w garnku. Dzieje się tak, ponieważ
podgrzewanie prawie całej wody zachodzi poprzez konwekcję.
Od gorącego dna garnka woda na dnie jest podgrzewana.
Przez to ma niższą gęstość niż chłodniejsza woda powyżej. To
z kolei powoduje przepływ ciepłej wody do góry, a tam miesza
się z zimniejszą, oddając jej część energii. Tak ochłodzona
woda ma większą gęstość i zaczyna opadać na dno, gdzie
znowu zostaje podgrzana itd.
Konwekcja występuje także w gazach. Powietrze jest jeszcze
słabszym przewodnikiem ciepła niż woda, a mimo wszystko
grzejnik w jednej części pokoju podgrzewa całe powietrze
znajdujące się w nim.
Ilustracja przedstawia przekrój pokoju widzianego z boku. Sposób
rozmieszczenia grzejnika i chłodnicy (okno) wypływa na konwekcję w pokoju.
Poprzez odpowiednie rozmieszczenie tych dwóch elementów (tak jak w pokoju
II) uzyskujemy równomierny rozkład temperatury w pomieszczeniu.
Rys.10
Konwekcja
Promieniowanie cieplne

Energia wewnętrzna ciał jest wypromieniowywana
w postaci fal elektromagnetycznych. Ciała
w temperaturze pokojowej najwięcej energii
wypromieniowują w zakresie podczerwieni. W toku
ewolucji ludzkie oko nie przystosowało się do
rejestrowania tak długich fal. Jednak nauczyliśmy się
budować urządzenia, dzięki którym możemy
obserwować świat także w tym zakresie częstotliwości
fal elektromagnetycznych. Co ciekawe, w naszej skórze
są receptory, dzięki którym odczuwamy promieniowanie
podczerwone, przy czym są one o wiele mniej czułe
niż receptory kamery termowizyjnej.
Ubrania działają jak izolator

Na zdjęciu z kamery
termowizyjnej widzimy,
że miejsca, które są
przykryte ubraniem,
emitują mniej energii
(ciemniejszy kolor) do
otoczenia niż goła skóra
(jaśniejszy kolor).
Rys.11
Organizm człowieka jest źródłem
energii cieplnej


W naszym organizmie spalane
jest paliwo (pokarm), a
energia wytworzona podczas
tego procesu zużywana jest
m.in. na pracę naszych mięśni
i ogrzewanie organizmu.
Ponieważ w większości
przypadków nasz organizm
ma temperaturę wyższą niż
otoczenie, będzie on oddawał
więcej energii cieplnej do
otoczenia, niż jej absorbował.
Rys.12
Ciało człowieka
Dlaczego w wodzie wychładzamy się
szybciej niż w powietrzu?

Zanurzywszy się w wodzie o temperaturze 23°C
czujemy, że jest ona chłodna i szybko robi nam się
w niej zimno. Gdy jednak jesteśmy w powietrzu o tej
samej temperaturze, czujemy, że jest ono ciepłe.
Rys.13
Pływak

Gdy jesteśmy zanurzeni
w powietrzu, ilość energii
przekazywanej z naszego
ciała do niego zazwyczaj
nie przekracza ilości
energii produkowanej
przez nasz organizm,
przez co ciało ludzkie
utrzymuje stałą
temperaturę.
Rys.14
Niebo

W jednym i drugim przypadku nasze ciało
ma wyższą temperaturę od otoczenia i
energia przepływa od niego na zewnątrz.
Różnica polega na tym, że ciepło z
ludzkiego ciała jest przekazywane
wodzie o wiele efektywniej niż
powietrzu (ok. 20 razy szybciej),
ponieważ woda dużo lepiej przewodzi
ciepło.
Przegrzanie i wyziębienie, a
właściwy dobór ubrania

Podczas wysiłku
fizycznego nasz
organizm wytwarza
więcej ciepła niż w
spoczynku. Jeśli
ubranie zbyt mocno
izoluje nasze ciało od
otoczenia, może
dojść do przegrzania
organizmu.
Rys.15
Wysiłek fizyczny

Najefektywniejszym naturalnym sposobem
ochładzania naszego organizmu jest
parowanie wody z powierzchni skóry.
Dlatego ważne jest, aby podczas
zwiększonego wysiłku fizycznego
ubrania, które mamy na sobie, nie
ograniczały przepływu pary wodnej na
zewnątrz (oddychały). W przeciwnym
wypadku para wodna skrapla się na nich,
czyli robią się mokre.

Mokra odzież jest
gorszym izolatorem,
przez co zwiększa się
przepływ energii
z naszego ciała na
zewnątrz, a to z kolei
może powodować zbyt
szybkie wychładzanie
organizmu. Często
w takich sytuacjach
mówimy, że
kogoś przewiało, tzn.
rozgrzane ciało oziębiło
się zbyt gwałtownie.
Rys.16
Pranie
Dziękujemy za
obejrzenie prezentacji
Odnośniki źródłowe:
-
-
www.sfera.lublin.pl
www. wikipedia.pl
encyklopedia.pwn.pl
Download
Random flashcards
ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

66+6+6+

2 Cards basiek49

Create flashcards