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
