Termika - Teplota, Teplotná rozťažnosť tuhých látok a kvapalín, Teplo, Tepelná kapacita, Skupenské teplo

V termike, termodynamike, molekulovej fyzike a taktiež iných odvetviach fyziky môžeme fyzikálne veličiny rozdeľovať na stavové a dejové. Ako z názvu samotného vyplýva, stavové fyzikálne veličiny popisujú určitý stav látky (tlak, objem, teplota). Dejové fyzikálne veličiny popisujú deje, ktoré v látke prebiehajú (teplo, práca).

Teplota T

Teplota je fyzikálna veličina, ktorá popisuje stav objektu. Rozlišujeme taktiež teplotu a termodynamickú teplotu.

skalárna fyzikálna veličina
Označenie: $T$
Jednotka: Teplota má rôzne jednotky: °C (stupeň Celzia), °F (stupeň Fahrenheita)

Teplota je významná veličina, pretože ak meníme teplotu rôznych predmetov, zmení sa jeho stav a taktiež aj vlastnosti. (Zohriatie zmrzliny, topenie ľadu...)

Ak je každé z telies A aj B v tepelnej rovnováhe s tretím telesom C, v tepelnej rovnováhe sú aj telesá A a B navzájom, resp.: majú rovnakú teplotu. Tento zákon sa taktiež nazýva nultý termodynamický zákon. Aj keď vám môže tento zákon znieť hrozivo, v skutočnosti je veľmi jednoduchý a určite ste sa s ním stretli mnohokrát v jednoduchšej forme. Takto totiž funguje teplomer. Pri meraní teploty uvedieme teplomer do vzájomného dotyku s telesom, ktorého teplotu chceme odmeriať, počkáme na utvorenie tepelnej rovnováhy, potom bude teplomer a merané teleso mať rovnakú teplotu a teplotu meraného telesa len odčítame z teplomeru. Nevieme však hmatom povedať presnú hodnotu teploty a čo i len malé odchýlky teploty môžu v mnohých prípadoch znamenať veľké rozdiely (denaturácia bielkovín, topenie ľadu, mrznutie...), musíme sa preto spoľahnúť na nejaký spôsob ako by sme mohli odčítať presnú teplotu pomocou nejakého javu spojeného so zmenou teploty. Takto používame:

kvapalinový teplomer - hlavne ortuťové teplomery, využíva sa zväčšovanie objemu s rastúcou teplotou, nevýhodou je, že meranie je možné len v určitých intervaloch, keďže kvapalina sa začne pri určitých teplotách silno vyparovať, konkrétnou nevýhodou ortuťového teplomera je jeho toxickosť, preto je už aj zakázaný
plynový teplomer - využíva závislosť tlaku od teploty, tento teplomer sa môže používať už pre väčšie intervaly
odporový teplomer - využíva zväčšovanie odporu s rastúcou teplotou (vysvetlíme si prečo je tomu tak pri elektrine)

Teraz už len potrebujeme nejakú teplotnú stupnicu a jednotku, pomocou ktorej by sme mohli určiť presnú teplotu:

Celziova teplota t

Jednotkou je °C (stupeň Celzia), Celziova stupnica je určená pomocou dvoch základných teplôt:

rovnovážny stav vody a ľadu pri normálnom atmosferickom tlaku: 0 °C
rovnovážny stav vody a jej nasýtenej pary pri normálnom atmosferickom tlaku: 100 °C

Termodynamická teplota T

Jednotkou je K (Kelvin), Termodynamická teplotná stupnica je určená len pomocou jedinej základnej teploty:

rovnovážnym stavom ľadu, vody a jej nasýtenej pary, tzv. trojný bod vody. Tomuto trojnému bodu vody bola priradená teplota $T = 273,16 K ⇨ t = 0,01 °C$ .

Vzťah medzi termodynamickou teplotou T a Celziovou teplotou °C:

T = ({t} + 273,15) K!!

Teplotná rozťažnosť

Z praxe dosť dobre poznáme, že pri zmene teploty dochádza k zmenám rozmerov telies, príp. zmene objemu, takýto jav sa nazýva Teplotná rozťažnosť. Teplotná rozťažnosť môže byť:

dĺžková - ak skúmame zmenu jedného rozmeru od teploty
objemová - ak skúmame zmenu objemu od teploty
teplotná zmena hustoty

Dĺžková teplotná rozťažnosť

Skúmame ju predovšetkým u telies, u ktorých prevažuje dĺžkový rozmer; pozdĺžnych predmetov (tyče, trubice, dráty).

Pri vzraste počiatočnej teploty $T_{0}$ o teplotu $Δ T$ na hodnotu $T$ : $T = T_{0} + Δ T$ , pôvodná dĺžka tyče $d_{0}$ vzrastie o $Δ d$ na hodnotu $d$ : $d = d_{0} + Δ d$ . Predĺženie $Δ d$ tyče teda závisí na pôvodnej dĺžke $d_{0}$ a je priamo úmerná prírastku teploty $Δ T$ :

Δ d = d_{0} \cdot α \cdot Δ T

kde $α$ je konštanta závislá od materiálu a nazýva sa súčiniteľ teplotnej dĺžkovej rozťažnosti. $[α] = K^{- 1}$ .

Ak si teda dosadíme naše predĺženie $Δ d$

Δ d = d_{0} \cdot α \cdot Δ T

do dĺžke tyče $d = d_{0} + Δ d$ ⇨

d = d_{0} \cdot (1 + α Δ T)

Objemová teplotná rozťažnosť

So zmenou rozmerov telesa sa taktiež mení objem ⇨ objemová teplotná rozťažnosť. Vzťah pre výpočet objemovej teplotnej rozťažnosti je analogický dĺžkovej teplotnej rozťažnosti, keďže zmena objemu predstavuje len zmenu dĺžky do všetkých troch smeroch:

V = V_{0} \cdot (1 + β Δ T)

kde $β$ predstavuje súčiniteľ teplotnej objemovej rozťažnosti. Pre izotrópne látky teda platí: $B = 3 \cdot α$ . Izotrópne látky sú také látky, ktoré majú v každom smere rovnaké vlastnosti.

Teplotná zmena hustoty

Dôsledkom zmeny rozmerov a objemov objektu sa taktiež musí meniť jeho hustota: závislosť hustoty od teploty:

ρ = ρ_{0} \cdot (1 - β Δ T)

Vysvetlili sme si, že pri zmene teploty dochádza ku zmene objemu telesa, jeho hmotnosť však zostáva rovnaká, preto dochádza ku zmene hustoty a to tak, že s rastúcou teplotou klesá. POZOR! Je tu jedna výnimka nezbytná pre život! ⇨ Anomália vody

Anomália vody

Ako sme si už spomínali pre bežné kvapaliny platí, že s rastúcou teplotou ich hustota klesá. Toto však neplatí pre vodu v intervale od 0 °C po 4 °C, kedy jej hustota s rastúcou teplotou rastie. Umožňuje to zamŕzanie riek, jazier a morí zhora nadol a nie naopak a umožňuje to tak prežívaniu v moriach, riekach a jazerách aj cez zimu. Príčinou tohto javu sú vodíkove väzby medzi molekulami vody a nazýva sa anomália vody.

Teplo Q

Vysvetlovali sme si princíp teplomeru, ktorý naberie rovnakú teplotu ako je teplota meraného telesa. Ako ju však naberie a odkiaľ sa zoberie? Odpoveďou na túto otázku je Teplo Q. Teplo je dejová fyzikálna veličina a je určené ako energia prenesená medzi nejakou termodynamickou sústavou a okolím, prípadne medzi dvoma termodynamickými sústavami pri tepelnej výmene.

skalárna fyzikálna veličina
Označenie: $Q$
Výpočet: $Q = m \cdot c \cdot Δ T$
Jednotka: J (Joule) (Môžete si všimnúť, že ako sme teplo definovali ako energiu, tak má aj rovnakú jednotku ako energia)

Vo všeobecnosti môžeme rozlíšiť dva prípady:

$Q > 0$ - ak je teplo kladné, tak teplo bolo do sústavy dodané z okolia, príp. inej termodynamickej sústavy
$Q < 0$ - ak je teplo záporné, tak teplo prešlo zo sústavy do okolia, príp. inej termodynamickej sústavy

(Tu si môžete všimnúť aj prečo je teplo dejová fyzikálna veličina, počítame ho ak je do sústavy dodané alebo ak z sústavy prešlo do okolia)

Tepelná kapacita C

Ako sme si hovorili, zmena teploty je sprevádzaná príjmaním, resp. odovzdávaním tepla (taktiež prácou, ale k tomu sa dostaneme neskôr), avšak rôzne materiály musia prijať (resp. odovzdať) rôzne množstvá tepla aby sa zohriali (resp. ochladili) o tú istú teplotu. (Napr. určite ľahšie zohrejete nejaké množstvo vody ako to isté množstvo polievky). Preto zavádzame veličinu Tepelná kapacita C.

Tepelnú kapacitu chápeme ako mieru tepla, ktoré musí teplo prijať (resp. odovzdať) aby došlo k zmene jeho teploty. A je definované ako množstvo tepla v Jouloch, ktoré treba telesu dodať, aby sa jeho teplota zvýšila o 1 K (resp. 1 °C). Predstavuje teda určitú konštantu úmernosti medzi množstvom tepla a zmenou jeho teploty:

Q = C \cdot Δ T ⇨ C = \frac{Q}{Δ T}

skalárna fyzikálna veličina
Označenie: $C$
Jednotka:
$C = \frac{Q}{Δ T} ⇨ C = \frac{[Q]}{[Δ T]}$ $⇨ C = \frac{J}{K} ⇨ [C] = J \cdot K^{- 1}$

Merná tepelná kapacita c

Merná tepelná kapacita c je analógiou k tepelnej kapacite, vzťahuje sa však na jednotku hmotnosti: množstvo tepla, ktoré je potrebné na ohriatie 1 kg látky o 1 °C.

skalárna fyzikálna veličina
Označenie: $c$
Jednotka:
$Q = m \cdot c \cdot Δ T ⇨ c = \frac{Q}{m Δ T}$ $⇨ c = \frac{J}{kg \cdot K} ⇨ [c] = J \cdot {kg}^{- 1} \cdot K^{- 1}$

Molová tepelná kapacita c_mol

Je Tepelná kapacita vztiahnutá na 1 mol látky: $c_{mol} = \frac{Q}{n \cdot Δ T}$

skalárna fyzikálna veličina
Označenie: $c_{mol}$
Jednotka: $J \cdot {mol}^{- 1} \cdot K^{- 1}$

Skupenské teplo L

Z praxe vieme, že ak máme určité teleso zahriaté (resp. ochladené) na určitú teplotu a zohrejeme (resp. ochladíme) ho ešte viac, zmení svoje skupenstvo ⇨ skupenské teplo. Skupenské teplo je množstvo tepla, ktoré musíme dodať alebo odbrať teleso k prechodu z jednej fázy do druhej (pre zmenu skupenstva).

skalárna fyzikálna veličina
Označenie: $L$
Jednotka: J (Joule)

Merné skupenské teplo l

Analogické so skupenským teplom, vzťahuje sa však na jednotku hmotnosti: $l = \frac{L}{m}$

skalárna fyzikálna veličina
Označenie: $l$
Jednotka: $J \cdot {kg}^{- 1}$

Molové skupenské teplo l_m

Skupenské teplo vztiahnuté na jeden mol: $l_{m} = \frac{L}{n}$ , kde $n$ je látkové množstvo.

Podľa toho aká zmena skupenstva nastáva rozlišujeme taktiež:

skupenské teplo topenia (zmena z pevnej látky na kvapalnú)
skupenské teplo tuhnutia (zmena z kvapalnej látky na pevnú)
skupenské teplo vyparovania (zmena z kvapalnej látky na plyn)
skupenské teplo kondenzácie (zmena z plynnej látky na kvapalnú)