Elementy tworzące świat i ich wzajemne oddziaływanie: b) zjawiska cieplne

Joanna Sowińska: Elementy tworzące świat i ich wzajemne oddziaływanie: b) zjawiska cieplne Temperatura. Skale termometryczne. Przedmioty znajdujące się w naszym otoczeniu mogą być gorące, ciepłe, chłodne lub zimne. Przez dotknięcie można stwierdzić, które z nich są cieplejsze, określając tym samym, że temperatura jednych przedmiotów jest wyższa, a innych niższa od temperatury naszego ciała. Ten najprostszy sposób określania temperatury za pomocą zmysłu dotyku jest jednak zawodny, substancja może nam bowiem wydać się cieplejsza lub chłodniejsza, zależnie od tego, czy dłoń trzymaliśmy przedtem w chłodzie czy w cieple. Temperatura jest wielkością charakteryzującą równowagę, jaka ustala się między dwoma ciałami, stykającymi się powierzchniami przewodzącymi ciepło (w potocznym rozumieniu tego słowa). Równowaga taka nazywa się równowagą cieplną lub termodynamiczną i ustala się zawsze po odczekaniu dostatecznie długiego czasu. Pomiar temperatury. Doświadczenia wykazują, że ze zmianą temperatury ulega zmianie wiele właściwości ciał. Na przykład ciała stałe, ciecze i gazy wraz ze wzrostem temperatury zwiększają swoją objętość, gazy zamknięte w stałej objętości zwiększają wywierane ciśnienie. Ponadto zmienia się gęstość materiałów, ich ściśliwość, lepkość, opór elektryczny i szereg innych właściwości. Zmiany te wykorzystane zostały w budowie przyrządów służących do dokładnego pomiaru temperatury zwanych termometrami. Termometry mogą być oparte na zasadzie: 1) rozszerzalności (rtęć, alkohol, metale), 2) zmiany oporności (termistory), 3) zamiany ciepła na prąd elektryczny (termopary). W celu utworzenia skali termometrycznej niezbędne jest ustalenie jej stałych punktów, które odpowiadają zjawiskom zachodzącym zawsze w stałej temperaturze. Temperaturę mierzy się powszechnie przy użyciu termometrów wyskalowanych tak, by wartość zero odpowiadała temperaturze topnienia lodu, a wartość 100 - temperaturze wrzenia wody w normalnych warunkach. W związku z tym mówimy o temperaturze w skali Celsjusza, którą najczęściej oznacza się symbolem t. Jej jednostka jest stopień Celsjusza (1 o C). Temperatura Celsjusza nie jest ograniczona z góry, ale istnieje jej wartość najniższa równa -273 o C (ściślej: -273,15 o C) - jest to wartość najniższej temperatury w stopniach Celsjusza osiągnięta w warunkach ziemskich i równa jest 0 stopni kelvina. Temperatura w stopniach Celsjusza może być dodatnia lub ujemna, ale w stopniach kelvina jest zawsze dodatnia. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 1

W fizyce bardziej podstawowa jest skala Kelvina, w której podaje się tzw. temperaturę bezwzględną. Oznacza się ja symbolem T i mierzy w jednostkach zwanych kelwinami. Związek między obu skalami temperatur jest następujący: T = t + 273,15 K. Jednostkowy przyrost temperatury w obydwu skalach jest taki sam: Δt = 1 o C = 1K W niektórych krajach (m.in. w Anglii i USA) stosuje się jeszcze skalę Fahrenheita t F, która wiąże się z temperaturą w skali Celsjusza według wzoru: Temperaturze pokojowej 20 o C odpowiada - w skali Fahrenheita - wartość 68 o F. Temperatura zera bezwzględnego Jest to najniższa temperatura, do której możemy się zbliżać, ale jej osiągnięcie jest niemożliwe (ciśnienie i objętość musiałyby być równe zeru). W temperaturze tej zanika całkowicie ruch cząsteczek. Temperatura ta jest równa -273,15 o C lub 0 K (kelwinów). Ciepło i temperatura. Ciepło i temperatura są pojęciami, odnoszącymi się do grupy zjawisk nie dających się sprowadzić ani do zjawisk mechanicznych, ani elektromagnetycznych. Dotyczą zasadniczo ciał makroskopowych, zawierających bardzo dużo cząstek. Dlatego też nie ma sensu mówić o temperaturze pojedynczej cząstki, ani o posiadanym przez nią cieple. Często używa się tych pojęć zamiennie, ponieważ są one nieodłączne. Nie oznaczają one jednak tego samego. Temperatura jest przeciętną energią kinetyczną cząsteczek, lub wskaźnikiem energetycznego stanu ciała (jedną z jego cech, podobnie jak masa). Ciepło jest energią - sumą energii kinetycznej wszystkich cząsteczek danego ciała. Ciepło i temperatura warunkują szereg procesów: a) fizycznych: rozszerzalność, zmiana stanu skupienia, przewodnictwa elektrycznego, plastyczności itd. b) chemicznych: warunkowanie endotermicznych reakcji chemicznych i ich tempa, które rośnie dwukrotnie, gdy temperatura wzrasta o 10 stopni (prawo Vant Hoffa). Ciepło. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 2

Ciepło jest energią przekazywaną między układem a jego otoczeniem na skutek istniejącej między nimi różnicy temperatur. Ciepło jest wielkością związaną z energią. Zawsze wiąże się je z jakąś przemianą, jakiej ulega dane ciało. W każdej przemianie mamy do czynienia z określoną zmianą energii wewnętrznej ciała. Zmianę tę można dokonać zasadniczo na dwa sposoby: albo wykonując nad ciałem pracę mechaniczną (np. sprężając je) albo przez dostarczenie mu ciepła. Przez ciepło rozumiemy nie mechaniczny przekaz energii. Oznaczamy je przeważnie symbolem Q [w dżulach J]. Zasadę zachowania energii w takich procesach wyrażamy równością (I zasada termodynamiki): U = Q + W, gdzie U oznacza energię wewnętrzną ciała, Q - dostarczone mu ciepło, W - wykonaną nad nim pracę. Wartość ciepła może być dodatnia lub ujemna - w tym ostatnim przypadku ciepło jest oddawane (a nie pobierane) przez ciało. Podobna konwencja znakowa stosuje się do pracy: gdy układ wykonuje pracę mechaniczną, w powyższej równości W ma wartość ujemną. Jednostką ciepła jest dżul (1 J). W życiu codziennym stosuje się też inną jednostkę: kalorię (cal) lub kilokalorię (kcal). Kilokaloria jest ciepłem potrzebnym do ogrzania litra wody o jeden stopień. Jedna kilokaloria równa jest 4190 J. Ilość ciepła pobranego (oddanego) przez układ zależy od rodzaju przemiany. Ten sam stan końcowy układu można uzyskać na drodze różnych przemian; każdej z nich może odpowiadać inna wartość ciepła. W związku z tym mówimy, że ciepło nie może być przypisane stanowi układu, a jedynie procesowi między dwoma stanami układu. Możliwa jest też sytuacja, że dostarczane układowi ciepło jest w całości zamieniane na pracę mechaniczną, wykonywaną przez układ. Wtedy energia wewnętrzna układu, a w konsekwencji i jego temperatura, nie zmienia się. Temperatura nie zmienia się także w procesach topnienia, wrzenia i innych przemianach fazowych, mimo pobierania przez układ ciepła. Ciepło właściwe. Własności cieplne ciał charakteryzuje ich podatność na zmiany temperatury podczas ogrzewania. W związku z tym wprowadzono pojęcie ciepła właściwego c. Jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania jednostki masy ciała o jeden stopień. Jednostką ciepła właściwego jest 1J/(kg K). Ciepło właściwe jest zależne od rodzaju substancji. Znajomość ciepła właściwego pozwala na obliczenie ciepła Q potrzebnego do zmiany temperatury o t: Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 3

Q = mc t. Ciepło przemiany fazowej Procesy takie, jak topnienie, wrzenie i inne przebiegają w stałej temperaturze, zwanej temperaturą przemiany. Jest ona różna dla różnych substancji. Topnienie i wrzenie zachodzą dzięki dopływowi ciepła. Ilość ciepła potrzebna do stopienia (wyparowania) jednostki masy substancji, bez zmiany jej temperatury, nazywa się ciepłem przemiany (zwykle oznaczanym przez q): q = Q/m. Jeśli znane jest ciepło przemiany, to ciepło potrzebne do zmiany fazy masy m wynosi: Q = qm. W procesach odwrotnych (krzepnięcie, skraplanie) ciepło jest wydzielane. Rozszerzalność cieplna Ze wzrostem temperatury ciała zwiększają swoje rozmiary. W przypadku ciał stałych obserwujemy zarówno zwiększanie długości, jak i objętości. W cieczach i gazach występuje rozszerzalność objętościowa. Wyjątek stanowi woda, która w pewnym zakresie temperatur (od 0 o C do 4 o C) zmniejsza swą objętość przy ogrzewaniu. Zmiana długości l ciała pod wpływem zmian temperatury jest proporcjonalna do zmiany temperatury t oraz do długości początkowej l. Współczynnik proporcjonalności nazywa się współczynnikiem rozszerzalności liniowej : l = l t. Zmianie objętości towarzyszy zmiana gęstości. Ze wzrostem temperatury gęstość maleje, gdyż masa ciała nie ulega zmianie. Anomalne zachowanie się wody powoduje, że jej gęstość jest największa w temperaturze bliskiej 4 o C. Woda o takie temperaturze spływa w dół i zbiera się koło dna zbiornika. Dzięki temu woda w jeziorach i morzach zamarza od powierzchni, a niższe jej warstwy pozostają ciekłe, utrzymując dodatnie temperatury. Przenoszenie ciepła Ciepło może być przenoszone zasadniczo na trzy sposoby: przez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 4

Przewodzenie ciepła odbywa się głównie w ciałach stałych; szczególnie szybko zachodzi w metalach, gdyż nośnikami ciepła są w nich elektrony swobodne. Przewodzenie ciepła podlega prawu, które odnosi się do płyt o pewnej powierzchni S i grubości d. Jeśli między jej powierzchniami istnieje różnica temperatur T, to strumień ciepła przez płytę (czyli ilość ciepła przechodząca przez nią w jednostce czasu) jest równy: K nazywa się współczynnikiem przewodnictwa cieplnego materiału. Przewodzeniu nie towarzyszy makroskopowy ruch materii, ciepło jest przekazywanie od punktu do punktu na skutek zderzeń cząsteczek ze sobą. Wyjątkiem są metale gdzie za przenoszenie ciepła odpowiadają nie tyle zderzenia atomów, co ruch wolnych elektronów. Dlatego, też metale tak dobrze przewodzą ciepło i prąd elektryczny. Konwekcja występuje w cieczach i gazach i jest wynikiem zmiany gęstości: płyn (gaz) ogrzany jest lżejszy i unosi się ku górze. Ciepło jest przenoszone przez konwekcję wraz z rozgrzaną materią. Zjawisko konwekcji występuje np. w czajniku w którym podgrzewamy wodę. W całej objętości woda w czajniku unosi się i opada i ciepło jest przenoszone na zasadzie konwekcji. Prądy konwekcyjne wykorzystuje się do rozprowadzenia ciepła za pomocą instalacji ogrzewania wodnego lub powietrznego. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 5

Promieniowanie ma charakter elektromagnetyczny i przechodzi zarówno przez ośrodki materialne, jak i próżnię. Przez promieniowanie ciepło rozchodzi się np: gdy promienie Słońca ogrzewają Ziemię. Ale każde nagrzane ciało również wysyła promieniowanie cieplne. Promieniowanie cieplne to fale elektromagnetyczne, przeważnie z zakresu podczerwieni. Jeżeli promieniowanie cieplne pada na jakieś ciało, to zostaje przynajmniej częściowo pochłonięte przez jego cząsteczki, zmieniając się w ciepło i podwyższając temperaturę ciała. Zasady termodynamiki. I zasada termodynamiki Zasada ta jest zasadą zachowania energii dla procesów, w których zachodzi wymiana energii wewnętrznej. Formułuje się ją następująco: Całkowita zmiana energii wewnętrznej układu ΔU jest równa sumie ciepła Q dostarczonego do układu i pracy W z wykonanej nad układem przez siły zewnętrzne. ΔU = Q + W z W z = W u, gdzie: W u praca wykonana przez układ, np. rozprężający się gaz. II zasada termodynamiki II zasada termodynamiki mówi o kierunkowości procesów zachodzących w przyrodzie. Formułuje się ją na kilka sposobów: Niemożliwy jest proces, którego jedynym skutkiem byłoby pobranie ciepła z ciała chłodniejszego i przekazanie go ciału cieplejszemu (sformułowanie Clausiusa). Niemożliwe jest skonstruowanie silnika cieplnego (perpetuum mobile II rodzaju), pracującego cyklicznie i w całości zamieniającego pobrane ze źródła ciepło na pracę. Układy termodynamiczne Termodynamika bada właściwości ciał makroskopowych, tj. ciał zawierających dużą ilość cząstek, nie uwzględniając budowy mikroskopowej ciał ani charakteru ruchu pojedynczych cząstek ciała. Podstawowym pojęciem w termodynamice jest pojęcie układu termodynamicznego. Układ termodynamiczny tworzą obiekty makroskopowe (ciała i pola), które mogą wymieniać się energią między sobą oraz z ośrodkiem zewnętrznym (otoczeniem). Układ termodynamiczny może znajdować się w różnych stanach posiadających różne ciśnienia, objętość, temperaturę itd. Wielkości fizyczne (ciśnienie, objętość, temperatura itd.) Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 6

nazywamy parametrami termodynamicznymi albo parametrami stanu układu. Mówimy, że układ termodynamiczny znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej, jeżeli parametry stanu układu nie zmieniają się z czasem. Parametry termodynamiczne układu znajdującego się w stanie równowagi nie są niezależne. Jeżeli stan układu opisują ciśnienie, temperatura i objętość, to równanie określające zależność między sobą tych parametrów, na przykład p = f (V,T), nosi nazwę równania stanu. W termodynamice równanie stanu otrzymuje się na drodze doświadczalnej. Natomiast w nauce, która nosi nazwę fizyki statystycznej, równania stanu wyprowadzane są w sposób teoretyczny, na podstawie rozważania równań ruchu cząstek tworzących układ termodynamiczny. Prawa gazów doskonałych Z doświadczeń wynika, że przy dostatecznie małych gęstościach, wszystkie gazy, niezależnie od składu chemicznego wykazują podobne zachowania: w stałej temperaturze iloczyn ciśnienia i objętości danej masy gazu jest stały pv = const - prawo Boyle'a - Mariotte'a; przy stałej objętości gazu stosunek ciśnienia i temperatury danej masy gazu jest stały p /T = const - prawo Charlesa; dla stałego ciśnienia stosunek objętości do temperatury danej masy gazu jest stały V/T = const - prawo Gay - Lussaca. W XIX w. Clapeyron uogólnił te trzy prawa doświadczalne w postaci jednego prawa pv = NkT, gdzie: p, V i T - ciśnienie, objętość i temperatura gazu; N - liczba cząstek gazu w objętości V, k = 1,38 10-23 J / K jest stałą, która nazywa się stałą Boltzmanna. Ze wzoru tego widać, że jeżeli rozważymy różne gazy zawierające jednakowe liczby cząstek (N = const ), to dla takich gazów W fizyce za taką liczbę cząstek przyjmuje się liczbę Avogarda: N A = 6,02252 10 23. Liczba ta jest liczbą doświadczalną i jest to liczba atomów izotopu węgla 12 C w 12 gramach tego izotopu. Ilość substancji zawierającej N A cząstek nazywa się molem substancji. Dla jednego mola gazu równanie pv = NkT przyjmuje postać: gdzie przez R oznaczyliśmy nową stałą, która nazywa się stałą gazową Równanie pv = nrt nazywa się równaniem stanu gazu doskonałego. gdzie: p ciśnienie V objętość Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 7

n liczba moli gazu (będąca miarą liczby cząsteczek (ilości) rozważanego gazu) T temperatura (bezwzględna), R uniwersalna stała gazowa Z punktu widzenia mikroskopowego, gazem doskonałym będziemy nazywali taki rozrzedzony gaz, dla którego oddziaływania między cząstkami możemy zaniedbać. W gazie doskonałym cząstki znajdujące się w naczyniu zderzają się tylko ze ściankami naczynia. Zderzenia między cząstkami (oddziaływania między cząstkami) są takie rzadkie, że możemy ich nie rozważać. Przemiany gazowe - izotermiczna, izobaryczna, izochoryczna, adiabatyczna. Gdy parametry określające stan gazu (p, V i T) ulegają zmianie (niekoniecznie wszystkie, ale przynajmniej dwa), to znaczy, że nastąpiła zmiana stanu gazu czyli przemiana gazowa. 1. Przemiana izotermiczna Przemianę gazową nazywamy izotermiczną jeżeli temperatura pozostaje stała. Prawo przemiany izotermicznej mówi, iż w przemianie tej ciśnienie gazu jest odwrotnie proporcjonalne do objętości. 2. Przemiana izobaryczna Przemianę gazową nazywamy izobaryczną jeżeli ciśnienie pozostaje stałe. W przemianie izobarycznej zmieniają się temperatura i objętość gazu, ale tak, że stosunek objętości do temperatury pozostaje stały. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 8

Prawo przemiany izobarycznej mówi, iż w przemianie tej objętość gazu jest wprost proporcjonalna do jego temperatury. 3. Przemiana izochoryczna Przemianę gazową nazywamy izochoryczną jeżeli objętość pozostaje stała. W przemianie tej objętość pozostaje stała, zmieniają się temperatura i ciśnienie gazu, ale tak, iż stosunek ciśnienia do temperatury pozostaje stały. Prawo przemiany izochorycznej mówi, iż w przemianie tej ciśnienie gazu jest wprost proporcjonalne do jego temperatury. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 9

4. Przemiana adiabatyczna Przemianę gazowa nazywamy adiabatyczną jeżeli zachodzi bez wymiany ciepła z otoczeniem. W związku z tym iż adiabata jest bardziej stroma niż izoterma (adiabatyczne zmiany ciśnienia są większe niż izotermiczne) przy sprężaniu adiabatycznym gaz, nie mogąc wymienić ciepła z otoczeniem, ogrzewa się co powoduje dodatkowy wzrost ciśnienia. Oziębienie się gazu przy adiabatycznym rozprężaniu wywołuje zmniejszanie ciśnienia. W ten sposób adiabatyczna zmiana ciśnienia występuje na skutek: zmiany objętości i zmiany temperatury. Natomiast izotermiczna zmiana ciśnienia jedynie na skutek zmiany objętości. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 10

LITERATURA: 1. D.Halliday, R.Resnik, J.Walker, Podstawy fizyki. T 1, Mechanika, PWN, Warszawa, 2006. 2. J. Blinowski, J. Trylski, Fizyka dla kandydatów na wyższe uczelnie., PWN, Warszawa, 1974. 3. A. Kubica, E. Wnuczak, R. Żuczkowski, Fizyka dla wyższych szkół technicznych. T 1, PWN, Warszawa, 1974. 4. Z. Kamiński, Fizyka dla kandydatów na wyższe uczelnie techniczne., Wyd. Naukowo - Techniczne, Warszawa, 1973. 5. http://www.edukator.pl/portal-edukacyjny/gazy-3/6053.html z dnia 10.01.2012. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 11