Ciepło

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Ciepło w fizyce – jeden z dwóch, obok pracy, sposobów przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu[1]. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów).

Ciepło oznacza również ilość energii wewnętrznej przekazywanej w procesie cieplnym[2]. Aby uniknąć nieporozumień, dla odróżnienia ciepła jako zjawiska fizycznego od ciepła jako wielkości fizycznej można używać określenia wymiana cieplna[3] lub cieplny przepływ energii na określenie procesu, a ilość ciepła na wielkość fizyczną określającą zmianę energii wewnętrznej wywołaną tym zjawiskiem.

Ciepło (jako wielkość fizyczna) przepływa między ciałami, które nie znajdują się w równowadze termicznej (czyli mają różne temperatury) i wywołuje zwykle zmianę temperatur[3] ciał pozostających w kontakcie termicznym. Temperatura jednego z ciał może pozostać stała, jeżeli ulega ono przejściu fazowemu (np. pobranie ciepła może spowodować topnienie lodu bez zmiany temperatury, a oddanie krzepnięcie). Przepływ ciepła wywołuje w otoczeniu zmianę chaotycznego ruchu cząsteczek. Przepływ energii wywołujący uporządkowany ruch cząsteczek w otoczeniu jest pracą[4].

Jednostką ciepła w układzie SI jest dżul (J)[1]. Tradycyjnie we wzorach fizycznych ciepło oznacza się literą Q.

W innych układach jednostek ciepło wyrażane jest przez kalorie, ergi.

Sens fizyczny ciepła[edytuj | edytuj kod]

W termodynamice klasycznej ciepłem jest zmiana energii wewnętrznej układu niepowodująca wykonania pracy makroskopowej[5][4]. Zgodnie z I zasadą termodynamiki w układzie zamkniętym ciepło dopływające do układu zmienia energię wewnętrzną lub powoduje wykonanie pracy przez układ[6]:

 Q = \Delta U + W_u \,

gdzie: W_u – praca wykonana przez układ nad otoczeniem.

Przepływ energii będący ciepłem zmienia entropię układu. Dla procesów zachodzących w stałej temperaturze zmianę entropii określa poniższy wzór, przy czym równość zachodzi dla procesów odwracalnych, a nierówność dla procesów nieodwracalnych:

 \Delta S \geqslant \frac Q T

Niewielką zmianę entropii wywołaną przepływem ciepła opisuje wzór[4]:

 \frac {\delta Q} T = dS \,

Ciepło jest formą zmiany energii układu[4] zależną od drogi procesu. Ilość ciepła nie jest jednoznacznie określona stanem początkowym i końcowym układu, a zależy od sposobu (drogi) przeprowadzenia procesu, dlatego ciepło jest funkcją procesu[4].

W termodynamice statystycznej zmiana energii układu jest wynikiem oddziaływań cząsteczek biorących udział w danym procesie[4]. Jeżeli ruchy cząsteczek są uporządkowane to z makroskopowego punktu widzenia zmianę energii uznaje się pracę, a gdy nieuporządkowane, to za ciepło (cieplny przepływ energii)[4].

Z mikroskopowego punktu widzenia energia wewnętrzna jest sumą energii kinetycznej chaotycznego ruchu jego cząstek oraz energii wzajemnego oddziaływania na siebie tych cząstek. Przepływ energii w wyniku nieuporządkowanego ruchu cząsteczek jest ciepłem (cieplnym przepływem energii). Gdy zmiana energii wynika z uporządkowanego ruchu cząsteczek, to z makroskopowego punktu widzenia zmiana energii jest pracą[7].

Sposoby cieplnego przepływu energii[edytuj | edytuj kod]

Transport ciepła (cieplny przepływ energii) może zachodzić poprzez:

  • Przewodzenie ciepła – bezpośredni kontakt układów, wymiana energii odbywa się w wyniku oddziaływania cząsteczek ciał;
  • Konwekcję – przenoszenie energii w cieczach i gazach nie na skutek ruchu pojedynczych cząsteczek, a w wyniku ruchu makroskopowych ilości substancji. Ruchy te występują na skutek różnicy gęstości substancji w różnych temperaturach (np. w polu grawitacyjnym planety ciepłe masy wody lub gazów unoszone są do góry, a chłodne masy opadają, ponieważ mają większą gęstość w pewnym zakresie temperatur), ruch płynu może być też wywołany inną przyczyną;
  • Promieniowanie elektromagnetyczne – ruch drgający (przyspieszenie) ładunku elektrycznego w drgających cząsteczkach wywołuje promieniowanie elektromagnetyczne, zwane promieniowaniem termicznym (potocznie cieplnym), które może być pochłonięte przez inne ciało. Potocznie sądzi się, że za zjawisko transportu ciepła odpowiada promieniowanie podczerwone, podczas gdy dotyczy ono wszystkich długości promieniowania elektromagnetycznego. Błąd ten wynika zapewne stąd, że ciała w temperaturze pokojowej maksimum energii wypromieniowują właśnie w podczerwieni.

Terminologia fizyczna a język potoczny[edytuj | edytuj kod]

W języku codziennym przez ciepło rozumie się temperaturę otoczenia na poziomie optimum termicznego (komfort cieplny). Takie znaczenie słowa "ciepło" może być źródłem nieporozumień. Wynika to z faktu, że w języku potocznym termin ten określa stan ciała, a w terminologii fizycznej – wielkość związaną ze zmianą energii wewnętrznej[8]. Stwierdzenie, że coś jest "cieplejsze" oznacza w języku fizyki, że ma wyższą temperaturę. Nieporozumienia mają też sens historyczny. Sam termin "ciepło" związany jest z hipotetycznym fluidem "cieplikiem", który – podobnie jak eternie istnieje.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

  1. 1,0 1,1 Podstawy Fizyki. Tom 2. David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. ISBN 83-01-14107-7. Strona 197-198
  2. B. Jaworski, A. Dietłaf, L. Miłkowska, G. Siergiejew: Kurs fizyki. T. I: Mechanika. Podstawy fizyki cząsteczkowej i termodynamiki. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1971, s. 215.
  3. 3,0 3,1 ciepło - Encyklopedia PWN.
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 P W Atkins, Chemia fizyczna, Wydawnictwo Naukowe PWN 2001, ISBN 83-01-13502-6
  5. "Encyklopedia fizyki" praca zbiorowa PWN 1973 t. 2 s.842
  6. http://iftia9.univ.gda.pl/~stud-dok/Seminaria/entropia_M_Zachcial.pdf
  7. http://zsj.fuw.edu.pl/pfutzner/FizykaV/2007/FV_W06.pdf
  8. "Zdarza się, że pewne określenia mają w języku naukowym nieco odmienny sens niż w mowie potocznej. Tak jest właśnie z pojęciem ciepła. Potocznie to pewien rodzaj energii, zwany też (również niezbyt poprawnie) energią cieplną. Fizycy zamiast o energii cieplnej mówią o energii wewnętrznej, a ciepło traktują - podobnie jak pracę - jako sposób jej dostarczania lub odbierania (od układu). Dla ilościowego scharakteryzowania takich procesów używają pojęcia: ilość ciepła (w niefortunnym skrócie - ciepło) i ilość pracy (w skrócie - praca). (...) Ściśle rzecz biorąc, należałoby, dla uniknięcia nieporozumień, zamiast pojęcia ciepła (jako formy przekazywania energii) wprowadzić nazwę jawnie sugerującą, że chodzi tu o proces, np. grzew (jak to proponuje prof. J. Werle z Uniwersytetu Warszawskiego w swej książce "Termodynamika fenomenologiczna"). W pewnych okolicznościach tradycja językowa jest wyjątkowo mało podatna na zmiany, wątpliwe więc, czy taka bardziej jednoznaczna terminologia przyjmie się; tym bardziej więc warto pamiętać, ze samo słowo "ciepło' może mieć różne, nie zawsze precyzyjnie określone, znaczenie" (Zbigniew Płochocki "Atomistyka współczesna" tom 1 Warszawa 1986 ISBN 83-02-02340-X str. 27n)

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]