Teplo

Z Wikipédie

Teplo je energia, ktorú si telesá vo vzájomnom kontakte vymieňajú ak majú rôznu teplotu. Jednotkou tepla je Joule (značka J).

Obsah

1 Čo je teplo
2 Mechanizmy výmeny tepla

[úprava] Čo je teplo

V minulosti si ľudia mysleli, že medzi telesami prúdi kalorikum, akási neviditeľná substancia, ktorej majú studené telesá málo a horúce veľa. Dnes už vieme, že to tak nie je. V skutočnosti je teplo iba spôsobom prenosu energie medzi telesami.

Bežným spôsobom prenosu energie je konanie práce. Ak je v nádobe uzavretý plyn, a my zatlačíme na piest, ktorý túto nádobu uzatvára a posunieme ho, konáme prácu. Ak je nádoba tepelne izolovaná (to znamená, že si nevymieňa energiu s okolím), plyn v jej vnútri sa v dôsledku posunutia piestu zohreje (o koľko presne sa zohreje nám hovorí prvý termodynamický zákon). V prípade plynu v nádobe však môžeme konať prácu aj neviditeľným spôsobom, dodaním tepla. Dosiahneme to napríklad vtedy ak budeme steny nádoby ohrievať. To spôsobí, že ich teplota sa zvýši a molekuly stenu tvoriace budú mať vyššiu energiu. Molekuly plynu s menšou energiou potom pri zrážkach so stenami časť energie ich molekúl prevezmú. Tento mikroskopický proces nazývame výmena tepla.

Napriek tomu, že dnes už vieme, že žiadne kalorikum neexistuje, ešte stále hovoríme, že teplo prúdi z teplejšieho telesa na studenšie. V skutočnosti prúdi energia, ktorá sa premieňa na neusporiadaný pohyb molekúl látky - teda zvyšuje (resp. znižuje) jej teplotu.

[úprava] Mechanizmy výmeny tepla

Doteraz sme sa zaoberali jedným špeciálnym spôsobom výmeny tepla, obvyklým najmä v termodynamike, pri ktorom sa energia prenáša medzi tuhou látkou a plynom (resp. kvapalinou). Okrem toho poznáme tri ďalšie základné spôsoby výmeny tepla, a to vedenie, konvekciu a žiarenie.

[úprava] Vedenie tepla

Toto je najbežnejší spôsob prenosu tepla v tuhých látkach. Spočíva v tom, že ak majú jednotlivé časti telesa rôznu teplotu, interakciou medzi susediacimi molekulami dochádza k prenosu energie tak, aby sa teplota vyrovnala. Najjednoduchším prípadom vedenia tepla je tyč s konštantným prierezom S a dĺžkou L, ktorej konce majú teploty T₁ a T₂. Medzi týmito dvoma koncami sa potom za čas $Δ t$ prenesie teplo veľkosti

$\Delta Q=\frac{\lambda S(T_2-T_1)}{L}\,\Delta t,$

kde $λ$ je konštanta pred daný materiál charakterizujúca "ako dobre" vedie teplo, nazýva sa merná tepelná vodivosť. Jej hodnoty pre rôzne látky sa veľmi líšia. Veľkú tepelnú vodivosť majú zvyčajne kovy (napríklad meď 390 Wm^-1K^-1, hliník 240 Wm^-1K^-1, platina 70 Wm^-1K^-1, oceľ 40 Wm^-1K^-1), dobrými izolantmi sú napríklad sklo (1,3 Wm^-1K^-1) a drevo (podľa druhu, menej ako 1 Wm^-1K^-1).

[úprava] Konvekcia

Dochádza k nej v plynoch i kvapalinách. Konvekcia je založená na tom, že hustota látky sa významne mení s teplotou a preto keď majú jej rôzne oblasti rôznu teplotu, dochádza k prirodzenému prúdeniu (konvekcii) a následne premiešavaniu a vyrovnávaniu teplôt. Konvekciu môžeme pozorovať napríklad v hrnci s vodou pri zohrievaní na sporáku, kde zohriata a ľahšia voda stúpa a dole ju nahrádza chladnejšia voda z vyšších vrstiev kvapaliny. V beztiažovom stave rozdiel hustôt nespôsobí pohyb častí kvapaliny, takáto prirodzená konvekcia vtedy preto neprebieha. Ak je prúdenie vnútené (napríklad ventilátorom v miestnosti), hovoríme o nútenej konvekcii.

[úprava] Žiarenie

Keď nastavíme dlaň k ohňu, cítime teplo. V tomto prípade ide o prenos žiarením - horúce plamene vyžarujú fotóny podľa Planckovho zákona a časť týchto fotónov je zachytená našimi rukami a spôsobuje pocit tepla. Na rozdiel od predchádzajúcich spôsobov, žiarenie nevyžaduje prítomnosť nejakého média, ktoré by prenos tepla zabezpečila - uskutočňuje sa aj vo vákuu. Žiarením je prenášaná napríklad energia zo Slnka na Zem, časti tepla sa Zem vlastným žiarením zbavuje.

Žiarenie tzv. absolútne čierneho telesa popisuje Stefanov-Boltzmanov zákon, podľa ktorého ak má toto teleso teplotu T, z plochy S je vyžarovaný výkon (množstvo energie za jednotku času)

$P=\sigma ST^4_{}.$