Ciepło
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) określa ilość energii wewnętrznej wymienianej między ciałami, które nie znajdują się w równowadze termicznej (czyli mają różne temperatury). Taka wymiana energii wewnętrznej może wywoływać zmianę temperatur[3] ciał pozostających w kontakcie termicznym (ogrzewanie, schładzanie). Temperatura ciała może pozostać stała, jeżeli ulega ono przejściu fazowemu. Przykładem jest pobranie ciepła przez lód powodujące jego topnienie lub oddawanie ciepła przez wodę powodujące jej krzepnięcie. Oba procesy zachodzą bez zmiany temperatury. 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
edytujW termodynamice klasycznej ciepłem jest zmiana energii wewnętrznej układu niepowodująca wykonania pracy makroskopowej[4][5]. Zgodnie z I zasadą termodynamiki w układzie zamkniętym ciepło dopływające do układu zmienia energię wewnętrzną lub powoduje wykonanie pracy przez układ[6]:
gdzie:
- – 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:
Niewielką zmianę entropii wywołaną przepływem ciepła opisuje wzór[4]:
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 za 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
edytujTransport 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 cieplne – ruch drgający (przyspieszenie) ładunku elektrycznego w drgających cząsteczkach wywołuje promieniowanie elektromagnetyczne, zwane w tej sytuacji 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, a jego zakres zależy od temperatury promieniującego ciała. Błąd ten wynika stąd, że ciała w temperaturze pokojowej maksimum energii wypromieniowują właśnie w podczerwieni.
Terminologia fizyczna a język potoczny
edytujW 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 eter – nie istnieje.
Zobacz też
edytuj
Przypisy
edytuj- ↑ a b Halliday, Resnick i Walker, s. 197–198.
- ↑ Jaworski, Dietłaf, Miłkowska i Siergiejew 1971, s. 215.
- ↑ a b ciepło, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2008-03-02].
- ↑ a b c d e f g Atkins 2001.
- ↑ Encyklopedia fizyki, praca zbiorowa, PWN, 1973, t. 2, s. 842.
- ↑ http://iftia9.univ.gda.pl/~stud-dok/Seminaria/entropia_M_Zachcial.pdf
- ↑ http://zsj.fuw.edu.pl/pfutzner/FizykaV/2007/FV_W06.pdf.
- ↑ „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, że samo słowo ‘ciepło’ może mieć różne, nie zawsze precyzyjnie określone, znaczenie” (Zbigniew Płochocki, Atomistyka współczesna, tom 1, Warszawa 1986, ISBN 83-02-02340-X, s. 27n).
Bibliografia
edytuj- Peter William Atkins, Chemia fizyczna, Dorota Jamróz (tłum.), Jan Najbar (red.), Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2001, ISBN 83-01-13502-6, OCLC 749341318.
- David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Podstawy fizyki, Mirosław Łukaszewski (tłum.), Włodzimierz Komar (tłum.), Rafał Bożek (tłum.), t. II, Warszawa: PWN, 2003, ISBN 83-01-14107-7, ISBN 83-01-13997-8, OCLC 749603596.
- B. Jaworski, A. Dietłaf, L. Miłkowska, G. Siergiejew: Kurs fizyki. T. I: Mechanika. Podstawy fizyki cząsteczkowej i termodynamiki. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1971.