Ciepło

From Wikipedia

Ciepło w termodynamice to forma przekazywania energii termicznej. Relacja między energią termiczną a ciepłem jest taka sama jak między pracą i energią w mechanice. Cieplnym odpowiednikiem określenia "wykonanie pracy na układzie" jest określenie "wystąpienie przepływu ciepła".

Ciepło przepływa między ciałami, które znajdują się w stosunku do siebie w nierównowadze termicznej, zwykle wtedy, gdy posiadają one różną temperaturę. W niektórych, szczególnych przypadkach może ono jednak także przepływać między ciałami o tej samej temperaturze.

Czasami, przez ciepło rozumie się odczucie zadowolenia z przystosowania się organizmu do aktualnych warunków termicznych otoczenia. Naukowo to odczucie nazywa się komfortem cieplnym.

Sens fizyczny ciepła

Wszystkie ciała posiadają określoną energię wewnętrzną, która jest sumą energii kinetycznej chaotycznego ruchu jego cząstek i energii potencjalnej wynikającej z wzajemnego oddziaływania na siebie tych cząstek. Energia wewnętrzna ciał jest wprost proporcjonalna do ich temperatury (E_w~T). Ta część energii wewnętrznej, która może być bezpośrednio, spontanicznie wymieniana między ciałami jest nazywana energią termiczną. Jeśli między ciałami o różnej temperaturze następuje odpowiedni kontakt, część energii wewnętrznej ciała o wyższej temperaturze przepływa spontanicznie do ciała o temperaturze niższej, aż do wyrównania temperatur obu ciał. Ilość energii która przepłynęła w ramach tego procesu równoważna jest ilości ciepła jaką oba ciała między sobą wymieniły. Energia swobodna przemian, które odbywają się tylko poprzez zmiany energii kinetycznej ruchu cząstek, jest dokładnie równa co do wartości ciepłu tych przemian i dlatego często całkowicie utożsamia się te pojęcia. Trzeba jednak pamiętać, że ciepło może przepływać także w procesach, które nie ograniczają się tylko do zmian energii kinetycznej cząstek.

Bardzo częstym błędem jest utożsamianie ciepła z całą energią termiczną, bądź wewnętrzną ciała. Ciepło, podobnie jak praca jest wielkością związaną z przekazywaniem energii, a nie formą energii jako taką. Pierwsza zasada termodynamiki, określająca podstawową zasadę przepływu ciepła może być poprawnie zrozumiana dopiero wtedy gdy jasno rozgraniczy się pojęcie ciepła i związanej z nim energii termicznej.

Ciepło może przepływać poprzez:

• przewodzenie (bezpośredni kontakt układów),

• konwekcję (unoszenie)

• promieniowanie elektromagnetyczne

Jednostką ciepła w układzie SI jest dżul. W innych układach jednostek wyrażana jest przez kalorie, ergi i inne. Tradycyjnie, we wzorach fizycznych, ciepło oznacza się literą Q.

Ciepło właściwe to energia potrzebna do podniesienia temperatury jednej jednostki masy ciała o jedną jednostkę temperatury.

W układzie SI ciepło właściwe podaje się w dżulach na kilogram razy kelwin (J/(kg*K)).

Ciepło właściwe (c) wprowadza się jako współczynnik proporcjonalności w prawie fizycznym mówiącym, że:

Zmiana energii wewnętrznej (ΔU) ciała jest proporcjonalna do masy ciała (m) i zmiany temperatury (Δt).

Prawo to jest prawem doświadczalnym i spełnione jest z pewnym przybliżeniem oraz pod warunkiem, że ciało nie zmienia stanu skupienia lub fazy.

Ciepło właściwe ciał stałych i cieczy jest niezmienną cechą zależną tylko od struktury chemicznej tych ciał i nie zależy od ich kształtu i rozmiarów. Ciepło właściwe większości substancji zmienia się jednak nieznacznie ze zmianami temperatury nawet w obrębie jednego stanu skupienia.

W przypadku gazów ciepło właściwe zależy od rodzaju przemiany gazu, dlatego dla gazów wprowadzono pojęcie ciepła właściwego przy stałym ciśnieniu (c_p) i przy stałej objętości (c_v), które podobnie jak ciepło właściwe ciał stałych i cieczy jest już wartością stałą dla określonych substancji gazowych. C_p i C_v używa się w obliczeniach zależnie od tego, czy dana przemiana zachodzi przy stałym ciśnieniu czy przy stałej objętości gazu.

W przypadku ciał stałych ciepło właściwe w niskich temperaturach zależy od trzeciej potęgi temperatury a w temperaturach wyższych jest stałe, ta zależność może być wyprowadzona zmodelu Debye'a. Piewszym historycznie modelem był model Einsteina.

Temperatura to funkcja stanu w termodynamice, która podobnie jak ciepło jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ.

Temperatura jest miarą "chęci" do dzielenia się ciepłem. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś mają różną temperaturę, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej - aż do wyrównania się temperatur obu ciał.

---