Termika termika - teplota, teplo a práce termodynamické zákony tepelná vodivost - tepelná kapacita skupenské teplo teplo, teplota, práce, tepelná vodivost Teplo část vnitřní energie tělesa = součet kinetické energie molekul daného tělesa (do vnitřní energie patří ještě energie jaderná a chemická) teplo tělesa měřit nelze, měříme jen jeho předávání, na které usuzujeme z tepelných účinků není to stavová veličina značíme Q, jednotka J = joule (stejná jednotka jako u práce) Teplota veličina popisující tepelný stav tělesa je to to, co měřím (teploměr musí být zanedbatelný vzhledem ke hmotě měřeného dotykem s měřeným objektem se vyrovnají energetické stavy a podle změny na teploměru (rtuť se roztáhne) usuzuji na teplotu tělesa) značíme t, jednotky C, F (Celsius, Fahrenheit, nestejně veliké stupně) absolutní termodynamická teplota T, jednotky K (Kelvin), velikost 1K odpovídá velikosti C 0 C = 273,15 K 0K nelze dosáhnout = třetí termodynamický zákon Vzájemné působení těles: konání práce tepelná výměna látková výměna Tepelná výměna vedením nejnázornější stykem těles, používám dřevěnou vařečku, nesmím sahat v mrazu na kliku natož ji olizovat souvisí s tepelnou vodivostí prouděním když si míchám čaj nebo do něj naliju studenou vodu zářením elektromagnetické záření bez toho by mi byla u ohně zima, kamna by nefungovala, atd. Tepelná vodivost Jak dobře a rychle daná látka vede teplo značí se, jednotka W/m.K kolik tepla projde za dané tepelné vodivosti λ a daném teplotním rozdílu T plochou S za čas τ do hloubky d. čím větší číslo, tím lépe látka teplo vede Tepelná izolace zamezuje vedení tepla! Zamezení přenosu tepla zářením se dělá instalací lesklých ploch (tepelné záření se chová podobně jako světlo). Proto nejlépe izolují materiály, které obsahují nejvíc vzduchových mezer (duté vlákno, vlna, polystyren, peří, ) Vzduch má velmi malou tepelnou vodivost. 1
Pozn. elektrické vodiče lépe vedou teplo Pozor! Péřová bunda nehřeje, pouze izoluje! V případě termosky, kdy mezi dvojitou stěnou je vakuum (téměř nic), je tepelná výměna vedením téměř eliminována, ale stále se uplatňuje záření, proto jsou povrchy lesklé. Pozn. vakuová izolační skla do oken neexistují, je to jen obch. trik, zkuste si spočítat ten tlak na tabuli 1 čtvreční metr. Termodynamické zákony První termodynamický zákon Přírůstek vnitřní energie soustavy se rovná součtu mechanické práce W vykonané na tělesu vnějšími silami a tepla Q vnějšími tělesy předaného soustavě. U = W + Q Tedy: konáním práce můžu zvyšovat teplotu tělesa! (Tření dřev oheň, mícháním ohřát tekutinu, v zimě si třu ruce, sjedu-li rychle po tyči či provaze tak se spálím, zahřívající se hřebík nebo šroub, deformační teplo, ) 2
Druhý termodynamický zákon Při tepelné výměně nemůže samovolně přijímat těleso s vyšší teplotou teplo od tělesa s nižší teplotou Třetí termodynamický zákon Nulové termodynamické teploty nelze žádným způsobem dosáhnout 10 min. tepelná kapacita a skupenské teplo Tepelná kapacita Při tepelných dějích je potřeba znát i tepelnou kapacitu. To je údaj, který mi u daného tělesa říká, kolik potřebuji tepla na ohřátí daného tělesa o 1K. Aby to bylo použitelné pro libovolné těleso z určité látky, zavádí se měrná tepelná kapacita c = Q T m čili kolik potřebuji tepla na ohřátí 1 kg dané látky o jeden kelvin, jednotka J/kg.K tzn. ohřev vody je bezkonkurenčně energeticky nejnáročnější Při tepelné výměně uvnitř nějaké soustavy (studená lžička vložená do horkého čaje) platí pro nabytí rovnovážného stavu tzv. kalorimetrická rovnice c 1m1 T1 = c2m2 T2 3
teplo se předává zkrátka tak dlouho, než se vyrovnají teploty. Skupenské teplo Na změnu skupenství potřebuji nějakou energii. Buď ji přijmout nebo odevzdat. Z vody se nestane led ochlazením na 0 stupňů! Stejně jako voda se rázem nevypaří ohřátím na 100 stupňů! Graf.: Opět se zavádí měrné skupenské teplo, aby bylo možno popsat fázový přechod libovolného tělesa z dané látky. Značí se l s indexem podle toho zda jde o skupenské teplo tání či varu. Př. měrného skupenského tepla tání Co je náročnější? Uvařit kilogram vody nebo rozpustit kilogram ledu? 4
Skupenství obecně závisí i na tlaku, zejména pak u plynů a kapalin. Proč brusle bruslí, proč mi v letadle neuvaří turka? Prakticky: Proč se v létě potíme? Proč chladí mokrý obklad i po tom, co ho svým tělem zahřejeme? Je efektivnější do limonády přilít studenou vodu nebo dát kostku ledu? Skupenství Pevné molekuly pevně vázané v krystalových mřížkách či amorfních tělesech. Amorfní těleso je vlastně kapalné s velmi vysokou viskozitou. Kapalné molekuly se volně pohybují, jsou relativně blízko u sebe, ale síly mezi nimi udržují těleso pohromadě (tvoří hladinu) Plynné velmi řídké, molekuly daleko od sebe, interagují jen srážkami, srážky také vyvolávají tlak Plasma ionizovaný plyn - stav disociace molekul a atomů směs disociovaných atomů, ionizovaných atomů a elektronů Teplotní roztažnost látek S měnící se teplotou mění všechna tělesa svůj objem. Známe to dobře u plynů. Pevná tělesa vykazují i délkovou roztažnost. Viz. koleje, mosty a technická řešení s tím související. Součinitel délkové teplotní roztažnosti α, jednotka 1/K l = αl 0 t 5
Příklady termika: Připomenutí: výkon je vlastně rychlost konání práce, čili P=A/t. Cvičení termika 1. Do 2 dcl nealkoholického nápoje o teplotě 20 C je vhozena ledová kostka o hraně 2,154 cm. Jakou bude mít nápoj teplotu, až se kostka zcela rozpustí? Smísení nápoje se vzniklou vodou z ledu neuvažujte. 2. Za jak dlouho uvedete 1 l vody k varu na vařiči o výkonu 2000W? Ztráty vedení tepla a ohřívání nádoby neuvažujte. 3. Proč se člověk potí, když mu je horko? 4. Proč některé cihly, ze kterých se staví domy, obsahují množství dutin? 5. Kolik energie spotřebuje chladnička na vychlazení deseti dvoulitrových limonád v petlahvích? V okamžiku vložení do lednice mají limonády teplotu 25 C a vychlazeny mají být na 5 C. Budete potřebovat: měrná tepelná kapacita vody c=4000 J/kgK, měrné skupenské teplo tání ledu l=300 000 J/kg (obě hodnoty velmi hrubě zaokrouhleny) 1. Proč vydrží v termosce nápoje dlouho horké? 2. Proč je člověku v mokrých šatech zima? 3. Olověná kulička o hmotnosti m=100g padá z výšky 100m na betonovou silnici. Jak se změní její teplota? 4. Jak dlouho bude trvat vařiči s výkonem 1000W, než rozpustí 100g ledu o teplotě -10 C? 5. O kolik se ohřeje 1l vody, když do něj nalijeme 100g olova v kapalném stavu za dobu, než olovo ztuhne? Budete potřebovat (přibližné hodnoty): měrná tepelná kapacita vody: 4000 J/kgK měrná tepelná kapacita ledu: 2000 J/kgK měrná tepelná kapacita olova: 130 J/kgK měrné skupenské teplo tání ledu: 300 kj/kg měrné skupenské teplo tání olova: 23 kj/kg 1. Proč se zdají kovové předměty na dotek chladné? 2. Proč se člověk potí, když mu je horko? 6
3. Ledová kostka o hmotnosti m=10kg se po pádu na betonovou silnici ohřála o 1 stupeň celsia. Z jaké výšky padala? 4. Jak dlouho bude trvat vařiči s výkonem 2000W, než rozpustí 1kg ledu o teplotě -10 C? 5. O kolik se ochladí 1dl vody, když do něj vhodíme 100g ledu a počkáme až se zcela rozpustí? Budete potřebovat (přibližné hodnoty): měrná tepelná kapacita vody: 4000 J/kgK měrná tepelná kapacita ledu: 2000 J/kgK měrná tepelná kapacita olova: 130 J/kgK měrné skupenské teplo tání ledu: 300 kj/kg měrné skupenské teplo tání olova: 23 kj/kg 1. Proč se za velkého mrazu nesmí na masivní mosazné kliky u domovních dveří sahat holou rukou? 2. Proč mokrý obklad příjemně chladí? 3. Olověná kulička o hmotnosti m=20g padá z výšky 20m na betonovou silnici. Jak se změní její teplota? 4. Jak dlouho bude trvat vařiči s výkonem 1000W, než rozpustí 0,5 kg ledu o teplotě -10 C? 5. O kolik se ochladí 2dl vody, když do ní vhodíme 100g ledu a počkáme až se zcela rozpustí? Budete potřebovat (přibližné hodnoty): měrná tepelná kapacita vody: 4000 J/kgK měrná tepelná kapacita ledu: 2000 J/kgK měrná tepelná kapacita olova: 130 J/kgK měrné skupenské teplo tání ledu: 300 kj/kg měrné skupenské teplo tání olova: 23 kj/kg 7