Spôsoby šírenia tepla

Spôsoby šírenia tepla

Ako ľudia v minulosti chápali teplo

• V minulosti si ľudia mysleli, že teplo je jemná, neviditeľná látka, ktorá sa prelieva medzi telesami.
• Túto látku nazývali kalorikum. Verili, že:
  • kalorikum nemá hmotnosť,
  • drží sa medzi časticami látky,
  • preniká všetkými látkami.
• Dnes vieme, že teplo nie je látka, ale forma energie, ktorá súvisí s pohybom častíc.

Teplota a teplo – aký je rozdiel?

Teplota

• Teplota vyjadruje, ako veľmi je teleso zohriate.
• Je to okamžitý fyzikálny stav telesa – charakterizuje priemernú kinetickú energiu častíc.
• Meriame ju v stupňoch Celsia (°C), prípadne v Kelvinoch (K).
• Teplotu meriame teplomerom.

Teplo

• Teplo vyjadruje energiu, ktorá sa prenáša medzi telesami pri rôznych teplotách.
• Teplo prechádza vždy z teplejšieho telesa na chladnejšie, až kým sa teploty nevyrovnajú.
• Značka tepla je Q, jednotka joule (J).
• Čím viac tepla teleso prijme, tým viac sa môže zvýšiť jeho teplota alebo sa môže zmeniť jeho skupenstvo(topenie, var).

Pohyb častíc a skupenstvá látok

Teplo úzko súvisí s pohybom častíc v látkach.

Pevné látky

• Častice sú nahusto usporiadané.
• Kmitajú okolo svojich rovnovážnych polôh, ale nemenia svoju polohu v priestore.
• Látka má stály tvar a objem.

Kvapaliny

• Častice sú síce blízko seba, ale pohybujú sa voľnejšie.
• Často sa zrážajú a tým zvyšujú tlak na svoje okolie.
• Kvapalina má stály objem, ale meniteľný tvar (prispôsobí sa nádobe).

Plyny

• Častice sú veľmi ďaleko od seba.
• Pohybujú sa veľmi rýchlo a neusporiadane, často sa zrážajú.
• Plyn nemá ani stály tvar, ani stály objem – vyplní celý priestor, ktorý má k dispozícii.

Čím je teplota vyššia, tým rýchlejšie sa častice pohybujú, teda teleso má väčšiu vnútornú energiu.

Základné spôsoby šírenia tepla

Teplo sa môže šíriť tromi základnými spôsobmi:

• Vedením tepla (kondukcia) – typické pre pevné látky.
• Prúdením tepla (konvekcia) – vyskytuje sa v kvapalinách a plynoch.
• Sálaním tepla (žiarenie) – šírenie formou elektromagnetického žiarenia, nepotrebuje prostredie (môže sa šíriť aj vo vákuu).

Vedenie tepla v pevných látkach

Podstata vedenia tepla

• Vedenie tepla prebieha tak, že sa kmitanie častíc prenáša z jednej častice na druhú.
• Látka ako celok sa nehýbe, mení sa len energia a pohyb častíc v jej vnútri.
• Vedenie tepla je typické pre pevné látky, najmä pre kovy.

Kde sa deje vedenie tepla

• Kovy
  • Majú voľné elektróny, ktoré sa ľahko pohybujú a prenášajú energiu.
  • Preto sú kovy dobré vodiče tepla (meď, hliník, železo).
• Nekovy (drevo, plast, sklo)
  • Nemajú voľné elektróny, energia sa šíri iba kmitaním častíc.
  • Sú väčšinou zlé vodiče tepla – nazývame ich tepelnými izolantmi.

Príklady vedenia tepla z bežného života

• Kovová lyžica v horúcej polievke sa po chvíli zohreje aj na konci, ktorý nie je v polievke.
• Kovová rukoväť hrnca sa postupne zohreje od dna, ktoré je v kontakte s horákom.
• Radiátor zohrieva stenu, ktorej sa dotýka – teplo prechádza vedením cez murivo.

Využitie vedenia tepla v praxi

• Kovy (dobré vodiče tepla):
  • výroba hrncov, panvíc, chladičov, výmenníkov tepla,
  • rýchly prenos tepla tam, kde ho potrebujeme.
• Izolanty (zlé vodiče tepla: drevo, plast, guma, sklo, minerálna vlna, polystyrén):
  • rúčky hrncov a panvíc,
  • tepelné izolácie domov (steny, strechy),
  • rukavice, teplé oblečenie – znižujú únik tepla z tela.

Prúdenie tepla v kvapalinách a plynoch

Podstata prúdenia tepla

• Pri prúdení tepla sa pohybuje celá látka (kvapalina alebo plyn).
• Teplejšia časť látky je zvyčajne ľahšia (má menšiu hustotu), preto stúpa nahor,
  chladnejšia časť je ťažšia (má väčšiu hustotu), preto klesá nadol.
• Tak vznikajú prúdové kruhy – konvekčné prúdy.

Kde sa vyskytuje prúdenie tepla

• V kvapalinách – napr. voda pri varení.
• V plynoch – napr. vzduch, ktorý sa zohrieva pri radiátore.

Príklady prúdenia tepla

• Voda v hrnci pri varení:
  • voda pri dne sa zohrieva, stáva sa ľahšou, stúpa hore,
  • chladnejšia voda z povrchu klesá nadol – tak sa voda premiešava.
• Teplý vzduch pri radiátore:
  • vzduch pri radiátore sa zohrieva, stúpa hore a do miestnosti,
  • na jeho miesto prichádza chladnejší vzduch od podlahy.
• Vietor, morský vánok:
  • nad zohriatou pevninou stúpa teplý vzduch, nad chladnejším morom klesá – vzniká pohyb vzduchu.

Využitie prúdenia tepla v praxi

• Ústredné kúrenie – teplá voda alebo para prúdi potrubím, odovzdáva teplo radiátorom a tým vzduchu v miestnosti.
• Chladničky a klimatizácie – využívajú cirkuláciu vzduchu a chladiva na prenos tepla.
• Komíny – teplý dym a vzduch stúpajú hore komínom, čím zabezpečujú ťah.

Sálanie tepla (žiarenie)

Podstata sálania tepla

• Teplo sa šíri vo forme elektromagnetického žiarenia (najmä infračervené žiarenie).
• Nepotrebuje žiadne prostredie – môže sa šíriť aj vo vákuu.
• Každé teleso s teplotou vyššou ako absolútna nula vyžaruje tepelné žiarenie.

Príklady sálania tepla

• Slnko zohrieva Zem – medzi Zemou a Slnkom je takmer vákuum, takže teplo sa nemôže šíriť vedením ani prúdením.
• Teplo z ohňa cítime aj na diaľku – aj keď sa ohňa nedotýkame.
• Infračervený ohrievač – zohrieva predmety a osoby v miestnosti žiarením.

Využitie sálania tepla v praxi

• Solárne panely a solárne kolektory – zachytávajú žiarenie zo Slnka a menia ho na teplo (ohrev vody) alebo elektrickú energiu.
• Infračervené lampy – využívajú sa na liečebné účely (rehabilitácia, prekrvenie tkanív).
• Termokamery – zaznamenávajú infračervené žiarenie a zobrazujú teplotné rozdiely na povrchu predmetov.

Stručné zhrnutie a porovnanie spôsobov šírenia tepla

Podstatné rozdiely

• Vedenie tepla
  • typické pre pevné látky,
  • látka sa ako celok nepohybuje, prenáša sa len kmitanie a energia medzi časticami.
• Prúdenie tepla
  • prebieha v kvapalinách a plynoch,
  • pohybuje sa celá látka – vznikajú prúdy.
• Sálanie tepla
  • šíri sa vo forme žiarenia,
  • nepotrebuje prostredie – môže sa šíriť aj vo vákuu.

Prehľadová tabuľka