Teplo – vnútorná energia telesa, teplo, tepelná kapacita a zmeny skupenstva

Teplo – vnútorná energia telesa, teplo, tepelná kapacita a zmeny skupenstva

Vnútorná energia telesa

Každá látka je zložená z veľmi malých častíc, teda atómov a molekúl. Tieto častice sa neustále pohybujú. Ich pohyb je neusporiadaný a nazývame ho tepelný pohyb.

S pohybom a vzájomným usporiadaním častíc súvisí vnútorná energia telesa. Označuje sa písmenom U a jej jednotkou je joule (J).

Pre vnútornú energiu platí:

U = Up + Uk

kde:

• Up je polohová energia častíc
• Uk je pohybová energia častíc

To znamená, že vnútorná energia má dve základné zložky:

• pohybovú energiu častíc
• polohovú energiu častíc

Zmena vnútornej energie

Vnútorná energia telesa sa môže meniť dvoma spôsobmi:

• konaním práce
• tepelnou výmenou

Ak napríklad teleso trieš, jeho častice sa pohybujú rýchlejšie a vnútorná energia sa zväčšuje. Rovnako sa zväčšuje aj vtedy, keď teleso prijíma teplo od teplejšieho telesa.

Teplo

Teplo označujeme písmenom Q a jeho jednotkou je rovnako joule (J).

Teplo sa číselne rovná energii, ktorú pri tepelnej výmene odovzdá teplejšie teleso chladnejšiemu. Pri tepelnej výmene teda dochádza k prenosu energie medzi telesami s rozdielnou teplotou.

Teplo závisí aj od hmotnosti telesa. Čím väčšia je hmotnosť telesa, tým viac tepla je spravidla potrebné na zmenu jeho teploty.

Výpočet tepla

Teplo, ktoré prijme alebo odovzdá teleso, vypočítame podľa vzťahu:

Q = c · m · Δt

alebo

Q = c · m · (t − t₀)

kde:

• Q je teplo
• c je hmotnostná merná tepelná kapacita látky
• m je hmotnosť telesa
• Δt je zmena teploty
• t je konečná teplota
• t₀ je začiatočná teplota

Hmotnostná merná tepelná kapacita

Hmotnostná merná tepelná kapacita vyjadruje, aké množstvo tepla musí prijať 1 kg látky, aby sa jeho teplota zvýšila o 1 °C alebo o 1 K.

Vzorec:

c = Q / (m · Δt)

Jednotka:

J/kg · °C alebo kJ/kg · °C

Príklad:

c vody = 4,18 kJ/kg · °C

To znamená, že na ohriatie 1 kg vody o 1 °C treba dodať 4,18 kJ tepla.

Zmeny skupenstva látok

Pri tepelnej výmene sa môže stať, že látka prijme alebo odovzdá teplo, no nezmení sa jej skupenstvo, zmení sa iba jej teplota. V iných prípadoch sa však pri prijímaní alebo odovzdávaní tepla mení aj skupenský stav látky.

Medzi základné zmeny skupenstva patria:

• topenie
• tuhnutie
• vyparovanie
• var
• kondenzácia
• sublimácia
• desublimácia

Topenie a tuhnutie

Topenie je zmena pevného skupenstva na kvapalné.

Niektoré pevné látky delíme na:

• kryštalické
• amorfné

Kryštalické látky

Kryštalické látky sa topia pri presne určenej teplote, ktorú nazývame teplota topenia.

Počas topenia sa teplota látky nezvyšuje dovtedy, kým sa celá neroztopí.

Amorfné látky

Amorfné látky nemajú presne určenú teplotu topenia. Postupne mäknú a prechádzajú do kvapalného stavu.

Príklady:

• vosk
• asfalt

Skupenské teplo topenia

Označuje sa napríklad ako Lt a jeho jednotkou je J.

Skupenské teplo topenia je množstvo tepla, ktoré musí prijať teleso s hmotnosťou m, zohriate na teplotu topenia, aby sa úplne roztopilo.

Vzorec:

Lt = lt · m

kde:

• Lt je skupenské teplo topenia
• lt je hmotnostné merné skupenské teplo topenia
• m je hmotnosť telesa

Hmotnostné merné skupenské teplo topenia vyjadruje, aké množstvo tepla musí prijať 1 kg látky pri teplote topenia, aby sa roztopil.

Vyparovanie a var

Vyparovanie je zmena kvapalného skupenstva na plynné. Prebieha len z voľného povrchu kvapaliny.

Aby sa kvapalina vyparila, musí prijať skupenské teplo vyparovania.

Vyparovanie urýchľuje:

• vyššia teplota
• prúdenie vzduchu
• väčší voľný povrch kvapaliny

Príklady:

• sušenie bielizne
• vysychanie mlák
• odparovanie vody z pokožky

Var

Var je osobitný druh vyparovania. Nastáva pri teplote varu a kvapalina sa pri ňom vyparuje nielen z povrchu, ale aj z celého objemu, teda aj z vnútra.

Teplota varu závisí od tlaku. Preto je pri varení výhodný tlakový hrniec, v ktorom je vyšší tlak a voda môže dosiahnuť vyššiu teplotu.

Skupenské teplo varu

Označuje sa ako Lv.

Vzorec:

Lv = lv · m

kde:

• Lv je skupenské teplo varu
• lv je hmotnostné merné skupenské teplo varu
• m je hmotnosť kvapaliny

Hmotnostné merné skupenské teplo varu vyjadruje množstvo tepla, ktoré musí prijať 1 kg kvapaliny pri teplote varu, aby sa úplne zmenila na paru.

Kondenzácia

Kondenzácia je zmena plynného skupenstva na kvapalné.

Príklady:

• rosenie okien
• tvorba kvapiek vody na studenej fľaši
• vznik rosy

Pri kondenzácii látka teplo odovzdáva do okolia.

Sublimácia a desublimácia

Sublimácia je zmena pevného skupenstva priamo na plynné, bez prechodu cez kvapalné skupenstvo.

Desublimácia je opačný dej, teda zmena plynného skupenstva priamo na pevné.

Ako sublimujúce látky sa často uvádzajú:

• jód
• gáfor
• naftalín

Pozor: pri benzíne ide najmä o vyparovanie, pretože benzín je kvapalina.

Dôležité poznámky

• Vnútorná energia telesa závisí od pohybu a vzájomnej polohy častíc.
• Teplo je energia, ktorá sa prenáša medzi telesami pri rozdielnej teplote.
• Teplo sa označuje Q a vnútorná energia U.
• Hmotnostná merná tepelná kapacita hovorí, koľko tepla treba na ohriatie 1 kg látky o 1 °C.
• Pri zmene skupenstva sa často nemení teplota, ale mení sa skupenský stav látky.
• Teplota topenia a teplota varu patria medzi dôležité fyzikálne vlastnosti látok.

Prehľad vzorcov

• U = Up + Uk
• Q = c · m · Δt
• c = Q / (m · Δt)
• Lt = lt · m
• Lv = lv · m

Teplo

Vnútorná energia telesa je energia, ktorú majú častice látky vďaka svojmu pohybu a vzájomnej polohe. Môže sa meniť konaním práce alebo tepelnou výmenou. Teplo je energia prenášaná z teplejšieho telesa na chladnejšie. Pri prijímaní alebo odovzdávaní tepla sa môže meniť teplota telesa alebo jeho skupenstvo. Medzi zmeny skupenstva patria topenie, tuhnutie, vyparovanie, var, kondenzácia, sublimácia a desublimácia.