Teplo a tepelná energia – čo je teplo, prenos tepla

Teplo a tepelná energia – čo je teplo, prenos tepla, tepelná kapacita a zmeny skupenstva

Teplo a tepelná energia

Teplo alebo tepelná energia patrí medzi základné fyzikálne pojmy, s ktorými sa stretávame každý deň. Vnímame ho pri ohrievaní vody, pri varení, pri dotyku teplého predmetu aj pri slnečnom žiarení. Teplo súvisí s pohybom častíc v látkach a s prenosom energie medzi telesami.

Teplo si navzájom vymieňajú iba také telesá, ktoré majú rozdielnu teplotu. Ak sa stretne teplejšie a chladnejšie teleso, energia sa prenáša z teplejšieho telesa na chladnejšie, až kým sa ich teploty nevyrovnajú.

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

Je dôležité rozlišovať medzi dvoma pojmami:

• teplota vyjadruje stav telesa, teda ako je teleso teplé alebo studené
• teplo vyjadruje prenos energie pri zmene tohto stavu

Čo je teplo z fyzikálneho hľadiska

Podľa kinetickej teórie látok sú všetky telesá zložené z častíc, ktoré sa neustále neusporiadane pohybujú. Tento pohyb častíc súvisí s ich energiou. Čím rýchlejšie sa častice pohybujú, tým väčšia je vnútorná energia látky a tým vyššia je aj jej teplota.

Teplo teda môžeme chápať ako energiu prenášanú medzi telesami pri tepelnej výmene.

V minulosti sa ľudia domnievali, že medzi telesami prúdi neviditeľná látka nazývaná kalorikum. Dnes už vieme, že nejde o žiadnu látku, ale o spôsob prenosu energie.

Teplo a vnútorná energia

Keď teleso prijíma teplo, jeho vnútorná energia sa zväčšuje. Keď teplo odovzdáva, jeho vnútorná energia sa zmenšuje.

Teplo teda úzko súvisí s vnútornou energiou, ale nie je to to isté.

• vnútorná energia je energia, ktorú teleso má
• teplo je energia, ktorá sa medzi telesami prenáša

Ak napríklad zohrejeme kovovú tyč, častice v nej sa začnú pohybovať intenzívnejšie. V dôsledku toho sa zvýši vnútorná energia tyče.

Vzorec na výpočet tepla

Ak sa teleso iba zohrieva alebo ochladzuje a nedochádza pritom k zmene skupenstva, teplo vypočítame podľa vzorca:

Q = c · m · Δt

kde:

• Q je teplo
• c je hmotnostná merná tepelná kapacita
• m je hmotnosť telesa
• Δt je zmena teploty

Tento vzorec používame pri výpočtoch, keď chceme zistiť, koľko tepla treba dodať telesu, aby sa jeho teplota zvýšila, alebo koľko tepla teleso odovzdá pri ochladzovaní.

Tepelná kapacita a merná tepelná kapacita

Pri učive o teple sa často stretávame s pojmami tepelná kapacita a hmotnostná merná tepelná kapacita.

Tepelná kapacita

Tepelná kapacita vyjadruje, aké množstvo tepla musí teleso prijať alebo odovzdať, aby sa jeho teplota zmenila o 1 K.

Závisí od:

• hmotnosti telesa
• látky, z ktorej je teleso vytvorené

Preto majú rôzne telesá rôznu tepelnú kapacitu.

Hmotnostná merná tepelná kapacita

Hmotnostná merná tepelná kapacita vyjadruje, koľko tepla treba dodať 1 kilogramu látky, aby sa jeho teplota zvýšila o 1 °C alebo 1 K.

Jednotkou je:

J/kg · K

Čím je merná tepelná kapacita väčšia, tým viac tepla musíme látke dodať, aby sme ju zohriali.

Tepelná výmena

Tepelná výmena nastáva vtedy, keď sú dve telesá alebo dve miesta v jednom telese na rozdielnej teplote.

Vtedy sa energia prenáša z teplejšieho miesta na chladnejšie. Tento dej prebieha dovtedy, kým sa teploty nevyrovnajú. Vtedy nastáva tepelná rovnováha.

Pri tepelnej výmene môže dôjsť k tomu, že:

• sa teleso zohreje
• sa teleso ochladí
• sa zmení skupenstvo látky

Mechanizmy prenosu tepla

Teplo sa šíri tromi základnými spôsobmi:

• vedením
• prúdením
• žiarením

Vedenie tepla

Vedenie tepla je najtypickejšie pre tuhé látky, najmä pre kovy.

Ak má jedna časť telesa vyššiu teplotu než druhá, energia sa prenáša medzi susednými časticami z teplejšej oblasti do chladnejšej. Tak sa teploty postupne vyrovnávajú.

Príklady:

• kovová lyžica v horúcom čaji sa po chvíli zahreje
• rukoväť kovového predmetu sa môže zahriať od horúcej časti

Niektoré látky vedú teplo veľmi dobre, iné veľmi slabo.

Dobré vodiče tepla

Najlepšie vedú teplo najmä kovy, napríklad:

• meď
• hliník
• oceľ

Tepelné izolanty

Látky, ktoré vedú teplo slabo, nazývame izolanty.

Príklady:

• drevo
• sklo
• plast
• vzduch

Prúdenie tepla

Prúdenie tepla, teda konvekcia, prebieha v kvapalinách a plynoch.

Je založené na tom, že zahriata látka má menšiu hustotu, a preto stúpa nahor, zatiaľ čo chladnejšia a hustejšia látka klesá nadol. Tak vzniká pohyb látky a zároveň sa prenáša aj teplo.

Príklady:

• voda v hrnci sa pri zohrievaní premiešava
• teplý vzduch v miestnosti stúpa ku stropu
• radiátor ohrieva vzduch, ktorý potom prúdi po miestnosti

Rozlišujeme:

• prirodzenú konvekciu – vzniká samovoľne vplyvom rozdielov teploty a hustoty
• nútenú konvekciu – vzniká pomocou zariadenia, napríklad ventilátora

Žiarenie tepla

Žiarenie tepla nazývame aj sálanie alebo radiácia.

Pri tomto spôsobe sa energia prenáša vo forme elektromagnetického žiarenia. Na rozdiel od vedenia a prúdenia nepotrebuje žiarenie nijaké látkové prostredie, preto môže prebiehať aj vo vákuu.

Príklady:

• Zem prijíma teplo zo Slnka
• cítime teplo z ohňa, aj keď sa ho nedotýkame
• zahriate telesá vyžarujú teplo do okolia

Práve žiarením sa prenáša slnečná energia na Zem.

Dôsledky prenosu tepla

Ak teleso prijíma alebo odovzdáva teplo, nastáva zmena jeho vnútornej energie. Tá sa môže prejaviť dvoma hlavnými spôsobmi.

Zmena teploty

Teleso sa môže:

• zohriať
• ochladiť

Veľkosť tejto zmeny závisí od tepelnej kapacity telesa.

Zmena skupenského stavu

Pri prijímaní alebo odovzdávaní tepla sa môže zmeniť aj skupenstvo látky.

Zmeny skupenstva

Všetky zmeny skupenstva sú spojené so zmenou vnútornej energie látky. Pri niektorých premenách látka energiu prijíma, pri iných ju odovzdáva.

Medzi základné zmeny skupenstva patria:

• topenie
• tuhnutie alebo mrznutie
• vyparovanie
• var
• kondenzácia
• sublimácia

Topenie

Je to premena pevného skupenstva na kvapalné.

Príklad:

• ľad sa topí na vodu

Tuhnutie, mrznutie

Je to premena kvapalného skupenstva na pevné.

Príklad:

• voda v mrazničke zamrzne na ľad

Vyparovanie

Je to premena kvapaliny na plyn. Prebieha iba z povrchu kvapaliny.

Príklad:

• voda z mokrého oblečenia sa odparuje

Var

Je to zvláštny druh vyparovania, ktorý prebieha v celom objeme kvapaliny pri určitej teplote varu.

Príklad:

• voda pri varení vytvára bubliny v celom objeme

Kondenzácia

Je to premena plynného skupenstva na kvapalné.

Príklad:

• na chladnom skle sa vytvárajú kvapky vody

Sublimácia

Je to premena pevného skupenstva priamo na plynné, bez prechodu cez kvapalné.

Príklad:

• jód alebo naftalín môžu sublimovať

Tepelné súvislosti

Teplom sa zaoberá časť fyziky nazývaná termika alebo tepelná fyzika.

S teplom súvisia aj ďalšie pojmy:

• kalorimetria – zaoberá sa meraním tepla
• kalorimetrická rovnica – vychádza zo zákona zachovania energie
• molárna tepelná kapacita – teplo potrebné na ohriatie jedného mólu látky o jeden teplotný stupeň

Tieto pojmy sa využívajú najmä pri podrobnejšom štúdiu fyziky a pri výpočtoch.

Teplo v praktickom živote

Teplo má v našom živote obrovský význam.

Väčšina tepla na povrchu Zeme pochádza priamo alebo nepriamo zo Slnka. Slnečná energia zohrieva povrch Zeme, ovplyvňuje počasie, spôsobuje vietor, dážď aj sneh.

Aj ľudské telo neustále vytvára teplo. Toto teplo vzniká pri chemických procesoch v organizme, najmä pri spracovaní potravy.

Veľké množstvo tepla sa nachádza aj vo vnútri Zeme, kde súvisí so sopečnou činnosťou a zemetraseniami.

Človek využíva teplo aj technicky:

• v motoroch áut a lietadiel
• pri spaľovaní palív
• v elektrárňach pri výrobe elektriny
• pri vykurovaní domácností

Teplo a tepelná energia

• Teplo je prenos energie, nie látka.
• Teplo sa prenáša vždy z teplejšieho telesa na chladnejšie.
• Teplo označujeme Q a jeho jednotkou je J.
• Teplota a teplo nie sú to isté.
• Prenos tepla môže prebiehať vedením, prúdením a žiarením.
• Dôsledkom prenosu tepla môže byť zmena teploty alebo zmena skupenstva.
• Tepelná kapacita závisí od hmotnosti telesa a od druhu látky.
• Termika je oblasť fyziky, ktorá skúma tepelné javy.