Warto przeczytać

Energia cieplna zawsze przepływa od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze i jest przenoszona przez zderzenia między cząsteczkami.

Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek. Cząsteczki ciała o wysokiej temperaturze poruszają się z większą średnią energią kinetyczną, niż cząsteczki ciała chłodniejszego. W zderzeniach cząsteczek energia kinetyczna jest przekazywana od cząsteczek o większej energii do cząstek o mniejszej energii (Rys. 1.). Podczas zetknięcia ciał cieplejszego i zimniejszego, w pierwszej kolejności, energię zmieniają cząsteczki na powierzchni ich styku. Potem, w wyniku kolejnych zderzeń międzycząsteczkowych, ciepło, w postaci energii kinetycznej cząsteczek, jest przekazywane coraz dalej, wgłąb chłodniejszego ciała, natomiast ciało, które przed zetknięciem było cieplejsze, ochładza się, bo jego cząsteczki tracą energię kinetyczną. W ten sposób następuje przewodzenie ciepła.

RVkjt9GS3WB9v

Rys. 1. Ilustracja przedstawia animację, w której po lewej stronie widoczna jest brązowa świeca w postaci pionowego walca z palącym się knotem. Płomień widoczny jest w postaci pionowego, eliptycznego kształtu o żółtym środku i czerwonej części zewnętrznej. Żółty środek sugeruje, że temperatura płomienia maleje wraz ze wzrostem odległości od knota. Obok świecy po prawej stronie widoczna jest struktura cząsteczek, w postaci poziomego prostokąta złożonego z drobnej siatki podzielonej na kwadraty, w wierzchołkach których znajdują się początkowo niebieskie punkty. Kolor niebieski sugeruje niską temperaturę cząsteczek. Wraz z upływem czasu cząsteczki znajdujące się blisko płomienia zmieniają kolor na początkowo zielony, później żółty a następnie czerwony. Początkowo tylko cząsteczki blisko płomienia zwiększa swoją temperaturę, ale wraz z upływem czasu również molekuły oddalone bardziej zaczynają się ogrzewać. Wraz z czasem coraz więcej cząsteczek jest ogrzewanych co widać w postaci zmiany koloru cząsteczek coraz bardziej oddalonych od płomienia świecy.

Rys. 1. Ilustracja przedstawia animację, w której po lewej stronie widoczna jest brązowa świeca w postaci pionowego walca z palącym się knotem. Płomień widoczny jest w postaci pionowego, eliptycznego kształtu o żółtym środku i czerwonej części zewnętrznej. Żółty środek sugeruje, że temperatura płomienia maleje wraz ze wzrostem odległości od knota. Obok świecy po prawej stronie widoczna jest struktura cząsteczek, w postaci poziomego prostokąta złożonego z drobnej siatki podzielonej na kwadraty, w wierzchołkach których znajdują się początkowo niebieskie punkty. Kolor niebieski sugeruje niską temperaturę cząsteczek. Wraz z upływem czasu cząsteczki znajdujące się blisko płomienia zmieniają kolor na początkowo zielony, później żółty a następnie czerwony. Początkowo tylko cząsteczki blisko płomienia zwiększa swoją temperaturę, ale wraz z upływem czasu również molekuły oddalone bardziej zaczynają się ogrzewać. Wraz z czasem coraz więcej cząsteczek jest ogrzewanych co widać w postaci zmiany koloru cząsteczek coraz bardziej oddalonych od płomienia świecy.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RVkjt9GS3WB9v

Rys. 1. Ilustracja przedstawia animację, w której po lewej stronie widoczna jest brązowa świeca w postaci pionowego walca z palącym się knotem. Płomień widoczny jest w postaci pionowego, eliptycznego kształtu o żółtym środku i czerwonej części zewnętrznej. Żółty środek sugeruje, że temperatura płomienia maleje wraz ze wzrostem odległości od knota. Obok świecy po prawej stronie widoczna jest struktura cząsteczek, w postaci poziomego prostokąta złożonego z drobnej siatki podzielonej na kwadraty, w wierzchołkach których znajdują się początkowo niebieskie punkty. Kolor niebieski sugeruje niską temperaturę cząsteczek. Wraz z upływem czasu cząsteczki znajdujące się blisko płomienia zmieniają kolor na początkowo zielony, później żółty a następnie czerwony. Początkowo tylko cząsteczki blisko płomienia zwiększa swoją temperaturę, ale wraz z upływem czasu również molekuły oddalone bardziej zaczynają się ogrzewać. Wraz z czasem coraz więcej cząsteczek jest ogrzewanych co widać w postaci zmiany koloru cząsteczek coraz bardziej oddalonych od płomienia świecy.

Szybkość przewodzenia ciepła, to ilość ciepła, która przepłynęła przez ciało w jednostce czasu.

Jeśli w czasie $t$ przez ciało przepłynęła energia cieplna $Q$, to szybkość przewodzenia ciepła wynosi $\frac{Q}{t}$. Jednostką energii cieplnej $Q$ jest dżul (J), jednostką czasu sekunda. Zatem jednostką szybkości przewodzenia ciepła $\frac{Q}{t}$ jest $\frac{J}{s}=W$ (wat), czyli jednostka mocymocmocy.

Wyobraźmy sobie przewodzenie ciepła przez ciało mające kształt pręta o długości $l$ i polu powierzchni przekroju poprzecznego $S$. Ponieważ energia cieplna przekazywana jest w bezpośrednich zderzeniach cząsteczek domyślamy się, że szybkość przepływu energii w postaci ciepła jest wprost proporcjonalna do powierzchni przekroju pręta. Im większa powierzchnia przekroju, tym więcej cząsteczek ulega zderzeniom i tym szybszy jest przepływ ciepła. Szybkość przepływu ciepła zależy też od różnicy temperatur na końcach pręta. Im większa różnica temperatur $\Delta T$, tym szybciej przepływa energia. Natomiast im dłuższy jest pręt, tym dłużej będziemy musieli czekać na wyrównanie się temperatur na jego końcach, ponieważ transport energii cieplnej na większe odległości wymaga więcej czasu.

Szybkość przepływu energii cieplnej możemy zatem wyrazić wzorem:

gdzie:

$Q$ – ilość ciepła przepływającego przez ciało,

$t$ – czas przepływu,

$k$ – współczynnik proporcjonalności zwany przewodnictwem cieplnym (właściwym),

$S$ – pole przekroju poprzecznego pręta, przez który przepływa ciepło,

$l$ – długość pręta,

$\Delta T$ – różnica temperatur między końcami pręta.

Przewodnictwo cieplne (właściwe) $k$ (zwane też przewodnością cieplną lub współczynnik przewodzenia ciepła) to wielkość określająca, jak dana substancja przewodzi ciepło. Duża wartość przewodnictwa właściwego oznacza, że ciało jest dobrym przewodnikiem ciepła. Ciała słabo przewodzące ciepło, zwane izolatorami cieplnymi, mają małą wartość przewodnictwa właściwego.

W układzie SIukład SIukładzie SI jednostką współczynnika przewodzenia ciepła jest J/(m·s·K) = W/(m·K) (wat na metr i kelwin), czyli w jednostkach podstawowych SI: kg·m/(s³·K).

R1PYQFEJlpseI

Rys. 2. Ilustracja przedstawia zdjęcie dwóch bloków mieszkalnych i podwórka wykonane kamerą termowizyjną. Kamera termowizyjna przedstawia obraz temperatury. W postaci niebieskich obszarów widoczne są pola o niskiej temperaturze, żółtych wyższej a czerwone przedstawiają najcieplejsze obszary. Na zdjęciu drzewa i mury budynków mają najniższą temperaturę i widoczne są w postaci niebieskich obszarów. Przestrzeń okienna jest zielona i żółta co sugeruje, że wewnątrz budynku temperatura jest wyższa niż na zewnątrz. Kilka obszarów w oknach ma kolor czerwony co sugeruje, że znajduje się tam źródło ciepła o temperaturze znacznie większej niż temperatura na zewnątrz budynków.

W doświadczeniu w naszym wirtualnym laboratorium (lub w rzeczywistym laboratorium) używamy kamery termowizyjnejkamera termowizyjnakamery termowizyjnej. Termowizja jest rodzajem termometru, działającego na odległość. Na jakiej zasadzie działa kamera termowizyjna? Wszystkie ciała wysyłają promieniowanie cieplnepromieniowanie cieplnepromieniowanie cieplne (zob. materiał pt. Co to jest promieniowanie termiczne ciał? ). Natężenie i energia tego promieniowania zależy od temperatury. Gdy obiekt jest bardzo gorący, ma temperaturę powyżej 600°C, promieniowanie to jest widzialne dla naszych oczu. To dlatego w ciemności widzimy płonącą zapałkę. Ciała o niższej temperaturze, które nie świecą widzialnym światłem, również emitują promieniowanie, zwane promieniowaniem podczerwonym. Kamera termowizyjna rejestruje promieniowanie podczerwone wypromieniowane z obiektów, na które jest skierowana. Zarejestrowane promieniowanie jest przetwarzane i powstaje obraz temperaturowy obiektów. Rozkład temperatury na badanych obiektach przedstawiany jest w postaci barwnych obszarów, gdzie jeden kolor odpowiada punktom o tej samej temperaturze (Rys. 1.).

Słowniczek