W tym materiale powtórzysz pojęcia i definicje związane ze zjawiskami cieplnymi. Więcej informacji znajdziesz w poniższych materiałach:

Cząsteczkowa budowa materii

RDL4H2WmY0Prt
Sieć wiązań wodorowych między cząsteczkami wody
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Materia zbudowana jest z atomów lub cząsteczek. Cząsteczki znajdują się w nieustannym chaotycznym ruchu, a ich prędkości związane są z temperaturą danego ciała fizycznego. Im większa wartość prędkości cząsteczek, tym wyższa jest temperatura ciała. Jeśli ochładzamy dane ciało, czyli obniżamy jego temperaturę, zmniejszamy jednocześnie prędkość jego cząsteczek.

  • Dowody na kinetyczno–cząsteczkową teorię budowy materii to:

    • ruchy Browna;

    • zjawisko dyfuzji;

    • zjawisko zmniejszania się sumy objętości dwóch cieczy po ich zmieszaniu.

Między cząsteczkami lub atomami cieczy, gazu oraz ciał stałych występuje oddziaływanie. Jeśli odległości między cząsteczkami są zbliżone do ich średnicy lub od niej mniejsze, oddziaływanie ma charakter odpychający. Jeśli natomiast odległości te są większe, dominuje oddziaływanie przyciągające.

Stany skupienia materii

  • Ciała występują w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym.

  • Ciała stałe mają określone: kształt i objętość.

  • Ciecze przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują, ale zachowują swoją objętość.

  • Gazy – podobnie jak ciecze – przybierają kształt naczynia, w którym zostały umieszczone, ale w przeciwieństwie do cieczy wypełniają całą jego objętość.

  • Na co dzień obserwujemy wiele zjawisk związanych ze zmianami stanów skupienia (patrz schemat).

    R18iN7WZ0JGUm
    Schemat zmian fazowych
    Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.
  • Zjawisko topnienia polega na zmianie stanu skupienia ciała ze stanu stałego w stan ciekły. Zachodzi w stałej temperaturze, nazywanej temperaturą topnienia.

  • Krzepnięcie to zmiana stanu skupienia ciała z ciekłego na stały. Proces ten może przebiegać w odwrotną stronę (topnienie).

  • Niektóre ciała przechodzą ze stanu stałego do stanu ciekłego bez ustalonej temperatury przemiany. W pewnym przedziale temperatur ciało stopniowo mięknie i przechodzi w ciecz. Taki proces nazywamy mięknięciem.

  • Parowanie zmiana stanu skupienia polegająca na przejściu ciała ze stanu ciekłego w parę (stan gazowy). Zachodzi na powierzchni cieczy.

  • Wrzenie to przemiana cieczy w gaz. Przypomina parowanie, ale w przeciwieństwie do niego nie odbywa się jedynie na powierzchni cieczy, ale jednocześnie w całej jej objętości.

  • Skraplanie to zjawisko polegające na przejściu pary lub gazu w stan ciekły.

  • Sublimacja to zjawisko bezpośredniego przejścia ze stanu stałego w stan gazowy, z pominięciem stanu ciekłego.

  • Resublimacja to zjawisko bezpośredniego przejścia ze stanu gazowego w stan stały, z pominięciem stanu ciekłego.

  • Plazma – czwarty stan skupienia materii, w którym nośniki dodatnich i ujemnych ładunków tworzą gaz.

Temperatura a energia kinetyczna cząsteczek

Rct4b89sWDyyw
Temperaturę mierzymy różnego rodzaju termometrami
Źródło: Fornax, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY 3.0.
  1. Temperatura jest wielkością opisującą stan cieplny ciała i jest miarą stopnia jego nagrzania. Mierzymy ją w stopniach Celsjusza lub w kelwinach.

  2. Temperatura związana jest ze średnią energią kinetyczną atomów i cząsteczek – dwa ciała mają taką samą temperaturę, jeśli średnia energia kinetyczna ich atomów lub cząsteczek jest taka sama.

  3. Temperatura to nie to samo co ciepło, które jest jedną z form przekazywania energii.

  4. W skali Kelvina (zwanej też bezwzględną skalą temperatur) temperatura jest wprost proporcjonalna do średniej energii kinetycznej atomów lub cząsteczek.

  5. Zero kelwinów (zero bezwzględne temperatur) to najniższa wartość temperatury, w której ustaje ruch termiczny atomów i cząsteczek; ich energia kinetyczna byłaby wówczas równa zeru.

  6. Temperaturę odczytaną w stopniach Celsjusza przeliczamy na kelwiny, dodając liczbę 273:

    TKelvina=tCelsjusza+273.
  7. Różnica temperatur ma taką samą wartość zarówno w skali Celsjusza, jak i w skali bezwzględnej.

  8. R12Tf0442yb5G
    Skale temperatury
    Źródło: Krzysztof Jaworski, GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Energia wewnętrzna

Każda z cząsteczek posiada swoją energię kinetyczną, wynikającą z jej ruchu, a także energię potencjalną, wynikającą z oddziaływania między nią a innymi cząsteczkami. Jeśli dodamy do siebie energię kinetyczną i potencjalną wszystkich cząsteczek i atomów budujących dane ciało, mówimy wówczas o energii wewnętrznej tego ciała:

Ewew=Ek+Ep.

Wartość energii wewnętrznej zależy od trzech czynników:

  • liczby atomów i cząsteczek tworzących to ciało – więcej cząsteczek to więcej składników sumy;

  • temperatury ciała – wyższa temperatura to większa wartość średniej energii kinetycznej cząsteczek, zatem całkowita energia układu będzie większa;

  • rodzaju substancji i stanu jej skupienia – wielkość energii potencjalnej pochodzącej od oddziaływań międzycząsteczkowych zmienia się wraz ze stanem skupienia i jest różna w przypadku różnych substancji.

Pierwsza zasada termodynamiki

Energię wewnętrzną ciała mozna zmienić poprzez wykonanie pracy nad ciałem lub przez ciało oraz przez przekaz cieplny.

Δ E w e w = W + Q

gdzie: ΔEwew – zmiana energii wewnętrznej, W – praca, Q – ciepło.

Przewodnictwo cieplne

RbQspKgN9rNBf
Przykład izolatora - styropian
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
  • Przewodnictwo cieplne polega na przekazywaniu energii pomiędzy częściami ciała, których temperatury są różne. Ze zjawiskiem tym mamy do czynienia, gdy wydzieloną część ciała podgrzejemy. Po pewnym czasie, dzięki przekazywaniu energii, temperatura całego ciała wyrówna się.

  • Mechanizm przewodnictwa cieplnego oparty jest na bezpośrednim przekazywaniu energii kinetycznej między cząsteczkami lub atomami materii.

  • Ze względu na zdolność transportowania energii cieplnej substancje dzielimy na:

    • przewodniki ciepła – energia cieplna jest w nich transportowana szybko i łatwo.

    • izolatory cieplne – transport energii cieplnej zachodzi w nich wolno.

  • Najlepszymi przewodnikami ciepła są: metale (również ciekłe), grafit i diament.

  • Dobrymi izolatorami ciepła są gazy, pierze, wata szklana, korek, styropian, futro.

Konwekcja

RUh3v8VYJqmKa
Proces konwekcji podczas gotowania wody w czajniku
Źródło: Tomorrow Sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.
  1. Konwekcja to proces przekazywania energii wewnętrznej przenoszonej przez poruszające się gaz lub ciecz.

  2. Konwekcja swobodna – przyczyną ruchu gazu lub cieczy są różnice gęstości obszarów o różnej temperaturze.

Ciepło właściwe

RY1P1tinPCoB7
Obrazowe przedstawienie co to jest ciepło właściwe
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.
  1. Ciepło właściwe to ilość energii potrzebna do ogrzania 1 kilograma substancji o jeden stopień Celsjusza (o jeden kelwin). Jest to wielkość charakteryzująca daną substancję. Jednostką ciepła właściwego w układzie SI jest Jkg·K.

  2. Definicję ciepła właściwego możemy zapisać za pomocą zależności:

    c=Qm·ΔT,

    gdzie: c – ciepło właściwe, m – masa ciała, ΔT – przyrost temperatury, Q – energia dostarczona do ciała w formie cieplnej (ciepło). Można ją obliczyć po przekształceniu powyższej zależności – otrzymamy wtedy:

    Q=m·c·ΔT.

Wyznaczanie ciepła właściwego wody

RG1IpKV37i1K2
Schemat kalorymetru
Źródło: Li-on, edycja: Krzysztof Jaworski, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY 3.0.

Aby wyznaczyć ciepło właściwe wody, musimy wykonać następujące działania:

  1. zmierzyć ilość energii dostarczonej do wybranej ilości wody;

  2. zmierzyć masę wody;

  3. zmierzyć zmianę temperatury, będącą skutkiem dostarczania energii do wody.

Ad 1. Do tego działania najwygodniej jest użyć źródła ciepła o znanej mocy P (najlepiej czajnika lub grzałki elektrycznej) i zmierzyć czas jego pracy τ. W urządzeniach tych cała energia elektryczna zamieniana jest na ciepło.
Ad 2. Masę wody możemy wyznaczyć, używając wagi lub mierząc jej objętość – w tym przypadku korzystamy ze znajomości gęstości wody.
Ad 3. Termometrem możemy zmierzyć temperaturę początkową wody, a ogrzewając wodę do momentu rozpoczęcia wrzenia, uznajemy, że temperatura końcowa wody osiągnęła wartość 100˚C. Nie mierzymy tej temperatury termometrem, głównie ze względów bezpieczeństwa.

Ciepło topnienia i krzepnięcia

R18jVcXIZxTgD
Przykład topienia się ciała stałego
Źródło: Smabs Sputzer, dostępny w internecie: flickr.com, licencja: CC BY 2.0.
  1. Aby stopić ciało stałe, należy dostarczyć mu energii, a aby zestalić ciecz – pobrać od niej energię.

  2. Ciepło topnienia (krzepnięcia) to ilość energii, jaką należy dostarczyć (odebrać), aby stopić (zestalić) 1 kilogram danej substancji. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Jednostką ciepła topnienia w układzie SI jest Jkg.

  3. Definicję ciepła topnienia możemy zapisać za pomocą zależności:

    L=Qm,

    gdzie: L – ciepło topnienia; m – masa ciała; Q – energia (ciepło) dostarczone do ciała.

Ciepło parowania i skraplania

RYfT1ddGefipM
Przykład parowania
Źródło: funcrush28, dostępny w internecie: flickr.com, licencja: CC BY 2.0.
  1. Parowanie cieczy oraz wrzenie (parowanie w całej objętości cieczy) wymaga dostarczania energii do cieczy, natomiast skraplanie wymaga odbierania energii od substancji w fazie gazowej.

  2. **Ciepło parowania (skraplania)** to ilość energii, jaką należy dostarczyć (odprowadzić), aby odparować (skroplić) 1 kilogram danej substancji. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Jednostką ciepła parowania w układzie SI jest Jkg.

  3. Definicję ciepła parowania możemy zapisać za pomocą wzoru:

    R=Qm,

    gdzie: R – ciepło parowania; m – masa ciała; ΔE=Q – energia (ciepło) dostarczone do ciała.

Energia wewnętrzna a zmiany stanu skupienia

R1TLGskkqsd0U
Woda w trzech różnych stanach skupienia
Źródło: Antony Howard, dostępny w internecie: flickr.com, licencja: CC BY 3.0.
  1. Topnienie, parowanie i sublimacja to zmiany stanu skupienia, które wymagają dostarczania energii do substancji.

  2. Dostarczona energia powoduje wzrost energii wewnętrznej ciała związany ze zmianą struktury wewnętrznej tej substancji – rośnie energia potencjalna wynikająca z oddziaływań wzajemnych atomów i cząsteczek.

  3. Krzepnięcie, skraplanie i resublimacja to zmiany stanu skupienia, które wymagają oddawania energii przez substancję.

  4. Oddana energia powoduje zmniejszenie energii wewnętrznej ciała i wiąże się ze zmianą struktury wewnętrznej substancji – maleje energia potencjalna wynikająca z oddziaływań wzajemnych atomów i cząsteczek.

Kalorie

R1coZ5Vohk345
Informacja m.in. o wartości energetycznej musi być zamieszczona na prawie każdym produkcie spożywczym
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Inną, pozaukładową jednostką energii jest kaloria, z łaciny calor - ciepło, oznaczana . Historycznie definiowana była m.in. jako ilość energii potrzebna do podgrzania czystej wody pod ciśnieniem od do . Obecnie używana jest głównie przy określaniu wartości energertycznej różnych produktów.

Do wyrażania wartości energetycznej potraw stosuje się kilokalorie (), będące wielkorotnością kalorii (). Przy przeliczaniu wartości energetycznej produktów spożywczych korzysta się z przelicznika:

Jest to kaloria termochemiczna, która została zaadoptowana do tego celu ze względu na to, że dietetyka jest bardzo powiązana z chemią.

Czasem można je jeszcze spotkać przy określaniu wartości opałowej paliw (np. węgla czy gazu), wtedy używa się najczęsciej wielokrotności kalorii (np. megakalorii, gigakalorii). Przy czym:

Jest to definicja kalorii przyjęta w  r. podczas Fifth International Conference on Properties of Steam odbywającej się w Londynie. Przelicznik ten wszedł do użytku w fizyce oraz energetyce.

Ciekawostka

Istnieje dużo więcej definicji kalorii opierających się np. na ilości energii potrzebnej do ogrzania wody pomiędzy innymi temperaturami czy pod innym ciśnieniem. Ze względu na dużą liczbę definicji kalorii, a co za tym idzie jej wartości, nie jest ona obecnie już prawie używana.

Ru8mglgMT7uSw
Przykład charakterystyki różnych rodzajów paliw
Źródło: dostępny w internecie: Pexels.com, licencja: CC BY 3.0.
R1a3kfvuQLspZ
Ćwiczenie 1
Od czego zależy ciepło właściwe danej substancji? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. Prawidłowa odpowiedź A, 2. Nieprawidłowa odpowiedź B, 3. Nieprawidłowa odpowiedź C, 4. Prawidłowa odpowiedź D
Źródło: Helena Nazarenko-Fogt <Helena.Nazarenko-Fogt@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 2

Oceń prawdziwość zdań na podstawie wykresu przedstawiającego zależność temperatury od ciepła dostarczonego dla ciał o jednakowych masach przy ich ogrzewaniu podczas topnienia. Zaznacz Prawda lub Fałsz.

R7R0ot14IONLe
Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.
R4zDDEdgtSCwp
Łączenie par. . Ciepło topnienia ciała C1 jest mniejsze niż ciała C2.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło właściwe ciała C1 w stanie ciekłym jest większe niż ciała C2.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło właściwe ciała C1 w stanie ciekłym jest mniejsze niż ciała C2.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Temperatura topnienia ciała C1 jest większa niż ciała C2.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło właściwe ciała C1 w stanie stałym jest mniejsze niż ciała C2.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło topnienia ciała C1 jest takie samo jak ciała C2.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło topnienia ciała C1 jest większe niż ciała C2.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło właściwe ciała C1 w stanie stałym jest większe niż ciała C2.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
R4YRzdlOVOn0I
Ćwiczenie 3
Ciepło topnienia parafiny wynosi 150000 Jkg. Jaka część dwukilogramowej bryły parafiny w temperaturze topnienia ulegnie stopieniu, jeżeli dostarczymy 15 kJ ciepła? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. 5% całej bryły., 2. Cała bryła., 3. 10% całej bryły., 4. 2% całej bryły., 5. 0,5% całej bryły., 6. Pół bryły.
Źródło: Helena Nazarenko-Fogt <Helena.Nazarenko-Fogt@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
R148Dle49tk4a
Ćwiczenie 4
Podczas wrzenia wody jej temperatura nie zmienia się mimo ciągłego dostarczania ciepła przez grzałkę.
Oceń, czy poniższe zdania są prawdziwe czy fałszywe. Zaznacz zdanie prawdziwe. Możliwe odpowiedzi: 1. Dostarczone ciepło powoduje zmianę stanu skupienia wody z cieczy w gaz, co oznacza wzrost jej energii wewnętrznej., 2. Energia wewnętrzna wody nie zmienia się, bo woda nie pobiera już ciepła., 3. Ciepło dostarczone powoduje zmianę stanu skupienia wody z cieczy w gaz, a jej energia wewnętrzna nie zmienia się., 4. Ciepło dostarczone powoduje zmianę stanu skupienia wody z cieczy w gaz, a jej energia wewnętrzna maleje.
Źródło: Helena Nazarenko-Fogt <Helena.Nazarenko-Fogt@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
R7uv2S4z197Xr
Ćwiczenie 5
Ułóż zdjęcia w kolejności od produktu o najwyższej wartości do produktu o najniższej wartości energetycznej. Kliknij w zdjęcie, aby je powiększyć.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
R1YKJKWkJdVA3
Ćwiczenie 5
Uporządkuj produkty w kolejności od produktu o najwyższej wartości do produktu o najniższej wartości energetycznej. Elementy do uszeregowania: 1. słonecznik - wartość energetyczna na 100 g to 645 kcal, 2. kasza - wartość energetyczna na 100 g to 384 kcal, 3. soczewica - wartość energetyczna na 100 g to 340 kcal, 4. galaretka - wartość energetyczna na 100 g to 221 kJ
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 6

Bryłka ołowiu znajdująca się na bardzo dużej wysokości ma energię potencjalną 500 J. Spadając na ziemię, rozpędza się i tuż nad ziemią ma energię kinetyczną 400 J. Co stało się z pozostałą częścią energii? Po czym można byłoby poznać, co stało się z brakującą częścią bilansu energetycznego ciała? Odpowiedź uzasadnij.

RD42Y0w3PuU6Q
(Uzupełnij).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 7
R1LdxzKrio9wq
Uzupełnij lukę, wpisując odpowiednią liczbę. Aby ogrzać dom o 3°C potrzebne jest 1356000J. Proces ogrzewania trwa 1min. Moc pieca wynosi P= Tu uzupełnij kW.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 8

Współczynnik przewodnictwa cieplnego informuje nas, ile energii przepływa w ciągu sekundy przez jeden metr kwadratowy materiału o grubości 1 metra przy jednostkowej różnicy temperatur. Oznacza się go najczęściej literą λ.
Na opakowaniach materiałów termoizolacyjnych można przeczytać następujące wartości tego współczynnika:
materiał A: λ=0,046 Wm·K;
materiał B: λ=0,049 Wm·K;
materiał C: λ=0,032 Wm·K.
Określ, który z tych materiałów jest najlepszym izolatorem cieplnym? Odpowiedź uzasadnij.

RIp66fmD27DHq
(Uzupełnij).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 9

Oblicz ilość (masę) pary wodnej znajdującej się w powietrzu mieszkania, jaka musi ulec skropleniu, aby ogrzać powietrze w tym mieszkaniu o 10°C. Masa powietrza zawartego w mieszkaniu wynosi 150 kg. Ciepło parowania wody znajdź w tablicach.

RnLPwNSEhmWXT
(Uzupełnij).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.