Termika

Termika
termika - teplota, teplo a práce – termodynamické zákony – tepelná vodivost - tepelná kapacita – skupenské
teplo
teplo, teplota, práce, tepelná vodivost
Teplo
• část vnitřní energie tělesa = součet kinetické energie molekul daného tělesa
• (do vnitřní energie patří ještě energie jaderná a chemická)
• teplo tělesa měřit nelze, měříme jen jeho předávání, na které usuzujeme z tepelných
účinků – není to stavová veličina
• značíme Q, jednotka J = joule (stejná jednotka jako u práce)
Teplota
• veličina popisující tepelný stav tělesa
• je to to, co měřím
• (teploměr musí být zanedbatelný vzhledem ke hmotě měřeného – dotykem s měřeným
objektem se vyrovnají energetické stavy a podle změny na teploměru (rtuť se
roztáhne) usuzuji na teplotu tělesa)
• značíme t, jednotky °C, °F (Celsius, Fahrenheit, nestejně veliké stupně)
• absolutní termodynamická teplota T, jednotky K (Kelvin), velikost 1K odpovídá
velikosti °C
• 0°C = 273,15 K
• 0K nelze dosáhnout = třetí termodynamický zákon
Vzájemné působení těles:
konání práce
tepelná výměna
látková výměna
Tepelná výměna
• vedením – nejnázornější – stykem těles, používám dřevěnou vařečku, nesmím sahat
v mrazu na kliku natož ji olizovat – souvisí s tepelnou vodivostí
• prouděním – když si míchám čaj nebo do něj naliju studenou vodu
• zářením – elektromagnetické záření – bez toho by mi byla u ohně zima, kamna by
nefungovala, atd.
Tepelná vodivost
Jak dobře a rychle daná látka vede teplo
značí se, jednotka W/m.K
kolik tepla projde za dané tepelné vodivosti λ a daném teplotním rozdílu ∆T
plochou S za čas τ do hloubky d.
čím větší číslo, tím lépe látka teplo vede
Tepelná izolace zamezuje vedení tepla! Zamezení přenosu tepla zářením se dělá instalací
lesklých ploch (tepelné záření se chová podobně jako světlo).
Proto nejlépe izolují materiály, které obsahují nejvíc vzduchových mezer (duté vlákno, vlna,
polystyren, peří,…) Vzduch má velmi malou tepelnou vodivost.
1
Pozn. elektrické vodiče lépe vedou teplo
Pozor! Péřová bunda nehřeje, pouze izoluje!
V případě termosky, kdy mezi dvojitou stěnou je vakuum (téměř nic), je tepelná výměna
vedením téměř eliminována, ale stále se uplatňuje záření, proto jsou povrchy lesklé.
Pozn. – vakuová izolační skla do oken neexistují, je to jen obch. trik, zkuste si spočítat ten
tlak na tabuli 1 čtvreční metr.
Termodynamické zákony
První termodynamický zákon
Přírůstek vnitřní energie soustavy se rovná součtu mechanické práce W vykonané na tělesu
vnějšími silami a tepla Q vnějšími tělesy předaného soustavě.
∆U = W + Q
Tedy: konáním práce můžu zvyšovat teplotu tělesa! (Tření dřev – oheň, mícháním ohřát
tekutinu, v zimě si třu ruce, sjedu-li rychle po tyči či provaze tak se spálím, zahřívající se
hřebík nebo šroub, deformační teplo, …)
2
Druhý termodynamický zákon
Při tepelné výměně nemůže samovolně přijímat těleso s vyšší teplotou teplo od tělesa s nižší
teplotou
Třetí termodynamický zákon
Nulové termodynamické teploty nelze žádným způsobem dosáhnout
10 min. tepelná kapacita a skupenské teplo
Tepelná kapacita
Při tepelných dějích je potřeba znát i tepelnou kapacitu. To je údaj, který mi u daného tělesa
říká, kolik potřebuji tepla na ohřátí daného tělesa o 1K.
Aby to bylo použitelné pro libovolné těleso z určité látky, zavádí se měrná tepelná kapacita
c=
Q
∆T ⋅ m
čili kolik potřebuji tepla na ohřátí 1 kg dané látky o jeden kelvin, jednotka J/kg.K
tzn. – ohřev vody je bezkonkurenčně energeticky nejnáročnější
Při tepelné výměně uvnitř nějaké soustavy (studená lžička vložená do horkého čaje) platí pro
nabytí rovnovážného stavu tzv. kalorimetrická rovnice
c1 m1 ∆T1 = c 2 m2 ∆T2
3
teplo se předává zkrátka tak dlouho, než se vyrovnají teploty.
Skupenské teplo
Na změnu skupenství potřebuji nějakou energii. Buď ji přijmout nebo odevzdat. Z vody se
nestane led ochlazením na 0 stupňů! Stejně jako voda se rázem nevypaří ohřátím na 100
stupňů!
Graf.:
Opět se zavádí měrné skupenské teplo, aby bylo možno popsat fázový přechod libovolného
tělesa z dané látky. Značí se l s indexem podle toho zda jde o skupenské teplo tání či varu.
Př. měrného skupenského tepla tání
Co je náročnější? Uvařit kilogram vody nebo rozpustit kilogram ledu?
4
Skupenství obecně závisí i na tlaku, zejména pak u plynů a kapalin.
Proč brusle bruslí, proč mi v letadle neuvaří turka?
Prakticky:
• Proč se v létě potíme?
• Proč chladí mokrý obklad i po tom, co ho svým tělem zahřejeme?
• Je efektivnější do limonády přilít studenou vodu nebo dát kostku ledu?
Skupenství
Pevné
molekuly pevně vázané v krystalových mřížkách či amorfních tělesech. Amorfní těleso je
vlastně kapalné s velmi vysokou viskozitou.
Kapalné
molekuly se volně pohybují, jsou relativně blízko u sebe, ale síly mezi nimi udržují těleso
pohromadě (tvoří hladinu)
Plynné
velmi řídké, molekuly daleko od sebe, interagují jen srážkami, srážky také vyvolávají tlak
Plasma
ionizovaný plyn - stav disociace molekul a atomů – směs disociovaných atomů, ionizovaných
atomů a elektronů
Teplotní roztažnost látek
• S měnící se teplotou mění všechna tělesa svůj objem.
• Známe to dobře u plynů.
• Pevná tělesa vykazují i délkovou roztažnost. Viz. koleje, mosty a technická řešení
s tím související.
Součinitel délkové teplotní roztažnosti α, jednotka 1/K
∆l = αl0∆t
5
Příklady termika:
Připomenutí: výkon je vlastně rychlost konání práce, čili P=A/t.
Cvičení termika
1. Do 2 dcl nealkoholického nápoje o teplotě 20°C je vhozena ledová kostka o hraně
2,154 cm. Jakou bude mít nápoj teplotu, až se kostka zcela rozpustí? Smísení nápoje
se vzniklou vodou z ledu neuvažujte.
2. Za jak dlouho uvedete 1 l vody k varu na vařiči o výkonu 2000W? Ztráty vedení tepla
a ohřívání nádoby neuvažujte.
3. Proč se člověk potí, když mu je horko?
4. Proč některé cihly, ze kterých se staví domy, obsahují množství dutin?
5. Kolik energie spotřebuje chladnička na vychlazení deseti dvoulitrových limonád
v petlahvích? V okamžiku vložení do lednice mají limonády teplotu 25°C a
vychlazeny mají být na 5°C.
Budete potřebovat: měrná tepelná kapacita vody c=4000 J/kgK, měrné skupenské teplo tání
ledu l=300 000 J/kg (obě hodnoty velmi hrubě zaokrouhleny)
1. Proč vydrží v termosce nápoje dlouho horké?
2. Proč je člověku v mokrých šatech zima?
3. Olověná kulička o hmotnosti m=100g padá z výšky 100m na betonovou silnici. Jak se
změní její teplota?
4. Jak dlouho bude trvat vařiči s výkonem 1000W, než rozpustí 100g ledu o teplotě
-10°C?
5. O kolik se ohřeje 1l vody, když do něj nalijeme 100g olova v kapalném stavu za dobu,
než olovo ztuhne?
Budete potřebovat (přibližné hodnoty):
měrná tepelná kapacita vody: 4000 J/kgK
měrná tepelná kapacita ledu: 2000 J/kgK
měrná tepelná kapacita olova: 130 J/kgK
měrné skupenské teplo tání ledu: 300 kJ/kg
měrné skupenské teplo tání olova: 23 kJ/kg
1. Proč se zdají kovové předměty na dotek chladné?
2. Proč se člověk potí, když mu je horko?
6
3. Ledová kostka o hmotnosti m=10kg se po pádu na betonovou silnici ohřála o 1 stupeň
celsia. Z jaké výšky padala?
4. Jak dlouho bude trvat vařiči s výkonem 2000W, než rozpustí 1kg ledu o teplotě
-10°C?
5. O kolik se ochladí 1dl vody, když do něj vhodíme 100g ledu a počkáme až se zcela
rozpustí?
Budete potřebovat (přibližné hodnoty):
měrná tepelná kapacita vody: 4000 J/kgK
měrná tepelná kapacita ledu: 2000 J/kgK
měrná tepelná kapacita olova: 130 J/kgK
měrné skupenské teplo tání ledu: 300 kJ/kg
měrné skupenské teplo tání olova: 23 kJ/kg
1. Proč se za velkého mrazu nesmí na masivní mosazné kliky u domovních dveří sahat
holou rukou?
2. Proč mokrý obklad příjemně chladí?
3. Olověná kulička o hmotnosti m=20g padá z výšky 20m na betonovou silnici. Jak se
změní její teplota?
4. Jak dlouho bude trvat vařiči s výkonem 1000W, než rozpustí 0,5 kg ledu o teplotě
-10°C?
5. O kolik se ochladí 2dl vody, když do ní vhodíme 100g ledu a počkáme až se zcela
rozpustí?
Budete potřebovat (přibližné hodnoty):
měrná tepelná kapacita vody: 4000 J/kgK
měrná tepelná kapacita ledu: 2000 J/kgK
měrná tepelná kapacita olova: 130 J/kgK
měrné skupenské teplo tání ledu: 300 kJ/kg
měrné skupenské teplo tání olova: 23 kJ/kg
7