Własności cieplne materii Ciepło – sposób przekazywania energii między ciałami Temperatura – parametr określający stan ciała zależy od średniej energii kinetycznej molekuł, z których zbudowane jest ciało W T=0K zamiera bezładny, translacyjny ruch cząsteczek.

zakres prędkości m/s ułamek w % cząsteczek azotu z prędkościami o wartościach w podanym zakresie oddo291 K421 K Rozkład prędkości cząsteczek azotu w różnych temperaturach

N2N2 Pęd cząsteczki azotu Ciężar człowieka o masie 70 kg

Helowa reakcja termojądrowa 10 8 Wnętrze Słońca10 7 Powierzchnia Słońca 6  10 3 Topnienie wolframu 3,6  10 3 Topnienie ołowiu 6  10 2 Zamarzanie wody 2,7  10 2 Skraplanie tlenu 9  10 1 Skraplanie wodoru 2  10 1 Skraplanie helu ( 4 He)4,2 Skraplanie helu ( 3 He) przy najniższym osiągalnym ciśnieniu 3  Adiabatyczne rozmagnesowanie soli paramagnetycznych Adiabatyczne rozmagnesowanie jąder atomowych10 -6 Niektóre temperatury [K]

Pomiar temperatury Termometr – dowolny układ makroskopowy do mierzenia temperatury: parametr termometryczny układu zmienia się dostatecznie szybko, gdy układ traci lub pobiera energię jest znacznie mniejszy niż układy, które badamy przy jego pomocy termometr pokazuje własną temperaturę = temperaturze badanego ciała. Wskazania będą błędne, jeśli będzie dodatkowe źródło ciepła, np. promienie słoneczne

termometrParametr termometryczny X cieczowy – rtęć lub alkoholwysokość słupa cieczy gazowy o stałej objętościciśnienie gazowy o stałym ciśnieniuobjętość oporowyoporność termoparasiła termoelektryczna itd

oporność metali

oporność półprzewodnika

Rozszerzalność cieplna Amplituda drgań ~ cm, częstość ~ Hz. Przy wzroście temperatury rośnie odległość między atomami. kryształ NaCl

Zmiana wymiaru liniowego ciała – rozszerzalność liniowa  ·10 -6 [K -1 ] aluminium23 arsen6 kobalt12.6 żelazo12.5 potas84 srebro20 porcelana4 stal13 diament1 długość w temperaturze t długość w temperaturze t =0 ºC

Bimetal – element termostatu

Zmiana objętości ciała – rozszerzalność objętościowa. Dla ciał izotropowych współczynnik rozszerzalności objętościowej objętość w temperaturze t objętość w temperaturze t =0 ºC

Gęstość ciał Gęstość ciał maleje z temperaturą ogrzane ciecze i gazy unoszą się do góry, siła wyporu staje się mniejsza – większe zanurzenie

Ciało stałe zanurzone w cieczy po ogrzaniu objętość ciała stałego rośnie gęstość cieczy maleje siła wyporu maleje

Rozszerzalność wody t [ºC]  ·10 -4 [1/K] Wartości współczynnika rozszerzalności wody

[03-16] Współczynnik rozszerzalności objętościowej wody β. poprzednia stronapoprzednia strona spis całości spis rozdziału następna stronaspis całościspis rozdziałunastępna strona Maleje objętość – rośnie gęstość od 0 do 4°C Woda z powierzchni opada na dno po oziębieniu do 4°C!

sarin wodór 1 cm 3 gazu cząsteczek.

Do ogrzania masy m danej substancji o  T należy dostarczyć ciepło Ciepło właściwe ilość ciepła potrzebna do podgrzania 1kg danej substancji o 1K. Kalorymetria Pojemność cieplna

Ciepło właściwe J/(kgK) Ciepło topnienia J/kg Ciepło parowania J/kg aluminium89532·10 4 miedź39522·10 4 platyna ·10 4 woda · ·10 5 benzen · ·10 4 rtęć · ·10 4

Ciepło przemiany fazowej – ciepło utajone topnienie (krzepnięcie) parowanie (skraplanie)

Przemiany fazowe ciało stałe ciecz topnienie krzepnięcie ciecz gaz parowanie (wrzenie) skraplanie ciało stałe gaz sublimacja resublimacja

gazcieczciało stałe Co to jest przejście fazowe?

Temperatury topnienia (krzepnięcia) rtęć- -39ºC wolfram ºC żelazo ºC ołów- 327 ºC naftalen- 80 ºC parafina ºC alkohol etylowy- -117,3 ºC alkohol metylowy- - 97,8 ºC Temperatura topnienia zależy od ciśnienia rośnie gdy rośnie

woda lód topnienie krzepnięcie

ciepło Q temperatura T Krzywa topnienia ciał amorficznych – szkieł Ciała bezpostaciowe – szkło, smoła – stopniowo miękną, przechodzą w ciecz o coraz mniejszej lepkości

Parowanie i wrzenie Parowanie jest szybsze gdy: jest wyższa temperatura, większa powierzchnia, ruch powietrza (wiatr). Energia potrzebna do odparowania cieczy może pochodzić od samej cieczy lub otoczenia

Temperatury wrzenia – ciśnienie (1000hPa), temperatura 20ºC woda- 100 ºC aceton- 57 ºC alkohol etylowy- 78,3 ºC alkohol metylowy- 64,7 ºC gliceryna- 291 ºC rtęć- 356,9 ºC azot (ciekły)- -195,8 ºC

Temperatura wrzenia cieczy zależy od ciśnienia p [hPa] t w [°] ,10 Objętość wody w stanie ciekłym jest mniejsza niż w stanie stałym dla wody

Punkt potrójny – dla wody 6,1 hPa, 0,01°C Suchy lód – zestalony CO 2, temp. sublimacji -78,5°C 1 dm 3 CO 2 sublimuje w temperaturze pokojowej ok. 2 – 3 godz.

Roztwory Woda morska (3,5% soli) – t w = 100,6°C, t k = -2°C Temperatura krzepnięcia nasyconego roztworu NaCl - -21°C Podczas wrzenia i krzepnięcia roztworów w stan gazowy/stały przechodzi rozpuszczalnik – góry lodowe nie są słone!

Skraplanie gazów Skraplanie gazów – zwiększanie gęstości przez obniżanie temperatury lub sprężanie Punkt C – powyżej temperatury krytycznej T C substancja nie przechodzi w fazę ciekłą gęstość cieczy > gęstości gazu Temperatury krytyczne tlen ºC azot- -147ºC wodór ºC hel- -267,9 ºC Wróblewski i Olszewski Uniwersytet Jagielloński 1883 r

Energia wewnętrzna Każdy makroskopowy układ fizyczny posiada pewien zasób energii wewnętrznej. Każdej pracy wykonanej przez układ lub pracy wykonanej nad układem przez siły zewnętrzne towarzyszy zmiana stanu układu – zmiana energii wewnętrznej. Energia wewnętrzna układu znajdującego się w kontakcie termicznym z innym układem również ulega zmianie. Zmiana energii wewnętrznej układu praca wymiana ciepła

Energia wewnętrzna to: energia kinetyczna ruchu cieplnego cząsteczek energia kinetyczna – rotacje, oscylacje, itp. energia potencjalna oddziaływania cząsteczek oraz wszelkie inne rodzaje energii. Różny od pracy sposób wymiany energii nazywa się wymianą energii na sposób ciepła.

Doświadczenie Joule’a James Prescott Joule ( ) naczynie kalorymetryczne z wodą (rtęcią), mieszadło – skonstruowane tak, by opór przy mieszaniu był duży izolacja cieplna – układ adiabatyczny, układ napędzający mieszadło, ciężar wykonujący pracę w polu grawitacyjnym, termometr Z określonej ilości pracy otrzymuje się zawsze taką samą ilość ciepła.

Taki sam efekt można osiągnąć dostarczając do układu energię na sposób ciepła obydwa sposoby wymiany energii są sobie równoważne. Sumaryczna energia Wszechświata jest stała nie można jej tworzyć lub niszczyć a jedynie przekazywać między układami (H. Helmholtz, )

Transport ciepła przewodzenie konwekcja promieniowanie

przewodzenie ciepła Współczynniki przewodnictwa cieplnego k [Wm -1 K -1 ] miedź aluminium- 240 żelazo- 80 drewno, beton, powietrze, woda, tkanki człowieka (w tym tłuszczowa – k < 1

Konwekcja - unoszenie Dla ciała ludzkiego współczynnik konwekcji b  7 Wm -2 K -1

Promieniowanie Prawo Stefana-Boltzmanna

Termosy – nie ma przewodnictwa i konwekcji, ścianki metaliczne odbijają promieniowanie Dewar - naczynie o podwójnych ściankach z wypompowanym powietrzem do przechowywania, transportu skroplonych gazów: tlenu, azotu, argonu, helu itp. Wynaleziony w 1892 przez brytyjskiego fizyka Jamesa Dewara

Energetyka organizmów Źródło energii – utlenianie spożywanych produktów produkty spożywcze przetwarzanie (układ pokarmowy) łączenie z tlenem (w obecności enzymów) Proces odbywa się etapami – na każdym jest wyzwalana energia

Podstawowe produkty węglowodany białka tłuszcze

Wartości energetyczne węglowodany i białka – ok. 17,5·10 6 J/kg tłuszcze - ok. 39·10 6 J/kg Organizm prawie w całości wykorzystuje ciepło spalania węglowodanów i tłuszczów – są źródłem energii, przekształcanie białek – pochłania 30% ich energii – są materiałem budulcowym Wypoczynek – 90% energii organizm uzyskuje z tłuszczów, praca fizyczna – 60 % intensywny wysiłek – 30% źródłem energii neuronów jest glukoza.

Proces przemiany energii (I zasada termodynamiki) W – „zewnętrzna” praca organizmu, którą wykonuje człowiek Q – powstające ciepło, w większości wydalane z organizmu Ciepło powstaje podczas pracy „wewnętrznej” organizmu: tworzenie wiązań w białkach transport wewnętrzny – krążenie, oddychanie, transport jonów, powstawanie impulsów nerwowych, skurcze mięśni. Podczas pracy wewnętrznej pokonywane są opory – np. związane z lepkością – wydziela się ciepło – utrzymywana jest stała temperatura

Wydajność organizmu zewnętrzna praca mechaniczna energia chemiczna z pożywienia nie przekracza 30%. Człowiek zużywa energię nawet nie wykonując pracy zewnętrznej. Szybkość zużywania energii potrzebnej do podtrzymania funkcji biologicznych – nazywa się podstawowym tempem metabolizmu. Średnia jego wartość 1,2 W na 1 kg wagi młodego mężczyzny 1,1 W na 1 kg wagi młodej kobiety.

Człowiek o średniej masie zużywa energię w tempie: 80 J/s - podczas snu, 150 J/s- w dzień, bez aktywności fizycznej (40 W mózg) Przyjmując średnie dobowe podstawowe tempo metabolizmu 115 W otrzymamy dobowe minimalne zużycie energii 115·24·3600 = ≈ 9,9 MJ 1 J = 0,24 cal 9,9 MJ = 9,7·0,24 cal = 2,376 ·10 6 cal = 2376 kcal

Podczas wykonywania różnych czynności tempo metabolizmu – ΔU/Δt – wzrasta o: 7,7 W/kg- powolna jazda na rowerze, 11 W/kg- pływanie, 18 W/kg- intensywny krótki bieg, W trakcie intensywnego wysiłku człowiek zużywa energię z szybkością 1000 W, z czego 100 W na pracę zewnętrzną. Większa część pokrywa zwiększone zapotrzebowanie organizmu, np. na pracę mięśni. Można określić wydajność organizmu człowieka o masie m podczas pracy

Wydajności te są równe: 3 – 10% - praca łopatą, podnoszenie ciężarów, 25 – 30%- jazda na rowerze, wchodzenie pod górę. Szybkość wykonywania pracy zależy od czasu jej trwania: ponad 20 W/kg – przy wysiłkach krótkich (finisz biegu), przy długotrwałej pracy powinno być mniejsze od 4 W/kg.

Energia uzyskiwana ze spalania produktów służy do syntezy ATP – adenozynotrifosforanu, w którym jest magazynowana energia chemiczna potrzebna do funkcjonowania organizmu. ATP – akumulator energii P. Boyer, J. Walker, 1997, nagroda Nobla z chemii za wyjaśnienie podstaw procesów komórkowych dotyczących przemian energetycznych z wykorzystaniem ATP. ATP to: zasada azotowa (adenina), cukier (ryboza), 3 połączone kwasu fosforowego.

Zawartość ATP w organizmie człowieka wynosi kilkadziesiąt gramów, dobowe zużycie – przy braku dużej aktywności fizycznej – nawet 40 kg. resynteza ATP z ADP – po dostarczeniu energii z procesów spalania produktów pokarmowych. Odłączenie ostatniej reszty kwasu fosforowego, przy udziale wody, daje ADP (adenozynodifosforan), przy czym wydziela się energia 29,3 kJ/mol – reakcja egzoenergetyczna.

Regulacja temperatury w organizmie człowieka Temperatura wpływa na przebieg procesów fizycznych i chemicznych lepkość, gęstość, szybkość reakcji chemicznych. temperatura otoczenia  temperatura człowieka Źródłem ciepła w organizmie są procesy przemiany materii.

Wartość podstawowego tempa metabolizmu W m = 1,2 W na 1 kg m = 70 kg W = 1,2 ·70 = 84 W Energia wytworzona w ciągu 1 godziny E = 84·3600  302 kJ Przy intensywnej pracy energia jest dużo większa!!! Zapobieganie przegrzaniu organizmu przekazanie ciepła do otoczenia głównie konwekcja, promieniowanie, odparowanie wody ze skóry

Przewodzenie ciepła ma istotne znaczenie gdy człowiek znajduje się w wodzie. Ciepło parowania wody w temp. ciała = 2,4·10 6 J/kg, przy intensywnym wysiłku człowiek może odparować ponad 1 kg potu w ciągu godziny. Sposoby oddawania ciepła do otoczenia: niska temperatura otoczenia (20ºC) – promieniowanie wyższa temperatura (30º) – rośnie udział konwekcji (szczególnie parowania wody) temp. człowieka = temperaturze otoczenia – ustaje konwekcja i promieniowanie, pozostaje parowanie wody

Wilgotność powietrza Para w stanie równowagi z cieczą – para nasycona W atmosferze znajduje się para wodna – wilgotność wilgotność względna – stosunek ilości pary wodnej znajdującej się w danej temperaturze w określonej ilości powietrza do ilości pary, która nasyciłaby powietrze o tej samej temperaturze i objętości

Wilgotność powietrza odgrywa ważną rolę : przy produkcji i przechowywaniu artykułów (przędza, papier, ziarno, zbiory muzealne), decyduje o zjawiskach atmosferycznych (deszcz, rosa, mgła, chmury), wpływa na funkcjonowanie organizmu (pocenie się, regulacja temperatury) Punkt rosy – temperatura, przy której podczas oziębiania rozpoczyna się proces skraplania pary wodnej. Niższa temperatura – mniej pary wodnej w powietrzu do osiągnięcia stanu nasycenia.

Najbardziej sprzyjająca człowiekowi jest wilgotność 60%. Lepszy jest klimat gorący i suchy niż gorący i wilgotny. Temp. otoczenia ok. 20ºC tracenie ciepła przez: - konwekcję – 25% do 50 % przy wietrze - promieniowanie – 50% do 70% przy niższej temp. - parowanie wody – 25% do 100% przy upalnej pogodzie. ciepło z wewnętrznych narządów jest dostarczane do warstwy powierzchniowej organizmu jest przenoszone przez krew

W wyższej temperaturze - rozszerzenie podskórnych naczyń krwionośnych – przyspiesza dostarczanie ciepła z organów wewnętrznych Wzrasta obwodowy przepływ krwi, przepływ wewnętrzny osłabiony – niedokrwienie i omdlenie. Zbyt szybkie parowanie – odwodnienie organizmu Niebezpieczne odwodnienie 7-8% ciężaru ciała – wzrasta gęstość krwi, zakłócona praca nerek, wydzielania śliny. Z potem wydzielana jest sól – zmiany w dystrubucji płynów ustrojowych.

Bardzo niskie temperatury zmniejszenie strat ciepła - kurczenie powierzchniowych naczyń krwionośnych, zwiększenie szybkości wytwarzania ciepła (drżenie mięśni, wzrost szybkości metabolizmu) Ośrodek termoregulacji – w części mózgu – podwzgórzu podwzgórze przednie – reaguje na temperaturę krwi i uruchamia mechanizm usuwania ciepła, podwzgórze tylne – reaguje na obniżenie temperatury przez receptory w skórze i uruchamia procesy zachowania ciepła

Krioterapia (-160ºC) – powoduje przyspieszenie wypromieniowywanie ciepła z organizmu – zwiększa się wydzielanie hormonów, np. adrenaliny – ustaje uczucie bólu, można zwiększyć intensywność rehabilitacji. Wpływ temperatury wewnętrznej na funkcjonowanie organizmu Temperatura człowieka – 36ºC - 38 ºC większe zmiany – zakłócenie w funkcjonowaniu organizmu niebezpieczne – powyżej 41 ºC lub poniżej 33 ºC – zakłócenie funkcjonowania mechanizmu termoregulacji powyżej 42 ºC lub poniżej 30 ºC – mechanizm może być wyłączony

Wzrost temperatury do 44 ºC - 45 ºC – upłynnienie błon komórkowych, denaturacja niektórych białek – są to zmiany nieodwracalne, Obniżenie temperatury poniżej 28 ºC – zakłócenie pracy serca, zmniejszenie aktywności enzymów regulujących przemianę materii Temperatura wewnętrzna najszybciej obniża się na powierzchni organizmu – odmrożenia stóp, dłoni, twarzy. Temperatura poniżej 27 ºC – może doprowadzić do ustania funkcji organizmu