Ciepło nie jest nową formą energii, ale jedynie nazwa nadana specjalnej formie wymiany energii, w której uczestniczy ogromna ilość cząstek. Ciepło tak samo jak energia wewnętrzna wyrażana jest w dżulach. Ciepłem Q nazywa się tą część energii wewnętrznej, która przepłynie z jednego ciała do drugiego na skutek występowania między tymi ciałami różnicy temperatur. 1 dżul ( 1J ) jest równy pracy jaką dokonuje siła jednego Newtona na drodze jednego metra; przy założeniu, iż zwrot wpływającej siły jest zgodny ze zwrotem przesunięcia.

1.W wyższej temperaturze zachodzi bardziej intensywny ruch bezładny cząsteczek. 2.Wzrost energii kinetycznej cząsteczek powoduje wzrost temperatury ciała. 3.Jeśli ciała maja taką samą temperaturę, to średnia energia kinetyczna cząstek, z których są zbudowane, dla obu ciał jest taka sama. Temperatura jest miarą energii kinetycznej cząstek materii (atomów, cząsteczek, jonów itp.). Im wyższa jest jej wartość, tym większą średnią energię kinetyczną posiadają cząstki budujące dane ciało. Do określenia temperatury używamy najczęściej skali Celsjusza i skali Kelvina. Kelvin[K] jest jednostką układu SI. Między obiema skalami zachodzą więc następujące zależności:

Temperatura 0[K] to zero absolutne, najniższa możliwa temperatura, w której cząsteczki nie wykonują żadnych drgań. Zero absolutne nigdy nie zostało osiągnięte Zmiana temperatury wyrażona wstopniach Celsjusza jest równa zmianie temperatury wyrażonej w kelwinach ΔT(°C)= ΔT(K). Energia wewnętrzna (U) ciała jest to suma wszystkich rodzajów energii jego cząsteczek. jednostką energii wewnętrznej jest dżul (J)

Cieplny przepływ energii Wzrost energii wewnętrznej jednego z ciał, a zmniejszenie energii wewnętrznej drugiego Wymiana energii kinetycznej miedzy cząsteczkami tych ciał Oddziaływanie między cząsteczkami ciał o różnych temperaturach Przy bezpośrednim kontakcie ciał o różnych E k ruchu cząsteczek (różne temperatury ciał), następuje przekazywanie E k od cząsteczek o jej większej wartości do cząsteczek o mniejszej wartości energii kinetycznej. Jeżeli E K1 > E K2 (T 1 > T 2 ) to proces przebiega od ciała 1 do ciała 2. Proces przekazywania energii trwa tak długo, aż stany energii kinetycznej cząsteczek obu ciał będą jednakowe ( T 1 = T 2 ) Cieplny przepływ energii – proces fizyczny polegający na zderzaniu się cząsteczek ciał o różnej temperaturze, w wyniku czego dochodzi do wyrównania temperatur Ilość energii przekazywaną w cieplnym przepływie energii oznacza się literą Q i nazywa się ciepłem.

Podczas wymiany ciepła nie jest wykonana praca mechaniczna, a przekazywanie energii odbywa się na drodze przewodzenia, konwekcji lub promieniowania Formy wymiany ciepła:  konwekcja - przekazywanie energii w gazach i cieczach przez przemieszczanie się większych ilości cząsteczek, typowym przykładem jest obieg powietrza w pokoju w którym źródło ciepła umieszczone jest na podłodze, nagrzane powietrze uniesie się do sufitu (jest lżejsze niż powietrze chłodniejsze) i zajmie miejsca powietrza chłodniejszego, które opadnie i nagrzeje się,  przewodzenie - ciała pomiędzy którymi zachodzi wymiana ciepła są ze sobą w bezpośrednim kontakcie,  promieniowanie - energia jest przekazywana przez promieniowanie elektromagnetyczne, które może być wytworzone przez drgania elektronów i protonów w innym ciele. Energię wewnętrzną (Ew) można zmienić przez wykonanie pracy lub przez cieplny przepływ energii (Q), albo obydwoma sposobami naraz (przykład: rozgrzane kowadło uderzane młotem).

Zmiana energii wewnętrznej jest równa sumie pracy (W) wykonanej przez układ bądź nad układem i ciepła (Q)dostarczonego lub oddanego przez układ. Umowa dotycząca znaku Jeśli praca lub ciepło są dostarczane do ciała (układu ciał), to są one liczone ze znakiem plus - są dodatnie. Jeżeli są odbierane od ciała (układu ciał), czyli jeśli to ciało/układ wykonuje jakąś pracę, to odpowiednie wartości będą ujemne. Jeśli wzrost energii wewnętrznej ciała odbywa się tylko na skutek pobierania ciepła, to ∆E = Q przykład Podczas prasowania żelazko podgrzało tkaninę energią 200 J, a w wyniku tarcia została do niego dodatkowo dostarczona energia 10 J (zakładamy, że nie było ubytków ciepła). W rezultacie energia wewnętrzna tkaniny wzrosła o: ∆E= Q + W = 200 J + 10 J = 210 J

Przewodniki cieplne – ciała które dobrze przewodzą ciepło. Do najlepszych przewodników należą metale: srebro, miedź aluminium, Dobrym przewodnikiem ciepła jest także diament. Izolator cieplne – ciała, które źle cieplnie przewodzą energię. Dobrymi izolatorami cieplnymi są: tworzywa sztuczne, drewno, szkło, tłuszcze, futro, pierze, próżnia, unieruchomione powietrze. Zastosowanie przewodników i izolatorów: Przewodniki i izolatory będą miały zupełnie inne zastosowania. Wszelkiego rodzaju elementy urządzeń grzewczych wykonamy z materiałów dobrze przewodzących ciepło np. kaloryfer. Wszędzie tam gdzie chcemy zapobiec przewodzeniu stosujemy izolatory np.: w mroźne zimowe dni siedzące nieruchomo ptaki stroszą pióra, aby utworzyć między nimi jak, najgrubszą warstwę powietrza, która stanowi dobrą izolację przed wymianą ciepła z otoczeniem. Eskimosi budują igloo, gdyż własności izolujące lodu nie pozwalają aby ciepło wydostawało się na zewnątrz. Najlepszym izolatorem jest próżnia. W próżni nie ma cząsteczek.

Wiemy, że jedne substancje ogrzewają się szybciej np. ołów, stal, a inne wolniej np woda. Oczywiście związane jest to z ich budową wewnętrzną. Aby dokładnie opisać tą właściwość wprowadzono pojęcie ciepła właściwego. Ciepło właściwe jest to wielkość fizyczna, która informuje nas ile ciepła ( energii) należy dostarczyć, aby ogrzać 1 kg danej substancji o 1 K ( 1 o C) Symbol ciepła właściwego c w Ciepło właściwe wody ma wartość przykład Oznacza to, że aby ogrzać 1 kilogram wody o 1K (1 o C) potrzebne jest dostarczenie energii o wartości 4200 dżuli. Przykładowe wartości ciepła właściwego ołów130 lód2100 tlen916 spirytus2400

 Wiemy, że zmiana temperatury związana jest ściśle z energią kinetyczną cząsteczek. Im wzrost temperatury większy, tym większa wartość dostarczonego ciepła - ∆T  Wiemy, że jedne ciała ogrzewają się łatwiej inne trudniej. Zależy, więc od rodzaju substancji z której wykonane jest ciało – c w  Im większa ilość ogrzewanej substancji, tym więcej energii trzeba dostarczyć - m Ciepło potrzebne do ogrzania ciała o ∆T można obliczyć ze wzoru na ilość ciepła: Q= c w · m·∆T Q– ilość ciepła; c w – ciepło właściwe; ∆T – różnica temperatur; m– masa ciała

Ile energii należy dostarczyć wodzie m=2kg, o temperaturze T 1 =300K, aby podgrzać ją do temperatury T 2 = 350K. Ciepło właściwe wody wynosi: Dane: m = 2 kg Tp = 300K Tk = 350K cw = 4200J/kgK Ew = cw∙m∙∆T ► Ew = cw∙ m∙ (Tk – Tp) Ew = 4200∙2∙(350 – 300) Ew = J przykład Dane: V = 250 ml = 0,25 dm 3 → m = 0,25 kg Tp = 80 o C Tk = 20 o C Cw = 4200 J/kg o C Ile ciepła przekaże do otoczenia 250ml wody to temperaturze 80 ºC pozostawionej w pomieszczeniu o temperaturze 20 ºC do czasu wyrównania się temperatury wody z otoczeniem. Q = cw∙m∙∆T ► Q = cw∙ m∙ (Tp – Tk) Ew = 4200∙0,25∙(80 – 20) Ew =63000J

Bilansem cieplnym nazywamy zasadę zachowania energii cieplnej dla stykających sie ciał o różnej temperaturze, między którymi zachodzi wymiana energii. Jeżeli nie ma wymiany ciepła z otoczeniem (co jest spełnione w dobrze izolowanym kalorymetrze) to ilość ciepła traconego przez ciała o wyższej temperaturze równa jest ilości ciepła pobranego przez ciało o niższej temperaturze. Przy założeniu, że nie zachodzi wymiana energii z otoczeniem tzn. układ jest izolowany. ciepło oddane = ciepło pobrane Q oddane = Q pobrane Przy założeniu, że nie zachodzi wymiana energii z otoczeniem tzn. układ jest izolowany. ciepło oddane = ciepło pobrane Q oddane = Q pobrane przykład Do wanny zawierającej 30l wody o temp. 20 o C dolano 10l wody o temp. 80 o C. Jaka będzie temperatura końcowa wody zmieszanej? Nie bierzemy pod uwagę strat energii na ogrzanie otoczenia. Dane: V 1 = 30l = 30dm 3 ; T 1 = 20 o Cszukane: T k = ? m= d∙V → m 1 = 30kg; m 2 = 10 kg V 2 = 10l = 10 dm 3 ; T 2 = 80 o C d wody = 1kg/dm 3 Q 1 = cw∙m 1 ∙(T k –T 1 ) ---- ciepło pobrane c w = 4200J/kg o CQ 2 = cw∙m 2 ∙( T 2 –T k ) ----ciepło oddane Q 1 = Q 2

cw∙m 1 ∙(T k –T 1 ) = cw∙m 2 ∙( T 2 –T k ) |: c w m 1 (T k –T 1 ) = m 2 (T 2 – T k ) → m 1 T k – m 1 T 1 = m 2 T 2 –m 2 T k ( wyznaczamy Tk) Odp. Końcowa temperatura wody to 35 o C.

Kalorymetr to przyrząd laboratoryjny do pomiaru ciepła wydzielanego lub pobieranego podczas procesów fizycznych. i chemicznych. Wykorzystywany jest przede wszystkim do wyznaczania ciepła właściwego cieczy i ciał stałych, ciepła topnienia i ciepła parowania Najprostszy kalorymetr, tzw. "szkolny" składa się z dwóch naczyń, wykonanych najczęściej z aluminium, umieszczonych jedno wewnątrz drugiego. Wewnętrzne naczynie spoczywa na drewnianej podstawce (drewno jest dobrym izolatorem), a od góry przestrzeń między naczyniami zakrywa pokrywka, gdyż uwięzione powietrze pełni rolę izolatora. W przykrywce wewnętrznego naczynia są dwa otwory: z jednego wystaje mieszadło umożliwiające wyrównanie temperatur ciał w kalorymetrze, do drugiego można włożyć termometr. Tego rodzaju kalorymetr jest skuteczny gdy zmiany temperatury układu są duże i można go stosować wyłącznie do układów ciekłych. W laboratoriach wykorzystuje się kalorymetry o bardzo dużej dokładności i dobrze izolowane, często połączone z komputerem.

Ciepło może również być wymieniane bez zmiany temperatury ! Prześledźmy proces topnienia lodu. Lód będzie powoli topniał, pobierając ciepło z otoczenia i tym samym powodując zmniejszenie jego temperatury. Po stopieniu ostatniej drobiny lodu okazuje się, że powstała woda ma również temperaturę identyczną z lodem, który topił się. ( temperatura topnienia – temperatura krzepnięcia) Cóż więc stało się z energią powietrza oddanego topniejącej bryłce lodu? Nie nastąpiło zwiększenie średniej energii kinetycznej cząsteczek wody Wraz z przejściem lodu w wodę, zmienił się układ cząsteczek wewnątrz substancji. Cząsteczki lodu tworzyły uporządkowaną sieć krystaliczną. Porządek został zniszczony, wbrew siłom chcącym znów zbliżać cząstki do siebie i połączyć je w zwartą sieć. Oddalenie cząstek i ich „oswobodzenie” wymagało dostarczenia sporej ilości energii, która została następnie, po rozerwaniu sieci, zmagazynowana w formie potencjalnej energii. W czasie topnienia temperatura ciała jest stała, ponieważ dostarczona energia zostaje zużyta na wykonanie pracy związanej ze zmianą skupienia. Ilość energii pobrana przez ciało podczas topnienia jest równa ilości energii oddanej podczas krzepnięcia. (Zgodnie z zasadą zachowania energii) W czasie topnienia temperatura ciała jest stała, ponieważ dostarczona energia zostaje zużyta na wykonanie pracy związanej ze zmianą skupienia. Ilość energii pobrana przez ciało podczas topnienia jest równa ilości energii oddanej podczas krzepnięcia. (Zgodnie z zasadą zachowania energii)

Ciepło topnienia to ilość energii potrzebna do stopienia 1 kg substancji w temperaturze topnienia różne (dla różnych substancji) Ciepło krzepnięcia (równe ciepłu topnienia) czyli ilość energii oddawana podczas krzepnięcia 1 kg substancji ( w temperaturze krzepnięcia). Ciepło parowania (w temperaturze wrzenia) to energią potrzebna do wyparowania 1 kg cieczy Ciepło skraplania jest równe ciepłu parowania w danej temperaturze ciepło potrzebne do stopienia ciała (bez zmiany temperatury) Qt= c t · m1.Q t – ilość ciepła; 2.c t – ciepło topnienia; 3.m– masa ciała ciepło oddane przez ciało krzepnące (bez zmiany temperatury) Qk= c k · m1.Q k – ilość ciepła; 2.c k – ciepło krzepnięcia; 3.m– masa ciała; (c k = c t ) ciepło potrzebne do zmiany cieczy w parę (bez zmiany temperatury) Qp= c p · m1.Q p – ilość ciepła; 2.c p – ciepło parowania; 3.m– masa cieczy ciepło oddane przez parę pod- czas skraplania (bez zmiany temperatury) Qs= c s · m1.Q s – ilość ciepła; 2.c s – ciepło skraplania; 3.m– masa pary; (c s = c p )

Oblicz ilość ciepła, które należy dostarczyć 1 litrowi wody o temperaturze 20°C, by się zagotowała, a następnie wyparowała. Dla wody ciepło parowania w temp. wrzenia wynosi: J/kg Dane: m=1kg T 1 =20stopni C T 2 =100 stopni C cw=4200 J/ kg o C cp= J/kg szukane: Q 1 =? Q 1 =ilość ciepła potrzebna do ogrzania wody do temperatury wrzenia Q 2 =? Q 2 = ilość ciepła potrzebna do wyparowania wody Q = Q 1 + Q 2 Q 1 =cw∙m∙∆T Q 1 =4200 J/kg o C ∙1 kg ∙ 80 o C Q 1 = J=336kJ Q 2 =c p ∙m Q 2 = J/kg ∙ 1 kg Q 2 = J=2258 kJQ1 +Q2 = 2594 J Należy dostarczyć 2594 J energii. przykład

Wielkość fizyczna OkreślenieSymbol/ wzór JednostkaUwagi Energia wewnętrzna Suma energii kinetycznych i potencjalnych cząstek z których składa się ciało EwEw dżul (J)Energię wewnętrzną ciała można zmienić, wykonując nad nim pracę (np. sprężając gaz) lub dostarczając mu ciepło Ilość ciepłaJest to ta energia, która przepływa od ciała o wyższej do ciała o niższej temperaturze Q=c w ∙m∆Tdżul (J)Ciepło może być przekazywane na trzy sposoby, przez przewodnictwo, przez konwekcję i przez promieniowanie Ciepło właściwe Jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania jednostki masy substancji o jeden Kelwin c w = Q/m∆Tdżul na kilogram i Kelwin (J/kg*K) Ciepło właściwe wody wynosi 4200 J/(kg∙K) TemperaturaJest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek tworzących ciało TKelwin (K) lub stopień Celsjusza (°C) 0 °C = 273 K Energia wewnętrzna przekazywana jest zawsze z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Przekazywanie energii ustaje, gdy wyrównają się temperatury ciał.

Ciekawostka → Dlaczego ogień parzy? Drobiny płomienia uderzają w znajdujące się na ich drodze ciała (na przykład nasz palec) z tak dużą prędkością, że odczujemy je jak ukłucia igłą.