Text Úloha Prolblém Aplikace Domů
Text

Teplo je forma energie, která souvisí s neuspořádaným pohybem molekul. Kdykoliv se těleso zahřívá, přebírá tak tepelnou energii jiného tělesa (jiných těles) z okolí. Vzrůst energie v ohřívaném tělese se pak projeví zvýšením jeho teploty, anebo změnou skupenství látky. Měřením tepla se zabývá kalorimetrie; teplo se měří speciálním zařízením, tzv. kalorimetrem. Teplo je skalární fyzikální veličina, jeho jednotkou měření je v soustavě SI joule (starší, dosud užívanou jednotkou je kilokalorie 1 kcal = 4186,8 J). Joule experimentálně dokázal, že při všech dějích, kdy se určitá forma energie mění na teplo, platí zákon zachování energie. V izolované soustavě tedy zůstává při všech dějích součet všech energií stálý. Teplo je ta část změny vnitřní energie, která nemá povahu ani mechanické práce, ani chemické práce, jde o energii, kterou systém vymění (tj. přijme nebo odevzdá) při styku s jiným systémem jiné teploty. Teplo je fyzikální veličinou popisující termodynamický děj (posloupnost stavů systému), nikoli veličinou stavovou, popisující stav jediný.

Teplota charakterizuje tepelný stav tělesa, rovněž souvisí mikrofyzikálně s pohybem molekul. Rozdíl teplot ve dvou různých místech tělesa vyvolává pohyb (vedení) tepla. Protože teplo ani teplota nejsou přímo spolehlivě pozorovatelné vizuálně nebo akusticky, měří se nepřímo pomocí srovnávání přímo pozorovatelných změn (mechanických, elektrických, optických apod.) se změnami tepelnými. Teplota je skalární fyzikální veličinou a její jednotkou je kelvin (dosud užívanými jednotkami jsou stupeň Celsia a stupeň Fahrenheita).

Definujte Celsiovu teplotní stupnici a srovnejte ji s teplotní stupnicí termodynamickou!

Celsiova teplota t je teplota vyjádřená v Celsiově stupnici.Tato stupnice má dva základní stavy: 0 °C za rovnovážného stavu chemicky čisté vody a jejího leduza normálního tlaku 101 325 Pa; 100 °C za rovnovážného stavu chemicky čisté vody a její sytépáry za normálního tlaku 101 325 Pa.

Převodní vztahy mezi Celsiovou a Kelvinovou teplotní stupnicí:

Velikost tepla Q lze obecně formulovat pomocí empirického fyzikálního vztahu

kde C je tepelná kapacita tělesa (pevného, kapalného nebo plynného) jako teplo potřebné k ohřátí tohoto tělesa o 1 teplotní stupeň.

V případě pevného a kapalného tělesa je velikost tepla Q dána

V případě plynného tělesa je velikost tepla Q dána

kde užitými parametry jsou:

m … hmotnost pevného nebo kapalného tělesa [kg],

c … materiálový součinitel měrná tepelná kapacita (starším termínem měrné teplo), tj. teplo potřebné k ohřátí 1 kg látky o 1°C [J ];

DT … rozdíl počáteční teploty T1 a koncové teploty T2, tj. DT = T2 – T1 [K];

n … látkové množství plynu [mol];

Cm… molární tepelná kapacita (molární teplo) jako teplo potřebné k ohřátí 1 molu látky o 1 teplotní stupeň (je třeba konkretizovat děj, při jakém se látka ohřívá, např. měrná tepelná kapacita plynu za stálého objemu nebo za stálého tlaku).

K vyvolání přechodu složky z jedné skupenské fáze do jiné je zapotřebí dodat látce (nebo naopak látce odebrat) určité množství tepla. Toto množství tepla se nazývá skupenské teplo. Množství tepla, které je nutné přidat či odebrat 1 kilogramu látky se nazývá měrné skupenské teplo. Množství tepla, které je nutné přidat (nebo naopak odebrat) 1 molu látky se nazývá molární skupenské teplo.

Velikost skupenského tepla L je dána empirickým vztahem

kde l je materiálový koeficient měrné skupenské teplo [J·K-1].

Při ohřevu (ochlazování) dané látky za určitého tlaku dochází k tání-tuhnutí, vypařování-kondenzaci, sublimaci-resublimaci, aniž by se měnila dosažená teplota dané látky. Průběžně dodávané (odebírané) teplo se totiž nutně spotřebuje na změnu vazeb mezi částicemi struktury dané látky.

Úloha

Verbální zadání:

Ocelový odlitek hmotnosti 20 kg se ohřál z teploty 20°C na kovací teplotu 820°C, přičemž teplotní interval 800 až 830°C odpovídá barvě světle třešňově červené (teploty ohřevu jsou barvy, kterými „svítí“ ohřívaná ocel ve výhni, jde o tenkou průhlednou vrstvičku oxidů, která se vytváří na čerstvě obroušeném povrchu oceli při ohřevu na vzduchu, a to vnějším nebo vnitřním teplem). Urči teplo, které odlitek přijal.

Matematizované zadání:

m = 20 kg; t2 = 820°C; t1 = 20°C; c = 450 J·kg-1·K;

Q = ?

Fyzikální vztahy jako návod pro řešení:

Q = m·c·Dt

Obecný a konkrétní výsledek:

Q = m·c·(t2 - t1) Þ Q = 7 200 kJ

Odpověď:

Ocelový odlitek přijal teplo 7 200 kJ, a to odpovídající jeho hmotnosti. Nejvyšší teplota ohřevu nesmí překročit určitou výši, aby se ocel nepřehřála, nebo nespálila. Kovací teploty se volí podle druhu oceli, teplotu pro kování volíme co nejvyšší, aby přetvárný odpor oceli byl co nejmenší. Technologický postup záleží vždy na účelu, k jakému je ocelový výrobek určen.

Problém

Verbální zadání:

Odlište dodávání a odebírání tepla tělesu od tzv. vedení tepla pro tyč určitého materiálu daných geometrických rozměrů za určitý čas.

Návod řešení:

Nemá-li těleso ve všech místech stejnou teplotu, dochází k vyrovnávání teplot v důsledku kinetické energie jeho částic (molekul). Děj vyrovnáváni teplot v tělese vzájemným působením částic (molekul) se nazývá vedení tepla. Šíření tepla vedením se uskutečňuje především v pevných tělesech, zatímco v kapalinách a plynech pouze za jistých podmínek (např. zahřívá-li se vodorovná vrstva kapaliny nebo plynu shora, aby se neuplatňovala tzv. konvekce nebo radiace).

Závěr:

Teplo Q, které projde libovolným kolmým průřezem S tyče o délce d za dobu τ, je dáno empirickým Fourierovým zákonem

 

přičemž l je materiálový součinitel tepelné vodivosti (tepelná vodivost),

t2 - t1  je teplotní rozdíl mezi stěnami desky.

Aplikace

Výpočty potřeby tepla pro vytápění a ohřev teplé vody, resp. tepelného výkonu výměníku tepla v souvislosti s ekonomickými náklady.

V současnosti rozdělujeme teploměry podle funkčního principu na:

  • kapalinové - využívají teplotní roztažnosti teploměrné kapaliny (rtuťové, lihové, apod.);
  • bimetalové - využívají bimetalový pásek složený ze dvou kovů s různými teplotními součiniteli délkové roztažnosti, přičemž při změně teploty se pásek ohýbá a tento ohyb se přenáší na ručku přístroje;
  • plynové - využívají závislost tlaku plynu na teplotě při stálém objemu plynu, popř. závislost objemu plynu na teplotě při stálém tlaku;
  • odporové - využívají závislost elektrického odpor vodiče nebo polovodiče na teplotě (speciální součástka, která slouží i k teplotně závislé regulaci se nazývá termistor);
  • termoelektrické (termočlánky) - využívají termoelektrický jev, kdy se změnou teploty spoje dvou různých kovů mění vzniklé termoelektrické napětí;
  • polovodičové - využívají závislosti charakteristik polovodičového prvku na teplotě;
  • radiační infračervené k měření vysokých teplot, využívají fyzikální zákony tepelného záření.