Teplota a teplo

Teplota a nultý zákon termodynamiky

Je-li systém A v tepelné rovnováze s C a systém B také s C, mají A a B stejnou teplotu. To je praktický základ teploměru.

Teplota není jednoduše celková vnitřní energie. Dva systémy mohou mít stejnou teplotu a přesto velmi odlišnou vnitřní energii kvůli hmotnosti, složení a stupňům volnosti.

Kelviny a stupně Celsia

Kelvinova stupnice má stejně velký krok jako stupnice Celsia: rozdíl 1 K odpovídá rozdílu 1 °C. Hodnoty spojuje T(K) = t(°C) + 273,15.

V termodynamických rovnicích, kde vystupuje absolutní teplota — například v rovnici ideálního plynu — je nutné používat kelviny, nikoli stupně Celsia.

Ohřívání bez změny skupenství

Neprobíhá-li změna skupenství a měrná tepelná kapacita je přibližně konstantní, lze použít Q = mcΔT. c je měrná tepelná kapacita materiálu.

Znaménko Q závisí na konvenci. V běžné termodynamické konvenci Q > 0 znamená energii přenesenou do systému. Vztah sám neříká, odkud energie přišla.

Skupenské přeměny

Při tání nebo varu může energie proudit bez změny teploty, protože mění uspořádání a interakce částic. Pak používáme Q = mL.

L je měrné skupenské teplo pro daný děj a podmínky. Celý proces ohřívání může mít několik kroků: mcΔT, potom mL a poté znovu mcΔT v nové fázi.

Tři mechanismy přenosu energie

Vedení přenáší energii mikroskopickými interakcemi v materiálu, proudění souvisí s pohybem hmoty v tekutině a elektromagnetické záření může přenášet energii i vakuem.

V reálném systému často působí všechny mechanismy současně. Kovová lžíce vede energii, kapalina proudí konvekcí a povrchy současně vyzařují i absorbují záření.

Mikroskopický význam teploty

V jednoduchém plynu souvisí teplota statisticky s rozdělením energie pohybu částic. V pevných látkách a molekulách přispívají také vibrace, rotace a interakce.

Tvrzení „teplota je kinetická energie“ je proto jako obecná definice příliš hrubé. Teplota je stavová veličina s přesnou termodynamickou rolí a mikroskopická interpretace závisí na systému.

Energetická bilance mezi tělesy

Když jsou dvě izolovaná tělesa s různou teplotou v tepelném kontaktu, energie ztracená teplejším tělesem se rovná energii získané chladnějším, zanedbáme-li okolí. Konečná teplota plyne z energetické bilance, ne z prostého průměru teplot.

Obyčejný průměr vyjde jen ve zvláštním případě stejných tepelných kapacit. Liší-li se hmotnosti nebo měrné tepelné kapacity, rovnovážná teplota se posune k tělesu s větší tepelnou kapacitou mc.

Řešené příklady

1. 0,50 kg vody o 20 K

2. Tání ledu

3. 20 °C v kelvinech