Teplota a teplo

Teplota a nultý zákon termodynamiky

Ak je systém A v tepelnej rovnováhe s C a systém B tiež s C, majú A a B rovnakú teplotu. To je praktický základ teplomera.

Teplota nie je jednoducho celková vnútorná energia. Dva systémy môžu mať rovnakú teplotu a pritom veľmi odlišnú vnútornú energiu pre rozdielnu hmotnosť, zloženie a stupne voľnosti.

Kelviny a stupne Celzia

Kelvinova stupnica má rovnako veľký krok ako stupnica Celzia: rozdiel 1 K zodpovedá rozdielu 1 °C. Hodnoty spája T(K) = t(°C) + 273,15.

V termodynamických rovniciach, kde vystupuje absolútna teplota — napríklad v rovnici ideálneho plynu — treba používať kelviny, nie stupne Celzia.

Ohrievanie bez zmeny skupenstva

Ak neprebieha zmena skupenstva a merná tepelná kapacita je približne konštantná, môžeme použiť Q = mcΔT. c je merná tepelná kapacita materiálu.

Znamienko Q závisí od konvencie. V bežnej termodynamickej konvencii Q > 0 znamená energiu prenesenú do systému. Vzťah sám nehovorí, odkiaľ energia prišla.

Skupenské premeny

Pri topení alebo vare môže energia prúdiť bez zmeny teploty, pretože mení usporiadanie a interakcie častíc. Vtedy používame Q = mL.

L je merné skupenské teplo pre daný dej a podmienky. Celý proces ohrievania môže mať viac krokov: mcΔT, potom mL a potom znovu mcΔT v novej fáze.

Tri mechanizmy prenosu energie

Vedenie prenáša energiu mikroskopickými interakciami v materiáli, prúdenie súvisí s pohybom hmoty v tekutine a elektromagnetické žiarenie môže prenášať energiu aj vákuom.

V reálnom systéme často pôsobia všetky mechanizmy súčasne. Kovová lyžica vedie energiu, kvapalina prúdi konvekciou a povrchy zároveň vyžarujú aj absorbujú žiarenie.

Mikroskopický význam teploty

V jednoduchom plyne súvisí teplota štatisticky s rozdelením energie pohybu častíc. V tuhých látkach a molekulách prispievajú aj vibrácie, rotácie a interakcie.

Tvrdenie „teplota je kinetická energia“ je preto ako všeobecná definícia príliš hrubé. Teplota je stavová veličina s presnou termodynamickou úlohou a mikroskopická interpretácia závisí od systému.

Energetická bilancia medzi telesami

Keď sú dve izolované telesá s rozdielnou teplotou v tepelnom kontakte, energia stratená teplejším telesom sa rovná energii získanej chladnejším, ak zanedbáme okolie. Konečná teplota vyplýva z energetickej bilancie, nie z jednoduchého priemeru teplôt.

Obyčajný priemer vyjde iba v osobitnom prípade rovnakých tepelných kapacít. Ak sa líšia hmotnosti alebo merné tepelné kapacity, rovnovážna teplota sa posunie k telesu s väčšou tepelnou kapacitou mc.

Vyriešené príklady

1. 0,50 kg vody o 20 K

2. Topenie ľadu

3. 20 °C v kelvinoch