Temperatura i ciepło — różnica pojęć SP · szkoła podstawowa

Definicje:

• Temperatura — miara średniej energii kinetycznej cząsteczek. Mierzona termometrem. Skale: Celsjusza (°C), Kelvina (K), Fahrenheita (°F). Przeliczenie: $T[\text{K}] = T[°\text{C}] + 273{,}15$
• Ciepło $Q$ [J] — energia przekazywana między ciałami na skutek różnicy temperatur. Ciepło przepływa od ciała cieplejszego do zimniejszego.
• Ciepło właściwe $c$ [J/(kg·K)]: $Q = mc\Delta T$

Prosto mówiąc: Temperatura to "jak gorące jest ciało" (miernik na termometrze). Ciepło to "ile energii cieplnej przepłynęło". Szklanka wody w 80°C ma wyższą temperaturę niż wanna w 40°C, ale wanna ma więcej ciepła (więcej masy!).

Bilansy cieplne: Ciepło oddane = Ciepło pobrane (gdy brak strat): $$m_1 c_1 (T_1 - T_m) = m_2 c_2 (T_m - T_2)$$ gdzie $T_m$ — temperatura mieszaniny.

Przykład: Do 200 g wody w 20°C wlewamy 100 g wody w 80°C. Temp. mieszaniny?

1. $0{,}2 \cdot c \cdot (T_m - 20) = 0{,}1 \cdot c \cdot (80 - T_m)$
2. $2(T_m - 20) = 80 - T_m$; $3T_m = 120$; $T_m = 40°C$

⚡ Zapamiętaj: $0$ K $= -273{,}15°C$ to zero absolutne — najniższa możliwa temperatura; poniżej tej granicy nie istnieje. Temperatura nie może być ujemna w skali Kelvina.

Energia wewnętrzna i temperatura (klasa 7 SP) SP · szkoła podstawowa

Temat lekcji: Energia wewnętrzna i temperatura

Energia wewnętrzna

To suma energii ruchu i oddziaływań wszystkich cząsteczek ciała.

Temperatura

Miara średniej energii ruchu cząsteczek; mierzymy ją w stopniach Celsjusza i kelwinach.

Zmiana

Energię wewnętrzną można zmienić przez ogrzewanie lub wykonanie pracy.

Ciepło (klasa 7 SP) SP · szkoła podstawowa

Temat lekcji: Ciepło

Definicja

Ciepło to energia przekazywana między ciałami o różnej temperaturze.

Kierunek

Przepływa samorzutnie od ciała cieplejszego do chłodniejszego, aż do wyrównania temperatur.

Sposoby

Przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.

Ciepło właściwe (klasa 7 SP) SP · szkoła podstawowa

Temat lekcji: Ciepło właściwe

Definicja

Ciepło potrzebne do ogrzania $1\,\mathrm{kg}$ substancji o $1\,^\circ\mathrm{C}$.

Wzór

$Q=c\,m\,\Delta T$, gdzie $c$ to ciepło właściwe.

Woda

Woda ma duże ciepło właściwe, dlatego wolno się nagrzewa i stygnie.

Bilans cieplny (klasa 7 SP) SP · szkoła podstawowa

Temat lekcji: Bilans cieplny

Zasada

Ciepło oddane przez ciało cieplejsze równa się ciepłu pobranemu przez chłodniejsze.

Równanie

$Q_{oddane}=Q_{pobrane}$ — stąd wyznaczamy temperaturę końcową.

Założenie

Zakładamy brak strat ciepła do otoczenia.

Topnienie i krzepnięcie (klasa 7 SP) SP · szkoła podstawowa

Temat lekcji: Topnienie i krzepnięcie

Topnienie

Przejście ze stanu stałego w ciekły; zachodzi w stałej temperaturze topnienia.

Krzepnięcie

Proces odwrotny; temperatura krzepnięcia równa jest temperaturze topnienia.

Ciepło przemiany

Podczas przemiany dostarczane ciepło nie zmienia temperatury.

Parowanie i skraplanie (klasa 7 SP) SP · szkoła podstawowa

Temat lekcji: Parowanie i skraplanie

Parowanie

Przechodzenie cieczy w gaz; zachodzi z powierzchni w każdej temperaturze.

Wrzenie

Gwałtowne parowanie w całej objętości w temperaturze wrzenia.

Skraplanie

Przemiana pary w ciecz, np. rosa i para nad garnkiem.

Rozszerzalność temperaturowa ciał (klasa 7 SP) SP · szkoła podstawowa

Temat lekcji: Rozszerzalność temperaturowa ciał

Zjawisko

Ogrzewane ciała zwiększają objętość, a oziębiane — zmniejszają.

Przyczyna

Rosną odległości między drgającymi cząsteczkami.

Zastosowania

Przerwy dylatacyjne na mostach i torach, termometr cieczowy.

Gaz doskonały — równanie stanu i przemiany LO · szkoła średnia

Równanie Clapeyrona (gaz doskonały): $$pV = nRT$$ Gdzie: $p$ — ciśnienie [Pa], $V$ — objętość [m³], $n$ — liczba moli [mol], $R = 8{,}314$ J/(mol·K), $T$ — temperatura bezwzględna [K].
Dla stałej ilości gazu: $\dfrac{p_1V_1}{T_1} = \dfrac{p_2V_2}{T_2}$

Prosto mówiąc: Gaz doskonały to model — cząsteczki punktowe, bez oddziaływań (z wyjątkiem zderzeń sprężystych). Powietrze w typowych warunkach zachowuje się prawie jak gaz doskonały.

Izoprocesy — przemiany przy stałej wielkości:

• Izotermiczna ($T=\text{const}$): $p_1V_1 = p_2V_2$ (prawo Boyle'a)
• Izobaryczna ($p=\text{const}$): $\dfrac{V_1}{T_1} = \dfrac{V_2}{T_2}$ (prawo Gay-Lussaca)
• Izochoryczna ($V=\text{const}$): $\dfrac{p_1}{T_1} = \dfrac{p_2}{T_2}$ (prawo Charlesa)
• Adiabatyczna ($Q=0$): $pV^\gamma = \text{const}$

Przykład: Gaz w zbiorniku: $p_1=2$ atm, $V_1=10$ L, $T_1=300$ K. Po podgrzaniu do $T_2=450$ K, ciśnienie? $$\frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2} \Rightarrow p_2 = \frac{2\cdot450}{300} = 3 \text{ atm}$$

⚡ Zapamiętaj: Temperatura musi być w Kelwinach! $T[K] = T[°C] + 273{,}15$. Błąd Celsiuszy w Kelvinach = błąd w całym wyniku. 0 K = −273,15°C to minimum absolutne.

Termodynamika — pojęcia podstawowe LO · szkoła średnia

Definicje:

• Układ termodynamiczny — wyodrębniona część materii, np. gaz w tłoku
• Temperatura — miara średniej energii kinetycznej cząsteczek. Skala Kelwina: $T[\text{K}] = t[°C] + 273$
• Energia wewnętrzna $U$ — całkowita energia kinetyczna i potencjalna wszystkich cząsteczek
• Ciepło $Q$ — energia przepływająca między układami na skutek różnicy temperatury
• Praca $W$ — energia wymieniana przez zmianę objętości gazu

Prawa termodynamiki:

• 0. zasada: jeśli A i B są w równowadze z C, to A i B są w równowadze ze sobą (podstawa termometrii)
• I zasada: $\Delta U = Q + W$ — energia się zachowuje
• II zasada: ciepło samo z siebie nie przepływa od zimniejszego do cieplejszego (entropią rośnie)
• III zasada: temperatury 0 K nie można osiągnąć

Sprawność silnika Carnota (max. możliwa): $$\eta_{\text{max}} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$$ gdzie $T_1$ — temperatura gorącego źródła, $T_2$ — zimnego (w Kelwinach!).

Przykład: Silnik parowy: $T_1 = 500$ K, $T_2 = 300$ K. Max sprawność?

1. $\eta = 1 - \frac{300}{500} = 1 - 0{,}6 = 0{,}4 = 40\%$

⚡ Zapamiętaj: 100% sprawność jest NIEMOŻLIWA (II zasada termodynamiki). Maszyna perpetuum mobile II rodzaju — silnik bez oddawania ciepła — nie istnieje.

Gaz doskonały — równanie Clapeyrona (klasa 2 LO) LO · szkoła średnia

Temat lekcji: Gaz doskonały — równanie Clapeyrona

Model

Cząsteczki punktowe, bez oddziaływań poza zderzeniami sprężystymi.

Równanie

$p V=n R T$, gdzie $n$ to liczba moli, $R$ stała gazowa.

Warunki

Temperatura zawsze w kelwinach.

Przemiany gazowe (klasa 2 LO) LO · szkoła średnia

Temat lekcji: Przemiany gazowe

Izotermiczna

$T=\mathrm{const}$: $p V=\mathrm{const}$ (prawo Boylea-Mariottea).

Izobaryczna

$p=\mathrm{const}$: $\frac{V}{T}=\mathrm{const}$.

Izochoryczna

$V=\mathrm{const}$: $\frac{p}{T}=\mathrm{const}$.

Kinetyczno-molekularna teoria gazów (klasa 2 LO) LO · szkoła średnia

Temat lekcji: Kinetyczno-molekularna teoria gazów

Założenia

Cząsteczki w ciągłym, chaotycznym ruchu; zderzenia sprężyste.

Ciśnienie

Wynika ze zderzeń cząsteczek ze ściankami naczynia.

Temperatura

Miara średniej energii kinetycznej cząsteczek.

Pierwsza zasada termodynamiki (klasa 2 LO) LO · szkoła średnia

Temat lekcji: Pierwsza zasada termodynamiki

Treść

$\Delta U=Q+W$ — zmiana energii wewnętrznej równa sumie ciepła i pracy.

Znaczenie

To zasada zachowania energii dla procesów cieplnych.

Zastosowanie

Analiza przemian gazowych i silników cieplnych.

Ciepło właściwe i molowe (klasa 2 LO) LO · szkoła średnia

Temat lekcji: Ciepło właściwe i molowe

Właściwe

$Q=c m\Delta T$ — na jednostkę masy.

Molowe

Ciepło potrzebne do ogrzania jednego mola substancji o jeden kelwin.

Gazy

Rozróżniamy ciepło molowe przy stałej objętości i przy stałym ciśnieniu.

Druga zasada termodynamiki — silniki cieplne (klasa 2 LO) LO · szkoła średnia

Temat lekcji: Druga zasada termodynamiki — silniki cieplne

Treść

Ciepło samorzutnie przepływa od ciała cieplejszego do chłodniejszego.

Silnik cieplny

Zamienia część ciepła w pracę; sprawność $\eta=\frac{W}{Q_{pob}}\lt 1$.

Cykl Carnota

Wyznacza maksymalną możliwą sprawność silnika.