Ενότητα 7: Θερμότητα & Θερμική Ισορροπία
Η διαφορά θερμότητας και θερμοκρασίας
Θερμότητα vs Θερμοκρασία
Τι είναι η Θερμοκρασία;
Η θερμοκρασία είναι το μέτρο του πόσο θερμό ή ψυχρό είναι ένα σώμα.
Σχετίζεται με τη μέση κινητική ενέργεια των μορίων του.
Τι είναι η Θερμότητα;
Η θερμότητα είναι η ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα σε άλλο λόγω διαφοράς θερμοκρασίας.
Συμβολίζεται με $Q$ και μετριέται σε Joule ($\text{J}$).
Προσοχή!
Η θερμότητα ΔΕΝ είναι το ίδιο με τη θερμοκρασία!
- Θερμοκρασία: Πόσο ζεστό είναι κάτι ($°\text{C}$ ή $\text{K}$)
- Θερμότητα: Ενέργεια που μεταφέρεται ($\text{J}$)
Μεταφορά Θερμότητας
Κατεύθυνση Ροής
Η θερμότητα ρέει πάντα από το θερμότερο σώμα προς το ψυχρότερο!
Ποτέ δεν συμβαίνει το αντίστροφο αυθόρμητα.
Παράδειγμα
Όταν βάζουμε παγάκια σε ένα ποτήρι νερό:
- Το νερό (θερμό) δίνει θερμότητα στα παγάκια (ψυχρά)
- Το νερό κρυώνει, τα παγάκια λιώνουν
- Τελικά όλα αποκτούν την ίδια θερμοκρασία
Θερμική Ισορροπία
Ορισμός
Δύο σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία όταν έχουν την ίδια θερμοκρασία και δεν μεταφέρεται θερμότητα μεταξύ τους.
Όταν $T_1 = T_2$, δεν υπάρχει ροή θερμότητας
Παράδειγμα: Θερμόμετρο
Όταν μετράμε πυρετό:
- Το θερμόμετρο (αρχικά σε θερμοκρασία δωματίου $\sim 20 \; °\text{C}$) μπαίνει στο στόμα
- Θερμότητα μεταφέρεται από το σώμα ($37 \; °\text{C}$) στο θερμόμετρο
- Όταν φτάσουν σε θερμική ισορροπία, διαβάζουμε την ένδειξη
Τρόποι Μεταφοράς Θερμότητας
| Τρόπος | Πώς γίνεται | Παράδειγμα |
|---|---|---|
| Αγωγή | Μέσα από στερεά σώματα | Ζεστό κουτάλι στην κατσαρόλα |
| Μεταφορά (Ρεύματα) | Μέσα από υγρά και αέρια | Ζεστός αέρας ανεβαίνει |
| Ακτινοβολία | Χωρίς υλικό μέσο | Ήλιος θερμαίνει τη Γη |
Αγωγοί vs Μονωτές
Καλοί αγωγοί θερμότητας: Μέταλλα (σίδηρος, χαλκός, αλουμίνιο)
Κακοί αγωγοί (μονωτές): Ξύλο, πλαστικό, αέρας, φελιζόλ
Ειδική Θερμοχωρητικότητα
Τι είναι;
Η ειδική θερμοχωρητικότητα ($c$) δείχνει πόση θερμότητα χρειάζεται για να ανέβει η θερμοκρασία $1 \; \text{kg}$ υλικού κατά $1 \; °\text{C}$.
| Υλικό | $c \; (\text{J/kg} \cdot °\text{C})$ |
|---|---|
| Νερό | $4.200$ |
| Σίδηρος | $450$ |
| Αλουμίνιο | $900$ |
| Χαλκός | $390$ |
Γιατί το νερό έχει υψηλή θερμοχωρητικότητα;
Το νερό χρειάζεται πολύ ενέργεια για να ζεσταθεί, αλλά και κρατάει τη ζέστη για πολύ. Γι' αυτό οι παραθαλάσσιες περιοχές έχουν ήπιο κλίμα!
Ασκήσεις
Ένα φλιτζάνι καυτό τσάι ($80 \; °\text{C}$) αφήνεται σε ένα δωμάτιο με θερμοκρασία $20 \; °\text{C}$. Τι θα συμβεί;
Λύση
Η θερμότητα θα μεταφερθεί από το τσάι (θερμό) στον αέρα (ψυχρό).
Το τσάι θα κρυώσει μέχρι να φτάσει σε θερμική ισορροπία με το δωμάτιο ($\sim 20 \; °\text{C}$).
Γιατί τα μεταλλικά αντικείμενα φαίνονται πιο κρύα από τα ξύλινα στο ίδιο δωμάτιο;
Λύση
Τα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί θερμότητας.
Όταν τα αγγίζουμε, αφαιρούν γρήγορα θερμότητα από το χέρι μας.
Το ξύλο (μονωτής) αφαιρεί θερμότητα πιο αργά, οπότε δεν φαίνεται τόσο κρύο.
Βάζουμε ένα κομμάτι μέταλλο ($100 \; °\text{C}$) σε νερό ($20 \; °\text{C}$). Ποια θα είναι η τελική θερμοκρασία;
Λύση
Η τελική θερμοκρασία θα είναι κάπου ενδιάμεσα (μεταξύ $20 \; °\text{C}$ και $100 \; °\text{C}$).
Το μέταλλο θα δώσει θερμότητα στο νερό μέχρι να έρθουν σε θερμική ισορροπία.
Η ακριβής τιμή εξαρτάται από τις μάζες και τις θερμοχωρητικότητες.