Ciepło

Ciepło - w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii układowi termodynamicznemu^[1] polega na przekazywaniu energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy;^[2] oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii.^[3]

Dla odróżnienia ciepła jako zjawiska fizycznego od ciepła jako wielkości fizycznej używa się określenia wymiana cieplna^[2] lub cieplny przepływ energii na określenie procesu, a ilość ciepła na wielkość fizyczną określającą zmianę energii wywołaną tym zjawiskiem.

Ciepło przepływa między ciałami, które nie znajdują się równowadze termicznej, tzn. gdy mają one różne temperatury i wywołuje zwykle zmianę temperatury.^[2] Ciała te muszą pozostawać ze sobą w kontakcie termicznym - musi istnieć możliwość przepływu ciepła.

Potocznie, przez ciepło rozumie się odczucie zadowolenia z przystosowania się organizmu do aktualnych warunków termicznych otoczenia. Naukowo to odczucie nazywa się komfortem cieplnym. Potoczne znaczenie słowa "ciepło" może być źródłem nieporozumień. Ponieważ w języku potocznym termin ten określa stan ciała, a w terminologii fizycznej - wielkość związaną z wymianą energii wewnętrznej. Stwierdzenie, że coś jest "cieplejsze" oznacza w języku fizyki, że ma wyższą temperaturę.

Spis treści

[edytuj] Sens fizyczny ciepła

W termodynamice klasycznej ciepłem jest zmiana energii wewnętrznej układu nie powodująca wykonania pracy makroskopowej.^[4]^[5] Zgodnie z I zasadą termodynamiki w układzie zamkniętym ciepło dopływające do układu zmienia energię wewnętrzną lub powoduje wykonie pracy przez układ:^[6]

$Q = \Delta U + W \,$

Przepływ energii będący ciepłem zmienia entropię układu. Dla procesów zachodzącego w stałej temperaturze zmianę entropii określa poniższy wzór, przy czym równość zachodzi dla procesów odwracalnych, a nierówność dla procesów nieodwracalnych:

$\Delta S \geq \frac Q T$

Niewielką zmianę entropii wywołaną przepływem ciepła opisuje wzór:^[5]

$\frac {\delta Q} T = dS \,$

Ciepło jest formą zmiany energii układu^[5] zależną od drogi procesu. Ilość ciepła nie jest jednoznacznie określona stanem początkowym i końcowym układu, a zależy od sposobu (drogi) przeprowadzenia procesu, dlatego ciepło jest funkcją procesu^[5].

W termodynamice statystycznej zmiana energii układu jest wynikiem oddziaływań cząsteczek biorących udział w danym procesie.^[5] Jeżeli ruchy cząsteczek są uporządkowane to z makroskopowego punktu widzenia zmianę energii uznaje się pracę, a gdy nieuporządkowane, to za ciepło (cieplny przepływ energii).^[5]

Z mikroskopowego punktu widzenia energia wewnętrzna jest sumą energii kinetycznej chaotycznego ruchu jego cząstek oraz energii wzajemnego oddziaływania na siebie tych cząstek. Przepływ energii w wyniku nieuporządkowanego ruchu cząsteczek jest ciepłem (cieplnym przepływem energii). Gdy zmiana energii wynika z uporządkowanego ruchu cząsteczek to z makroskopowego punktu widzenia zmiana energii jest pracą.^[7]

[edytuj] Sposoby cieplnego przepływu energii

Transport ciepła (cieplny przepływ energii) może zachodzić poprzez:

Przewodzenie ciepła - bezpośredni kontakt układów, wymiana energii odbywa się w wyniku oddziaływania cząsteczek ciał;
Konwekcję - przenoszenie energii w cieczach i gazach nie na skutek ruchu pojedynczych cząsteczek, a w wyniku ruchu makroskopowych ilości substancji. Ruchy te występują na skutek różnicy gęstości substancji w różnych temperaturach (np. w polu grawitacyjnym planety ciepłe masy wody lub gazów unoszone są do góry, a chłodne masy opadają, ponieważ mają większą gęstość w pewnym zakresie temperatur), ruch płynu może być też wywołany inną przyczyną;
Promieniowanie elektromagnetyczne - ruch drgający (przyspieszenie) ładunku elektrycznego w drgających cząsteczkach wywołuje promieniowanie elektromagnetyczne, zwane promieniowaniem cieplnym, które może być pochłonięte przez inne ciało. Potocznie sądzi się, że za zjawisko transportu ciepła odpowiada promieniowanie podczerwone, podczas gdy dotyczy ono wszystkich długości promieniowania elektromagnetycznego. Błąd ten wynika zapewne stąd, że ciała w temperaturze pokojowej maksimum energii wypromieniowują właśnie w podczerwieni.

Jednostką ciepła w układzie SI jest (od 1948 roku^[1]) dżul [1J]. Tradycyjnie, we wzorach fizycznych, ciepło oznacza się literą Q.

W innych układach jednostek ciepło wyrażane jest przez kalorie, ergi.