Teplo

Z Multimediaexpo.cz

Teplo (nesprávně užívaný termín tepelná energie) je část vnitřní energie, kterou systém vymění (tj. přijme nebo odevzdá) při styku s jiným systémem, aniž by přitom docházelo ke konání práce. Mluvíme o tepelné výměně. Teplo popisuje procesy, v nichž se odehrává spousta „mikroprací“, tj. srážek jednotlivých částic, které přímo nemůžeme sledovat ani měřit. O práci mluvíme, když způsobenou změnu energie můžeme vyjádřit jako součin veličin, obvykle síly a posunutí, či tlaku a změny objemu, nebo konečně jako součin napětí, proudu a času. O teplo jde tehdy, když se změna energie jako součin jiných měřitelných veličin vyjádřit nedá.

Teplo je fyzikální veličinou popisující změnu termodynamického stavu systému, nikoli stav samotný.

Jednotky tepla jsou shodné s jednotkami energie a práce.

Měřením tepla se zabývá kalorimetrie; teplo se měří kalorimetry.

Šířením tepla bez konání práce se zabývá termokinetika, tepelnými ději obecně termodynamika.

Obsah

Fyzikální podstata a definice tepla

Podle kinetické teorie se při tepelné výměně předává energie neuspořádaného pohybu částic, z nichž se skládá jak systém teplo odevzdávající, tak systém teplo přijímající. Zejména u látek v kondenzovaném stavu je nutno uvažovat vedle kinetické energie částic i energii jejich vzájemných interakcí a vazeb. Tepelná výměna nemusí být spojena se změnou teploty - hovoříme pak o latentním teple.


Tepelná výměna přímo nesouvisí s předáváním částic mezi systémy, změnou jejich chemické podstaty, ani změnami pohybového stavu systémů či "vnější" potenciální energie systémů. Změny tepla mohou být sice formálně ekvivalentní určité mechanické práci nebo kinetické energii částic (vibrační, translační, rotační), atp., nejsou však s nimi identické a fyzikálně se od nich fundamentálně liší. Tento rozdíl se zvláště názorně projevuje ve spektroskopii.


Definice tepla však nevylučuje tepelné děje při současném konání práce. V souladu s 1. větou termodynamickou je teplo (systémem přijaté) při tepelné výměně rovno změně (zvýšení) vnitřní energie systému zvýšené o (systémem vykonanou) práci (kurzívou je v předchozí větě vyznačeno, kdy se daná změna bere za kladnou).


Přeměnu mechanické práce na teplo a naopak vysvětluje kinetická teorie jako přeměnu kinetické energie uspořádaného pohybu na kinetickou energii neuspořádaného pohybu částic a naopak. Fyzikálně se fundamentální rozdíl mezi "neuspořádaným" a "uspořádaným" pohybem částic projevuje např. ve spektroskopii. Zatímco tepelnému pohybu odpovídá šum, charakterizovaný určitou (širokospektrální) distribuční funkcí, mechanickému pohybu (např. vibračnímu) odpovídají určité ostré spektrální čáry.


Podle překonané fluidové teorie tepla byla podstatou tepla substance - fluidum (zvané calor, calorique apod.) a teplo bylo množství tohoto fluida v látce. Tato představa umožňovala velmi zjednodušeně pochopit i tepelné stroje: práce se konala tím, když tepelné fluidum přecházelo z místa s vyšší teplotou do místa s nižší teplotou, podobně jako voda v řece může konat práci tím, že přechází z vyšší polohy do nižší. Pokud dochází v systému k výměnám či přeměnám mezi teplem a prací, vyžaduje však fluidová teorie zásadní zobecnění, které popisuje první zákon termodynamiky. Řečeno současnou terminologií, teplo obecně nelze pokládat za stavovou veličinu (bodovou), nýbrž představuje dějovou veličinu (závislou na trajektorii). Po tomto zobecnění je fluidová teorie cenná i dnes svou názorností. Názorně vystihuje zejména přenos tepla (kalorimetrická rovnice) a objasňuje přirozenou roli Laplaceovy rovnice a Poissonovy rovnice v těchto dějích, v analogii s teorií tekutin.


Zdůrazněme, že o teple i práci má smysl mluvit zejména v souvislosti se změnami těchto veličin, a zpravidla nikoli při popisu stavu. Přesný fyzikální smysl tedy často nemají výroky typu "Po zahřátí je v tělese více tepla" (obvykle správněji lze říci, že "těleso má po zahřátí více vnitřní energie").

Z tohoto důvodu je fyzikálně přesnější (i když méně názornou) následující formulace výše uvedené definice:

Teplo je míra změny vnitřní energie systému při styku s jiným systémem, aniž by přitom docházelo ke konání práce.


Matematicky i fyzikálně přesněji se jedná o otázku, zda teplo lze v dané situaci považovat za úplný diferenciál (totální), nebo jen tzv. neúplný diferenciál (parciální, Pfaffova forma). Naštěstí neúplný diferenciál lze obecně převést v diferenciál totální pomocí vynásobení určitým, tzv. integračním faktorem. V případě tepla je tímto integračním faktorem reciproká teplota (1/T).


Je třeba rozlišovat dvě různé veličiny: teplo, které popisuje změnu stavu tělesa, a teplota, která popisuje stav tělesa. Stavovou veličinou popisující tepelnou výměnu je entropie.

Značení a jednotky

Výpočet

Množství tepla \(Q\) přijatého fyzikálně (skupenství) a chemicky homogenním systémem souvisí se vzrůstem teploty \(\Delta T\) vztahem

\(Q = m c \Delta T \,\),

kde \(m\) je hmotnost systému, \(c\) je jeho měrná tepelná kapacita, \(\Delta T\) je rozdíl počáteční teploty \(T_1\) a koncové teploty \(T_2\) (tzn. \(\Delta T = T_2 - T_1\)). Tepelná kapacita \(c\) může záviset na teplotě, proto se vztah uvádí v diferenciálním tvaru:

\(\delta Q = m c \mathrm{d}T \,\),

kde \(\delta Q \,\) značí, že se u tepla nejedná o totální diferenciál.

Měření

Měřením tepla se zabývá kalorimetrie. Základem kalorimetrických úvah je zákon zachování energie, jehož znění vyjadřuje tzv. kalorimetrická rovnice.

Příbuzné veličiny

Teplo potřebné k ohřátí látky o jeden teplotní stupeň se nazývá tepelná kapacita. Teplo potřebné k ohřátí jednoho kilogramu látky o jeden teplotní stupeň se nazývá měrná tepelná kapacita (měrné teplo). Teplo potřebné k ohřátí jednoho molu látky o jeden teplotní stupeň se nazývá molární tepelná kapacita (molární teplo).

Šíření tepla

Šíření tepelné energie z jednoho místa na druhé může probíhat vedením, prouděním nebo zářením (sáláním). Znaménko hodnoty tepla nám říká, zda jde o teplo přijaté nebo vydané, přičemž není striktně dáno, zda např. kladná hodnota znamená přijaté nebo vydané teplo.

Související články

Commons nabízí fotografie, obrázky a videa k tématu
Teplo
Citováno z „http://www.multimediaexpo.cz/mmecz/index.php/Teplo“