Co to jest ciepło? Ciepło jest to energia wewnętrzna jakiegoś ciała np. otaczającego powietrza. Energia ta przejawia się w postaci drgań atomów i cząstek tego ciała. Zjawisko to odczuwamy jako ciepło. Im większa intensywność drgań tym wyższa temperatura ciała. Zmniejszenie tej energii odczuwamy jako ochłodzenie ciała. Miarą energii cieplnej jest temperatura. W życiu codziennym dla określenia temperatury posługujemy się skalą Celsjusza. Zero w tej skali odpowiada punktowi zamarzania wody natomiast 100oC jest temperaturą przy, której woda wrze, w warunkach ciśnienia atmosferycznego. W fizyce natomiast temperaturę wyraża się w Kelwinach. Skala Kelwina posiada taką samą podziałkę stopni jak skala Celsjusza z tą różnicą, że zero skali Kelwina jest umiejscowione w  – 273,15oC. Dlaczego ta liczba jest tak nierówna? Zaraz znajdziemy na to odpowiedź ale najpierw pewna uwaga: wspomniane wyżej drgania cząsteczek w gazach przekładają się nie tylko na temperaturę ale również na ciśnienie. Molekuły gazu zamkniętego w naczyniu drgają i uderzają w ścianki naczynia. Te miliony mikrouderzeń przejawia się właśnie jako ciśnienie gazu na ścianki naczynia. Zwiększając temperaturę gazu znajdującego się w zamkniętej przestrzeni zwiększa się amplitudę drgań jego cząsteczek i tym samym zwiększa się cienienie gazu.

W XVIII wieku Guillaume Amontons przeprowadził doświadczenie, w którym obniżał temperaturę gazu zamkniętego w szczelnym zbiorniku sprawdzając jednocześnie jak obniża się jego ciśnienie. Okazało się, że zmniejszając stopniowo temperaturę zawsze o stałą wielkość, ciśnienie gazu obniżało się również o stałą wartość. W związku z tym, że w pewnym momencie nie potrafił z powodów technicznych już bardziej obniżać temperatury, przeprowadził więc obliczenia, z których wynikało, że ciśnienie równe zero uzyskałby w temperaturze -273,150C. Ciśnienie równe zero oznacza, że cząsteczki gazu już nie uderzają o ścianki naczynia czyli ustał wszelki ich ruch. Jest to temperatura zera bezwzględnego.

Obecnie w XXI wieku mamy dużą wiedzę o cieple: energia, drgania atomów i cząsteczek, znamy temperaturę zera bezwzględnego. Potrafimy wytwarzać ciepło i wykorzystywać je dla własnych potrzeb. Kiedyś ludzie posiadali dużo mniejsze umiejętności pozyskiwania ciepła a przede wszystkim nie posiadali takiej wiedzy i mozolnie na przestrzeni wieków musieli ją zdobyć.

 Już w starożytnej Grecji zastanawiano się czym jest ogień, który utożsamiano z ciepłem. Dla Greków ogień był jednym z czterech podstawowych  pierwiastków z których zbudowany jest wszechświat. Pozostałymi pierwiastkami były  powietrze, woda i ziemia.

Wiele wieków później ustaliła się teoria, że wszystkie palne ciała posiadają w swoim składzie palny pierwiastek nazwany flogistonem. Była to oczywiście teoria błędna. Spalanie palnych substancji miało polegać na uwalnianiu flogiston który dawał płomień. Flogistonowi przypisywano pewne ciekawe właściwości, mianowicie nie mógł istnieć w stanie czystym oraz miał ujemny ciężar. Pierwsza cecha wynikała z faktu, że nikomu nie udawało się wyizolować flogistonu z żadnej substancji. Nic w tym dziwnego, ponieważ po prostu nie istniał. Druga właściwość, ujemny ciężar, wynikała z przebiegu reakcji spalania. Gdy spala się niektóre substancje, łączą się one z tlenem zawartym w powietrzu tworząc tlenki, które są cięższe niż czysta substancja przed spaleniem. Spalanie miało polegać na uwalnianiu się flogistonu więc flogiston musiał mieć ujemny ciężar.

Po ponad stu latach teoria z flogistonem nie wytrzymała prób eksperymentów i upadła. Narodziła się inna teoria. Już dawno zauważono, że ciała potrafią przekazywać sobie ciepło. Zetknięcie ze sobą ciała ciepłego i zimnego powoduje wyrównanie się ich temperatur w ten sposób, że ciało zimne staje się cieplejsze natomiast ciepłe ochładza się. Wnioskowano stąd, że ciała muszą przekazywać sobie jakąś substancję. Substancję tą nazwano cieplikiem. Ciała gorące miały więcej cieplika niż ciała zimne i miały możliwość jego przekazywania. Ale znowu wystąpił pewien problem: ogrzewając dane ciało dostarczano mu cieplika ale zauważono że nie zmienia się waga tego ciała. Cieplik więc musiał być substancją nieważką. Nie dawał się też wyizolować z żadnej substancji.

To, że ciepło jest formą energii przebijało się do świadomości naukowców dosyć długo. Początek tego procesu nastąpił prawdopodobnie wtedy, kiedy hrabia Rumford wiercąc lufy armat urządzeniem napędzanym siłą końskich mięśni, stwierdził, że podczas tej operacji wytwarza się bardzo duża ilość ciepła.

Domyślił się, że to praca zamieniana jest na ciepło. Dziś już wiemy, że praca i ciepło są to formy energii i w niektórych warunkach mogą się zamieniać jedno w drugie.

Warto sobie uświadomić, że tylko ciepło może być przekazane od ciała do innego ciała. Nie możemy przekazać zimna. Aby coś oziębić musimy odebrać ciepło. To tak jak z wodą w szklance, możemy wylać tą wodę ze szklanki. Żeby jednak z powrotem mieć wodę w szklance nie wylewamy pustki ze szklanki  tylko napełniamy ją wodą.

Zjawisko przekazywania ciepła jest bardzo powszechne i normalnym jest że nie zwracamy na nie uwagi. Jest nam zimno bo oddajemy ciepło, jest nam gorąco bo coś przekazało nam dużo ciepła. Przekazywanie ciepła odbywa się na trzy różne sposoby i wszystkie one są często spotykane. Są to przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.

przewodzeniem mamy do czynienia na przykład wtedy gdy trzymamy w dłoniach kubek z gorącą kawą. Czujemy jak ciepło kubka ogrzewa nam ręce. To drgające cząsteczki ścianek kubka powodują zwiększenie energii drgań cząsteczek naszej skóry. Dzieje się tak poprzez bezpośredni kontakt dłoni z kubkiem.

Wyobraźmy sobie garnek z wodą stojący na gorącym palniku kuchenki. Palnik poprzez przewodzenie ogrzewa dno garnka. Dno garnka ogrzewa wodę znajdującą się w dolnej jego części. Woda ogrzewając się zwiększa swoją objętość co jest równoznaczne ze zmniejszeniem jej ciężaru objętościowego i unosi się w górne warstwy objętości garnka. To unoszenie się nagrzanej porcji jakiejś substancji nazywa się przenoszeniem ciepła przez konwekcję.

Z przekazywaniem ciepła przez promieniowanie również spotykamy się codziennie. W ten sposób przekazuje nam swoją energię słońce. Burzliwa atmosfera słońca powoduje powstanie promieniowania elektromagnetycznego w bardzo szerokim zakresie. Za przekazywanie ciepła odpowiedzialne jest przede wszystkim promieniowanie podczerwone. Promieniowanie to rozchodzi się we wszystkich kierunkach i dociera również do Ziemi.

Utrzymaniu temperatury umożliwiającej nam w miarę stabilną egzystencję na powierzchni Ziemi zawdzięczamy efektowi cieplarnianemu. Efekt ten był zawsze obecny na Ziemi odkąd istniała atmosfera. Bez tego efektu panowała by wszędzie temperatura taka jak na Antarktydzie albo jeszcze niższa. Promieniowanie słoneczne przechodzi przez atmosferę i dociera do Ziemi w efekcie zewnętrzna powierzchnia Ziemi i wszystko co nas otacza ogrzewa się. Nadmiar ciepła również w postaci promieniowania powinien wydostać się przez atmosferę na zewnątrz. Problem jednak w tym, że na skutek działalności człowieka w atmosferze znajduje się coraz więcej gazów cieplarnianych: pary wodnej i dwutlenku węgla. Gazy te powstrzymują nadmiar ciepła przed opuszczeniem powierzchni Ziemi i temperatura naszego globu powoli ale stale się podnosi. Jest to efekt który można zaobserwować w szklarni ogrodniczej. Promieniowanie słoneczne przechodzi przez szyby szklarni, ogrzewa jej wnętrze. Rośliny oraz grunt wewnątrz szklarni zaczynają też wydzielać promieniowanie termiczne. Promieniowanie to jest jednak dużo słabsze niż promieniowanie słoneczne i nie przechodzi przez szyby szklarni. W ten sposób temperatura w szklarni podnosi się znacznie.

Energia cieplna jest cały czas obecna w naszym życiu i jest tak powszechna, że jej nie zauważamy. Nie mniej jednak jest bardzo ważnym zjawiskiem, szczególnie dla organizmów żywych. Między innymi dlatego tak dużo pracy poświęca się opracowywaniu i projektowaniu różnych źródeł i systemów dostarczania ciepła do naszych domostw.

j

Nasza strona internetowa używa plików cookies (tzw. ciasteczka) w celach statystycznych, reklamowych oraz funkcjonalnych. Dzięki nim możemy indywidualnie dostosować stronę do twoich potrzeb. Każdy może zaakceptować pliki cookies albo ma możliwość wyłączenia ich w przeglądarce, dzięki czemu nie będą zbierane żadne informacje. Dowiedz się jak wyłączyć...

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close