Топлота

Температура Сунчеве површина (фотосфера) је 5 778 K (5 505 °C)). Топлота се од Сунца до Земље преноси топлотним зрачењем (Сунчева светлост).

Топлота или топлотна енергија је физичка величина која се обично означава са Q. Основна јединица за топлотну енергију у Међународном систему јединица јесте џул, док се у нутриционизму користи јединица калорија (1 cal = 4,186 J). Она се мери калориметром и није особина тела, већ процеса. Топлота се може преносити између тела и система услед разлике у температури и зависи од масе m тела, специфичног топлотног капацитета c материје од које се тело састоји, те од температурне разлике Δt: $\Delta Q=c\cdot m\cdot \Delta t$. Пренос се одвија на више начина, као што су кондукција, радијација и конвекција.

Субјективни осећај топлоте добива се додиром с телима којима је температура виша (топло) или нижа (хладно) од температуре људскога тела. Топлота се објективно мери посматрањем деловања угрејаних тела на друга тела (калориметрија).

Појам топлоте и температуре

Температура идеалног гаса је мера просечне кинетичке енергије молекула

Сунчева светлост светли кроз облаке.

Топлотне вибрације делова беланчевине: амплитуда вибрација расте с температуром.

Линеарни ток топлоте код провођења или кондукције топлоте.

Из врућег тела распростире се топлота на све стране невидљивим топлотним зрацима.

Џулов уређај из 1845.

Први светски ледени калориметар, који се почео употребљавати 1782, а направили су га Антоан Лорен де Лавоазје и Пјер Симон Лаплас, да би одредили количину топлоте која прати одређене хемијске процесе, а конструкција се заснива на претходним прорачунима Џозефа Блека када је открио латентну топлоту.

Пиранометар је мерни инструмент који мери укупно Сунчево зрачење (са свим таласним дужинама), које пада на неку водоравну раван.

Према унутрашњости Земља је све топлија, а у дубинама већим од 18 метара испод површине спољне топлотне промене температуре немају утицаја. Значи, овде топлота не долази споља него из унутрашњости Земље.

Огревна вредност је својствена за сваку хемијску материју.

Ако се стави рука у посуду с врућом водом и задржи неколико секунди, а затим је ставимо у посуду с топлом водом, учиниће се као да је та вода хладна. Ставимо ли руку у хладну воду и држимо је неколико секунди, а онда је уронимо у топлу воду, осећај ће бити као да је стављена у врућу воду. Одатле се види да људски осећај није меродаван за просуђивање стања некога физичког тела, то јест његове температуре.

Топлота и температура нису исто. То се може уочити из примера. У две по величини различите просторије ложи се пећ исте величине тако да троши иста количину горива на сат. Исходишне температуре просторија су различите. Већа просторија имаће нижу температуру, а мања вишу, иако је свака просторија, то јест ваздух у просторији, примио исту количину топлоте изгарањем једнаке количине горива. Два физичка тела могу имати исту количину топлоте, а различиту температуру. Да би већа просторија имала исту температуру као мања, мора се већој дати већа количина топлоте, то јест мора се потрошити већу количину горива. Одатле се види да два физичка тела могу имати исту температуру, али различиту количину топлоте.

Молекуларно-кинетичка теорија топлоте дефинише топлоту. Молекули у телима не мирују, него се налазе у сталном кретању, чија брзина може бити већа или мања. Бушењем, глодањем, стругањем и резањем помоћу алатних машина, као и код сваке обраде материјала алатом, ослобађа се топлота. Топлота настаје на основу утрошеног механичког рада, а и на рачун кинетичке енергије. Ударом чекића, који има кинетичку енергију, о наковањ ствара се топлота. Ту се кинетичка енергија не претвара само у топлоту него и у енергију звука и у механички рад потребан за деформацију тела. При судару два тела преноси се кретање, то јест кинетичка енергија с једног тела на друго. То не вреди само за велика тела него и за ситне честице, то јест молекуле. Кинетичка енергија чекића претвара се у кинетичку енергију молекула, то јест у њихово невидљиво кретање. Топлота је, дакле, кинетичка енергија молекуларног кретање.

Што се тело више греје, молекули се све брже крећу и имају све већу кинетичку енергију. Због тога се молекули међусобно удаљавају, па чврсто тело топљењем прелази у течно агрегатно стање. Течно тело загрејавањем прелази у гасовито агрегатно стање. Молекули воде даљим загрејавањем код врелишта одлазе у ваздух. Вода прелази у водену пару. Пара има толику кинетичку енергију да покреће парну машину. Колики је ступањ тога молекуларног кретања, исказује температура. Температура је ступањ топлотног стања тела и о њој зависи агрегатно стање тела.

Онај део науке о топлоти који се бави топлотом као једним обликом енергије и проучава претварање топлотне енергије у механичку радњу зове се термодинамика. Будући да је то претварање нарочито важно код гасова, то се термодинамика бави у првом реду топлотним променама код гасова.

Количина топлоте

Да би се маса од 1 килограма воде угрејала на пламенику од 10 °C на 20 °C, потребно је извесно време. За грејање 1 килограма воде на том пламенику од 10 °C на 30 °C биће потребно дуже времена. За грејање 2 килограма воде требаће двоструко дуже времена него за грејање 1 килограма воде. Дакле потребна количина топлоте за загрејавање воде је то већа што је већа маса воде и што се загрејава на вишу температуру. Према томе је:

$Q=m\cdot (t_{2}-t_{1})$

где је: Q - количина топлоте изражена у џулима (J), m - маса воде у килограмима (kg) и t₂ - t₁ - разлика температуре у целзијусима (°C).

Количина топлоте се мери као и сваку енергију у џулима. Међутим, још се употребљава као јединица топлоте килокалорија (kcal). 1 kcal је она количина топлоте која је потребна да се 1 килограм воде, код нормалног притиска ваздуха од 760 тора (1 атм), загреје од 14,5 °C на 15,5 °C. То је због тога што количине топлоте за загрејавање 1 килограма воде, на пример од 12 на 13 °C или од 20 на 21 °C, нису једнаке. Међутим разлике су тако мале да се у пракси узима да је за загрејавање 1 килограма воде за 1 °C потребна 1 kcal, без обзира код које се то температуре врши. Код грејања се мора топлота доводити, а код хлађења одводити. Килокалорија (kcal), одређена при 15 °C, приближно је једнака 4,1855 килоџула (kJ).

За загрејавање 1 килограма жељеза требаће мање времена него за загрејавање 1 килограма опеке. За различите материје је потребна различита количина топлоте да би се 1 килограм те материје угрејао за 1 °C. Количина топлоте у J или kcal која је потребна да се 1 kg неке материје угреје за 1 °C зове се специфична топлота или специфични топлотни капацитет, а означује се малим словом c.

Према томе, ако је за загрејавање 1 kg неке материје потребна специфична топлота c, онда је за загревање m kg те материје потребно c ∙ m. За загревање m kg материје од температуре t₁ на температуру t₂ потребна је топлота:

$Q=c\cdot m\cdot (t_{2}-t_{1})=c\cdot m\cdot \Delta t$

Специфични топлотни капацитет

Специфични топлотни капацитет неких материја:

Материја	c (J kg−1 K−1)
вода	4 816
уље	3 800
алкохол	2 500
лед	2 100
алуминијум	900
стакло	800
жељезо	460
цинк	390
бакар	380
жива	140

Продукт c ∙ m, то јест количина топлоте која је потребна телу масе m kg да се загреје за 1 °C, зове се топлотни капацитет физичког тела.

Како вода има велику специфичну топлоту, тешко се загрева. Загрејана вода садржи велику количину топлоте, што се налази велику примену у техници. Вода се употребљава као носилац топлоте код централног грејања и у парним котловима (генераторима паре).

Преношење топлоте

Два физичка тела која имају исту температуру су у топлотној равнотежи. Тада између њих не постоји трансфер топлотне енергије. Када је једно тело топлије (има вишу температуру), јавља се трансфер топлотне енергије од топлијег ка хладнијем. Према другом закону термодинамике, пренос топлоте са хладнијег тела на топлије није могуће.

Пренос топлоте се може извршити на три могућа начина:

• кондукцијом када су два физичка тела у директном контакту
• конвекцијом када се топлота преноси преко неког посредника, нпр. флуида који струјањем преноси топлоту
• зрачењем када се топлота преноси између два удаљена физичка тела без посредства неког медијума

Литература

• Daintith, John (2005). Oxford Dictionary of Physics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-280628-4. 
• Adkins, C.J. (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics, (1st edition 1968), third edition 1983, Cambridge University Press, Cambridge UK, ISBN 0-521-25445-0.
• Atkins, P., de Paula, J. (1978/2010). Physical Chemistry, (first edition 1978), ninth edition 2010, Oxford University Press, Oxford UK, ISBN 978-0-19-954337-3.
• Bacon, F. (1620). Novum Organum Scientiarum, translated by Devey, J., P.F. Collier & Son, New York, 1902.
• Baierlein, R. (1999). Thermal Physics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-65838-6. 
• Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3.
• Born, M. (1949). Natural Philosophy of Cause and Chance, Oxford University Press, London.
• Bryan, G.H. (1907). Thermodynamics. An Introductory Treatise dealing mainly with First Principles and their Direct Applications, B.G. Teubner, Leipzig.
• Buchdahl, H.A. (1966). The Concepts of Classical Thermodynamics, Cambridge University Press, Cambridge UK.
• Callen, H.B. (1960/1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, (1st edition 1960) 2nd edition 1985, Wiley, New York, ISBN 0-471-86256-8.
• Carathéodory, C. (1909). „Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik”. Mathematische Annalen. 67 (3): 355—386. S2CID 118230148. doi:10.1007/BF01450409.  A translation may be found here. A mostly reliable translation is to be found at Kestin, J. (1976). The Second Law of Thermodynamics, Dowden, Hutchinson & Ross, Stroudsburg PA.
• Chandrasekhar, S. (1961). Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability, Oxford University Press, Oxford UK.
• Clark, J.O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN 978-0-7607-4616-5. 
• Clausius, R. (1854). Annalen der Physik (Poggendoff's Annalen), Dec. 1854, vol. xciii. p. 481; translated in the Journal de Mathematiques, vol. xx. Paris, 1855, and in the Philosophical Magazine, August 1856, s. 4. vol. xii, p. 81.
• Clausius, R. (1865/1867). The Mechanical Theory of Heat – with its Applications to the Steam Engine and to Physical Properties of Bodies, London: John van Voorst. 1867. Also the second edition translated into English by W.R. Browne (1879) here and here.
• De Groot, S.R., Mazur, P. (1962). Non-equilibrium Thermodynamics, North-Holland, Amsterdam. Reprinted (1984), Dover Publications Inc., New York, ISBN 0486647412.
• Denbigh, K. (1955/1981). The Principles of Chemical Equilibrium, Cambridge University Press, Cambridge ISBN 0-521-23682-7.
• Greven, A., Keller, G., Warnecke (editors) (2003). Entropy, Princeton University Press, Princeton NJ, ISBN 0-691-11338-6.
• Guggenheim, E.A. (1967) [1949], Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists (fifth изд.), Amsterdam: North-Holland Publishing Company. 
• Jensen, W.B. (2010). „Why Are q and Q Used to Symbolize Heat?” (PDF). J. Chem. Educ. 87 (11): 1142. Bibcode:2010JChEd..87.1142J. doi:10.1021/ed100769d. Архивирано из оригинала (PDF) 2. 4. 2015. г. Приступљено 23. 3. 2015. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• J.P. Joule (1884), The Scientific Papers of James Prescott Joule, The Physical Society of London, стр. 274 , Lecture on Matter, Living Force, and Heat. 5 and 12 May 1847.
• Kittel, C. Kroemer, H. (1980). Thermal Physics, second edition, W.H. Freeman, San Francisco, ISBN 0-7167-1088-9.
• Kondepudi, D. (2008), Introduction to Modern Thermodynamics, Chichester UK: Wiley, ISBN 978-0-470-01598-8 
• Kondepudi, D., Prigogine, I. (1998). Modern Thermodynamics: From Heat Engines to Dissipative Structures, John Wiley & Sons, Chichester, ISBN 0-471-97393-9.
• Landau, L., Lifshitz, E.M. (1958/1969). Statistical Physics, volume 5 of Course of Theoretical Physics, translated from the Russian by J.B. Sykes, M.J. Kearsley, Pergamon, Oxford.
• Lebon, G., Jou, D., Casas-Vázquez, J. (2008). Understanding Non-equilibrium Thermodynamics: Foundations, Applications, Frontiers, Springer-Verlag, Berlin, e-ISBN 978-3-540-74252-4.
• Lieb, E.H., Yngvason, J. (2003). The Entropy of Classical Thermodynamics, Chapter 8 of Entropy, Greven, A., Keller, G., Warnecke (editors) (2003).
• Maxwell, J.C. (1871), Theory of Heat (first изд.), London: Longmans, Green and Co. 
• Partington, J.R. (1949), An Advanced Treatise on Physical Chemistry., 1, Fundamental Principles. The Properties of Gases, London: Longmans, Green and Co. 
• Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9. 
• Pippard, A.B. (1957/1966). Elements of Classical Thermodynamics for Advanced Students of Physics, original publication 1957, reprint 1966, Cambridge University Press, Cambridge.
• Planck, M., (1897/1903). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, first English edition, Longmans, Green and Co., London.
• Planck. M. (1914). The Theory of Heat Radiation, a translation by Masius, M. of the second German edition, P. Blakiston's Son & Co., Philadelphia.
• Planck, M., (1923/1927). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, third English edition, Longmans, Green and Co., London.
• Reif, F. (1965). Fundamentals of Statistical and Thermal Physics. New York: McGraw-Hlll, Inc. 
• Shavit, A., Gutfinger, C. (1995). Thermodynamics. From Concepts to Applications, Prentice Hall, London, ISBN 0-13-288267-1.
• Truesdell, C. (1969). Rational Thermodynamics: a Course of Lectures on Selected Topics, McGraw-Hill Book Company, New York.
• Truesdell, C. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics 1822–1854, Springer, New York, ISBN 0-387-90403-4.
• Beretta, G.P.; E.P. Gyftopoulos (1990). „What is heat?” (PDF). Education in Thermodynamics and Energy Systems. AES. 20. 
• Gyftopoulos, E.P., & Beretta, G.P. (1991). Thermodynamics: foundations and applications. (Dover Publications)
• Hatsopoulos, G.N., & Keenan, J.H. (1981). Principles of general thermodynamics. RE Krieger Publishing Company.

Спољашње везе

• Plasma heat at 2 gigakelvins – Article about extremely high temperature generated by scientists (Foxnews.com)
• Correlations for Convective Heat Transfer – ChE Online Resources