Teplo

O rovnomennom bulharskom filme pozri Teplo (film).

Teplo alebo (mimo fyziky aj) tepelná energia je vnútorná energia, ktorú teleso príjme, alebo ju odovzdá pri tepelnej výmene inému telesu. Teplo si vymieňajú iba telesá s rôznou teplotou. Značkou tepla je Q a jednotkou tepla je Joule (značka J). Je potrebné rozlišovať medzi dvoma rôznymi veličinami: teplota vyjadruje stav telesa, a teplo ktoré vyjadruje zmenu stavu telesa.

Podľa kinetickej teórie je teplo celkovou kinetickou energiou neusporiadaného pohybu častíc, z ktorých sa látka skladá. Premena mechanickej práce na teplo je kinetickou teóriou vysvetľovaná ako premena energie usporiadaného pohybu na kinetickú energiu neusporiadaného pohybu častíc.

Vzorec tepla

Vzorec na výpočet tepla potrebného na zvýšenie teploty telesa za predpokladu, že medzi teplotami nedôjde k fázovej zmene:

$Q=c.m\left(t-t_{0}\right)$

$Q$ – je teplo (J)
$c$ – je merná tepelná kapacita (J.kg⁻¹.K⁻¹)
$m$ – je hmotnosť (kg).
$\left(t-t_{0}\right)$ – odpočet novej teploty (K) telesa od pôvodnej.

Čo je teplo

V minulosti si ľudia mysleli, že medzi telesami prúdi kalorikum, akási neviditeľná substancia, ktorej majú studené telesá málo a horúce veľa. V skutočnosti je teplo spôsobom prenosu energie medzi telesami.

Bežným spôsobom prenosu energie je práca. Ak je v nádobe uzatvorený plyn, zmenou jeho objemu je vykonaná práca. Ak je nádoba tepelne izolovaná (tepelne izolovaná sústava), plyn sa zmenou objemu zohreje (o koľko sa zohreje hovorí prvý termodynamický zákon). V prípade tepelne neizolovanej sústavy je možné teplotu plynu zvýšiť aj ohriatim nádoby. To spôsobí zmenu teploty steny nádoby, čiže častice tvoriace stenu nádoby budú mať vyššiu energiu. Molekuly plynu s menšou energiou potom pri zrážkach so stenami nádoby časť energie ich molekúl prevezmú. Tento mikroskopický proces nazývame tepelná výmena.

Teplo prúdi z teplejšieho telesa na studenšie. V skutočnosti prúdi energia, ktorá sa premieňa na neusporiadaný pohyb molekúl látky (pri plynoch) alebo zvyšuje kmitanie atómov v kryštalickej mriežke (pri tuhých látkach) – teda zvyšuje (resp. znižuje) jej teplotu.

Teplo je teda miera energie, ktorú pri tepelnej výmene odovzdá teplejšie teleso chladnejšiemu. Keď teleso prijíma energiu vo forme tepla, jeho vnútorná energia stúpa.

Prenos tepla čiže tepelná výmena nastáva medzi dvoma telesami (telesom a okolím), ak je medzi nimi teplotný rozdiel. Prebieha prenos energie vo forme tepla vedením, prúdením alebo žiarením z teplejšieho na chladnejšie miesto. Prenosom tepla sa zvýši vnútorná energia, ako aj teplota atómov na chladnejšom mieste. Prenos tepla prebieha pokiaľ sa nevyrovnajú teploty a nedosiahne stav nazývaný tepelná rovnováha.

Dôsledok prenosu tepla ak teleso príjme alebo stratí tepelnú energiu, jeho vnútorná energia vzrastie alebo klesne. V dôsledku toho sa teplota telesa zvýši alebo klesne (veľkosť zmeny teploty závisí od tepelnej kapacity telesa) alebo sa zmení jeho skupenský stav. Tepelná kapacita (c) je telesom prijatá alebo odovzdaná energia vo forme tepla, pri zmene jeho teploty o 1 K. Je to vlastnosť telesa a závisí od jeho hmotnosti a od látky, z ktorej teleso pozostáva. Teda hodnota tepelnej kapacity je rozdielna pre rôzne telesá a dá sa počítať osobitne pre každé teleso.

Skupenstvo. Zmeny (skupenského) stavu: vyparovanie, tuhnutie (mrznutie), topenie, kondenzácia, odparovanie, sublimácia a desublimácia. Všetky prechody z jedného skupenského stavu do druhého sú spojené so zmenou vnútornej energie látky, tzn. každá zmena skupenstva spotrebuváva, alebo uvoľňuje energiu.

Tepelné súvislosti

Teplom sa zaoberá časť fyziky nazývaná Termika, alebo tepelná fyzika.

Teplo potrebné k ohriatiu látky o jeden teplotný stupeň sa nazýva tepelná kapacita. Teplo potrebné k ohriatiu jedného kilogramu látky o jeden teplotný stupeň sa nazýva merná tepelná kapacita (merné teplo). Teplo potrebné k ohriatiu jedného mólu látky o jeden teplotný stupeň sa nazýva molárna tepelná kapacita (molárne teplo).

Meraním tepla sa zaoberá kalorimetria. Základom kalorimetrických úvah je zákon zachovania energie, ktorého znenie vyjadruje tzv. kalorimetrická rovnica.

Šírenie tepelnej energie z jedného miesta na druhé môže prebiehať vedením, prúdením alebo žiarením (sálaním).

Znamienko hodnoty tepla hovorí, či ide o teplo prijaté, alebo odovzdané, pričom nie je presne dané či kladná hodnota znamená prijaté, alebo vydané teplo.

Teplo prakticky

Väčšina tepla na povrchu Zeme, priamo alebo nepriamo pochádza zo Slnka. Teplo slnečných lúčov pochádza z termonukleárnych reakcií vo vnútri Slnka. Naše telo takisto neustále vyvíja teplo, pochádzajúce z biologicko-chemického spaľovania potravín, v ktorých je tiež naakumulovaná energia Slnka. Slnečná energia spôsobuje zmeny počasia, fúkanie vetra, dážď, sneh. Vo vnútri Zeme panuje tiež obrovské teplo. To zase zapríčiňuje výbuchy sopiek a zemetrasenia. Teplo, ktoré sa uvoľňuje spaľovaním paliva, využívajú na pohyb motory v autách, lietadlách a iných dopravných prostriedkoch. Elektrárne menia teplo na elektrinu, ktorá sa privádza do domácností. Teplo je teda druh energie. Všetko, dokonca i najchladnejší predmet, má určité teplo – studené teleso ho má jednoducho menej ako horúce. Tepelná energia pochádza z kmitavého pohybu atómov a molekúl. V horúcich telesách sa pohybujú rýchlejšie, v chladnejších pomalšie.

Mechanizmy výmeny tepla

Doteraz sme sa zaoberali jedným špeciálnym spôsobom výmeny tepla, obvyklým najmä v termodynamike, pri ktorom sa energia prenáša medzi tuhou látkou a plynom (resp. kvapalinou). Okrem toho poznáme tri ďalšie základné spôsoby výmeny tepla, a to vedenie, konvekciu a žiarenie.

Vedenie tepla (Kondukcia)

Bližšie informácie v hlavnom článku: Vedenie tepla

Toto je najbežnejší spôsob prenosu tepla v tuhých látkach. Spočíva v tom, že ak majú jednotlivé časti telesa rôznu teplotu, interakciou medzi susediacimi molekulami dochádza k prenosu energie tak, aby sa teplota vyrovnala. Najjednoduchším prípadom vedenia tepla je tyč s konštantným prierezom S a dĺžkou L, ktorej konce majú teploty T₁ a T₂. Medzi týmito dvoma koncami sa potom za čas $\Delta t$ prenesie teplo veľkosti

\Delta Q={\frac {\lambda S(T_{2}-T_{1})}{L}}\,\Delta t,

kde $\lambda$ je konštanta pred daný materiál charakterizujúca "ako dobre" vedie teplo, nazýva sa merná tepelná vodivosť. Jej hodnoty pre rôzne látky sa veľmi líšia. Veľkú tepelnú vodivosť majú zvyčajne kovy (napríklad meď 390 Wm⁻¹K⁻¹, hliník 240 ⁻¹, platina 70 Wm⁻¹K⁻¹, oceľ 40 Wm⁻¹K⁻¹), dobrými izolantmi sú napríklad sklo (1,3 Wm⁻¹K⁻¹) a drevo (podľa druhu, menej ako 1 Wm⁻¹K⁻¹).

Prúdenie tepla (Konvekcia)

Bližšie informácie v hlavnom článku: Prúdenie tepla

Dochádza k nej v plynoch i kvapalinách. Konvekcia je založená na tom, že hustota látky sa mení s teplotou a preto keď majú jej rôzne oblasti rôznu teplotu, dochádza k prirodzenému prúdeniu (konvekcii) a následne premiešavaniu a vyrovnávaniu teplôt. Konvekciu môžeme pozorovať napríklad v hrnci s vodou pri zohrievaní na sporáku, kde zohriata a ľahšia voda stúpa a dole ju nahrádza chladnejšia voda z vyšších vrstiev kvapaliny. V beztiažovom stave rozdiel hustôt nespôsobí pohyb častí kvapaliny, takáto prirodzená konvekcia vtedy preto neprebieha. Ak je prúdenie vnútené (napríklad ventilátorom v miestnosti), hovoríme o nútenej konvekcii.

Žiarenie tepla (Radiácia)

Bližšie informácie v hlavnom článku: Sálanie

Keď nastavíme dlaň k ohňu, cítime teplo. V tomto prípade ide o prenos žiarením – horúce povrchy telies vyžarujú fotóny podľa Planckovho zákona, časť týchto fotónov je zachytená našimi rukami a spôsobuje pocit tepla. Na rozdiel od predchádzajúcich spôsobov, žiarenie nevyžaduje prítomnosť nejakého média, ktoré by prenos tepla zabezpečilo – uskutočňuje sa aj vo vákuu. Žiarením je prenášaná napríklad energia zo Slnka na Zem, časti tepla sa Zem vlastným žiarením zbavuje.

Žiarenie tzv. absolútne čierneho telesa popisuje Stefanov-Boltzmannov zákon, podľa ktorého ak má toto teleso teplotu T, z plochy S je vyžarovaný výkon (množstvo energie za jednotku času)