Toplota i temperatura

Svi molekuli usled stalnog kretanja

sadrže kinetičku energiju Ek.

Usled dejstva međumolekulskih silamolekuli imaju i potencijalnu energijuEp.

Zbir kinetičke energije i potencijalneenrgije svih čestica tela je deounutrašnje energije tela i zove setoplotna energija tela.

(Za naša razmatranja dovoljno jeposmatrati samo Ek ).

Molekularno - kinetičke teorije: supstance su sastavljene od

vrlo malih čestica (molekula, atoma i jona) koji se nalaze u

stalnom haotičnom kretanju.

Kontakt dva tela: toplijeg i hladnijeg:

Čestice sa većom kinetičkom energijom pri sudaru predajudeo energije česticama sa manjom energijom.

To telo koje predaje toplotu kaže se da je toplije, a telokoje prima toplotu kaže se da je hladnije.

Prelaz traje dok se ne uspostavi termička ravnoteža,kinetička energija molekula oba tela je ista.

Dva tela u termičkoj ravnoteži imaju istu temperaturu.

Temperatura

Jedna od 7 osnovnih jedinica SI sistema.

Temperatura je stepen zagrejanosti nekog

tela.

Fizičko objašnjenje pomoću molekulsko

-kinetičke teorije supstancije:

- jednaka količina neke supstancije ima različitu

unutrašnju energiju kada se nalazi u različitim agregatnim

stanjima;

- ta količina supstancije može dovođenjem ili odvođenjem

energije da prelazi iz jednog u drugo agregatno stanje.

Npr. dovođenjem energije: čvrsto-tečno-gasovito:

molekula raste sa dovođenjem energije.

kE

Def. Temperatura kao fizička veličina je mera srednje

kinetičke energije čestica i predstavlja osobinu

makroskopske materije sastavljene od većeg broja čestica.

Temperatura je upravo proporcionalna srednjoj kinetičkojenergiji čestica tela:

k – Bolcmanova konstanta;

T – apsolutna temperatura.

i T su uvek pozitivne veličine.

Na apsolutnoj nuli nema toplotnog kretanja.

kE

Temperatura se meri termometrom.

Rad termometara je zasnovan na:

1) termičkom širenju tela: Hg termometar,

, termometar sa

alkoholom, t = -130 0C, kvarcni

termometar, t < 6000C ,

2) promeni električne otpornosti usled

zagrevanja;

3) termoelektričnim pojavama i

4) na merenju talasne dužine svetlosti koju

emituje telo, pirometri,

.

Temperaturne skale:

Kelvinova, Celzijusova, Farenhajtova i Reomirova.

Toplota i specifični toplotni kapacitet

Dodavanjem ili oduzimanjem toplote telu se menja

temperatura a promena zavisi od:

- količine toplote predate telu,

- mase tela i - prirode tela.

Količina toplote:

c - specifična toplota tela brojno je jednaka količini toplote

koju treba dovesti jedinici mase nekog tela, da bi se

temperatura tela povisila za jedan stepen.

Jedinica je: J/kg 0C.

Toplotni kapacitet tela

Toplotni kapacitet tela predstavlja količinu toplote

potrebnu da se telo zagreje za jedan stepen:

Zavisi od:

- vrste materijala tela,

- mase tela i

- temperature tela.

Širenje čvrstih tela pri zagrevanju

Linearno

Površinsko

Zapreminsko

• Povećanjem tempererature većina tela se širi u svimpravcima, odnosno menja se zapremina tela.

Linearno širenje tela(promena dimenzije tela samo u jednom pravcu)

l0 - dužina štapa na temperaturi t0.

l - dužina štapa na temeperaturi t,

Δl - promena dužine štapa,

Δt - promena temperature,

α - termički koeficijet linearnog širenja.

Termički koeficijet linearnog širenja je relativno izduženje(tj. promena jedinice dužine) za temperaturni stepen.

Za male promene temperature:

Površinsko širenje tela se razmatra kod tela

zanemarljive debljine, u dva pravca.

Pravougaona ploča ivica a0 i b0 zagrevanjem se širi u pravcu

ivica:

Površina ploče nakon širenja:

Koeficijent lineranog širenja je mali pa je:

β - koeficijent površinskog širenja, dvostruko veći od

koeficijenta linearnog širenja.

Zapreminsko širenje

Slično:

γ - koeficijent zapreminskog širenja, trostruka vrednost

linernog koeficijenta.

Jednačine za površinsko i zapreminsko širenje važe za tela

bilo kojeg oblika.

Promena gustine sa

temperaturom:

Širenje tečnih tela pri zagrevanju

Tečnosti zauzimaju oblik suda u kome se nalaze.

Zapreminsko širenje po zakonu:

Tečnosti se nalaze u sudovima koji se pri zagrevanju takođešire.

Prividno povećanje zapremine tečnosti je:

je prividni koeficijent širenja

tečnosti. To je razlika koeficijenata zaprem. širenja tečnosti izaprem. širenja materijala suda.

Ako je: γt>γs, nivo tečnosti u kapilari se penje, γt<γs nivotečnosti u kapilari se spušta i za γt=γs nivo tečnosti u kapilarimiruje.

-

-

-

• Anomalija vode

Voda ima anomalno ponašanje u pogledu termičkog širenja zbog posebne prirode hemijskih veza u molekulima i između njih.

Voda je najgušća na 4°C.

Koeficijent γ je od 0°C do 4°Cnegativan, dok je iznad 4°Cpozitivan.

Važnost za život na Zemlji

Voda se obično hladi s površine.

Ako je temp. vode viša od 40Chlađenjem se povećava njenagustoća. Molekule padaju na dno.Nastaje strujanje i razmena toplote.Voda se hladi.

Kada se gornji sloj ohladi na 4 0C,hlađenjem se smanjuje gustoćavode na površini. Molekuli ostajuna vrhu. Nema strujanja i razmenetoplote. Rashlađena voda ostaje napovršini i služi kao zaštita od daljeghlađenja.

Smrzavanje vode neide jako duboko. Štiti se biljni i životinjski svet.

Prenošenje toplote

1. Provođenje (kondukcija)

2. Strujanje (konvekcija)

3. Zračenje (radijacija)

1. Provođenje toplote

Prenošenje toplote provođenjem se dešava između tela (ili

čestica tela) koje imaju različite temperature i koja su u

direktnom kontaktu.

Materijali, prema tome kako provode toplotu, se dele na

- toplotne provodnike i

- toplotne izolatore.

Količina toplote ΔQ koja se provođenjem prenosi kroz materijal

u obliku šipke zavisi od:

• prirode tela,

• površine poprečnog preseka S,

• razlike temperatura (T2−T1),

• gradijenta temperature ΔT/Δx

• vremena provođenja τ.

•Koeficijenta toplotne (termičke) provodljivosti (u [W/mK]) λkarakteriše termičku prirodu materijala kroz koji se provodi

toplota.

Koeficijenta toplotne (termičke) provodljivosti je brojno jednak

količini toplote koja koja prođe kroz telo površine 1m2 za

vreme od 1s kada je pad temperature 1K (10C) po dužini tela

od 1m.

Termički fluks (protok) predstavlja količinu toplote prenetu u

jedinici vremena.

2. Prenošenje toplote strujanjem(konvekcijom)

Strujanje (konvekcija) dešava se samo u fluidima, gasovimai tečnostima, kada se njihova čitava nejednako zagrejanamasa pomera i meša.

Stepen strujanja je utoliko veći ukoliko je veća brzinastrujanja fluida.

Prenos toplote strujanjem je uvek praćen i prenosom toploteprovođenjem, jer su u fluidu čestice različe temperature ustalnom direktnom kontaktu.

Razlikuje se:

- prirodna (slobodna) konvekcija i

- prinudna konvekcija.

Prirodna konvekcija nastaje kao posledica razlike gustinepojedinih delova fluida pri njegovom zagrevanju.

Prinudna konvekcija nastaje kada se kretanje fluida izazivaveštački, pod uticajem spoljašnjih faktora (upotrebomkompresora, pumpi, propelera...).

Razmena toplote između površine na jednoj temperaturi t1 i fluida na drugoj temperaturi t2 zavisi od :

- oblika i nagiba dodirne površine;

-gustine, viskoznosti, masene količina toplote, toplotne provodljivost fluida;- načina kretanja fluida (laminarno ili turbulentno), …

Količina toplote ΔQ koju površina S primi ili preda

konvekcijom u toku vremena Δτ, ako je između površine i

fluida razlika temperatura Δt, iznosi:

3. Prenošenje toplote zračenjem (radijacijom)

Termalna radijacija se odvija između dva razdvojena tela

između kojih se može, a i ne mora nalaziti neka sredina, tj.

proces radijacije se odvija i kroz vakuum.

Proces radijacije obuhvata 3 faze:

1.pretvaranje dela unutrašnje energije jednog tela u energiju

elektromagnetnih talasa;

2. prostiranje elektromagnetnih talasa i

3. apsorpciju zračenja od strane drugog tela.

Izvor termalne radijacije je unutrašnja

energija zagrejanog tela.

Najznačajniji izvor toplotne energije za planetu Zemlju je

Sunce koje svu energiju koju Zemlja dobija od njega prenosi

putem EM talasa - toplotnim zračenjem.

Toplotna energija koja do Zemlje

stiže EM zračenjem deluje na tela

povećavajući im na taj

temperaturu, odnosno

način

njihovu

unutrašnju energiju.

Zračenje je karakteristično zasva tela. Svako telo

emituje ineprekidno

apsorbuje energiju zračenja

ako je njegova temperatura

različita od 0K.

Svako telo emituje zračenje, apsorbuje ili propušta kroz sebe.

Ukupna energija zračenja koja padne na telo je:

gde je: WR - reflektovana energija zračenja;

WA – apsorbovana energija zračenja i

WT – transmitovana (propuštena) energija zračenja.

Emisiona moć nekog tela je energija zračenja koja se emituje

sa jedinične površine tela u jedinici vremena:

U fizici crno telo predstavlja objekat koji

apsorbuje svu energiju EM zračenja koje

pada na njega. Ni jedan deo energije se ne

reflektuje niti prolazi kroz njega.

Idealno crno telo ne postoji. Može se

aproksimirati crnom šupljom kuglom sa

otvorom u kojoj nastaje višestruka refleksija

i apsorpcija EM zračenja, ali energija ne

izlazi iz kugle.

Crno telo apsorbuje svu energiju koja padne na njega i može

samo zračiti energiju koja zavisi samo od njegovih karakteristika i

ne zavisi od incidentnog zračenja.

Slovenački fizičar Bolcman je dokazao da je emisiona moć

crnog tela, proporcionalna četvrtom stepenu njegove apsolutne

temperature.

Njegov učenik, Štefan, je postavio matematičku formulaciju

Štefan Bolcmanovog zakona :

gde je -Štefan-Bolcmanova konstanta.

gde je ε nova konstanta proporcionalnosti koja definišeemisivnost sivog tela.

Emisivnost se definiše kao odnos emisone moći nekog tela i emisione moći crnog tela na istoj temperaturi:

Emisivnost definiše sposobnost nekog tela da

emituje toplotnu energiju. Ima vrednost od0 do 1.

Crno telo ima emisivnost jednaku jedinici.

I za tela koja nisu apsolutno crna, za takozvana siva tela koja ne

apsorbuju i ne emituju celokupnu energiju, važi da je emisiona moć

proporcionalna četvrtom stepenu njegove apsolutne temperature:

Vinov zakon: Ako maksimalnim vrednostima emisione moći

odgovara talasna dužina λmax, tada je proizvod te talasne dužine i

temperature crnog tela u kelvinima, T, konstantan:

gde je b – Vinova konstanta.

Gornji izraz je namenjen za određivanje temperature bilo kojeg tela

koje zrači i ima temperaturu koja se značajno razlikuje od temperature

okruženja.

Vinov zakon može da se formuliše i na sledeći način: Talasna dužina

koja odgovara maksimalnoj emitovanoj energiji obrnuto je

proporcionalna odgovarajućoj apsolutnoj temperaturi.