Τι είναι η θερμότητα;



Φαντάσου πως σήμερα είναι τα γενέθλια σου (εκτός και αν σήμερα είναι όντως τα γενέθλιά σου άρα δεν χρειάζεται να το φανταστείς, οπότε…χρόνια πολλά!). Μιας και έχεις καλεσμένους στο σπίτι, αποφάσισες να φτιάξεις ένα κέικ για να τους κεράσεις. Το κέικ ψήνεται στους 200 oC για αρκετή ώρα τώρα, οπότε και αποφασίζεις ότι είναι έτοιμο. Τη στιγμή που βγάζεις το ταψί με το κέικ από τον φούρνο προσέχεις πολύ περισσότερο να μην ακουμπήσεις το ταψί, παρά το κέικ. Γιατί όμως; Είναι άραγε επειδή το ταψί είναι πιο ζεστό από το κέικ; Αν και τα δύο αντικείμενα βρισκόταν στον φούρνο για την ίδια ώρα πως είναι δυνατόν να έχουν διαφορετική θερμοκρασία;

Για να απαντήσουμε σε αυτό, θα πρέπει πρώτα να καταλάβουμε τι είναι η θερμότητα, τι η θερμοκρασία και τι η θερμική ενέργεια.

Η θερμική ενέργεια είναι η εσωτερική ενέργεια που έχει η ύλη, εν μέρη λόγω των ατόμων και μορίων της που κινούνται ασταμάτητα προς κάθε δυνατή κατεύθυνση, σαν μεταλλάδες σε συναυλία. 1



Πηγή: By Greg L at the English language Wikipedia, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1325234



Χέρια πόδια στην αυλή κι όλοι πέφτουνε στη γη!


Όσο πιο ζωηρά κινούνται αυτά τα σωματίδια, τόσο περισσότερη θερμική ενέργεια έχει το σώμα και τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του. Για παράδειγμα, μια καυτή πατάτα έχει μεγαλύτερη θερμική ενέργεια από ένα παγάκι, χωρίς βέβαια αυτό να σημαίνει πως το παγάκι δεν έχει καθόλου θερμική ενέργεια.

Από την άλλη, αντικείμενα που βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία δεν έχουν απαραίτητα την ίδια θερμική ενέργεια. Δύο λίτρα νερού στους 20 oC έχουν περισσότερη θερμική ενέργεια από ένα λίτρο νερού στην ίδια θερμοκρασία, γιατί πολύ απλά μιλάμε για διπλάσια μόρια νερού. 2




Άρα η θερμοκρασία είναι ένας τρόπος που οι ίδιοι επινοήσαμε για να μας λέει πόσο ζεστό ή κρύο είναι ένα σώμα, δηλαδή τελικά πόσο γρήγορα κινούνται τα μόριά του.


Υπάρχει κάποια θερμοκρασία στην οποία τα μόρια της ύλης σταματάνε να κινούνται εντελώς;

Η θεωρητικά χαμηλότερη θερμοκρασία στο σύμπαν είναι το απόλυτο μηδέν, δηλαδή οι -273.15 oC, ή αλλιώς η βαθμολογία μου στο μάθημα των Γαλλικών στο σχολείο. Πρακτικά βέβαια, η θερμοκρασία αυτή είναι άπιαστη, γιατί απαιτεί ένα σύστημα πλήρως απομονωμένο από το υπόλοιπο σύμπαν, ακριβώς στην κατάσταση που ήμουν και εγώ δηλαδή με τα Γαλλικά. Ακόμα όμως και σε αυτή τη θερμοκρασία η κίνηση των μορίων δεν σταματάει εντελώς γιατί υπάρχει μια ελάχιστη ποσότητα ενέργειας (ενέργεια μηδενικού σημείου).

Η θερμική ενέργεια γενικά σπάνια μένει εκεί όπου την αφήνεις. Ρέει αυθόρμητα και πάντοτε από τα θερμότερα στα ψυχρότερα σώματα, έως ότου υπάρξει θερμική ισορροπία. Θερμική ισορροπία είναι ο επιστημονικός τρόπος για να πούμε πως τα παγωτά πάντα θα λιώνουν το καλοκαίρι και το ζεστό νερό του θερμοσίφωνα πάντα θα κρυώνει τον χειμώνα. Αν αφήσεις ένα φλιτζάνι ζεστό καφέ και ένα ποτήρι παγωμένη μπύρα στο τραπέζι, κάποια στιγμή και τα δύο θα αποκτήσουν τη θερμοκρασία του δωματίου. Ο καφές θα μεταδώσει θερμική ενέργεια στον αέρα, ενώ η μπύρα θα απορροφήσει θερμική ενέργεια. 3

Τη μεταφορά ενέργειας από ένα θερμό σε ένα ψυχρό σώμα, την ονομάζουμε θερμότητα. Η έννοια της θερμότητας χρησιμοποιείται μόνο για το χρονικό διάστημα όπου συμβαίνει μεταφορά ενέργειας. Για παράδειγμα, το φλιτζάνι με τον καφέ έχει θερμική ενέργεια λόγω της κίνησης των μορίων του, αλλά δεν έχει θερμότητα. Ο καφές που μόλις ψήσαμε έχει θερμική ενέργεια αλλά δεν έχει θερμότητα. Από τη στιγμή όμως που θα αδειάσουμε το ζεστό καφέ στο φλιτζάνι θα αρχίσει ροή ενέργειας από τον καφέ προς το φλιτζάνι, η οποία ταυτίζεται με την έννοια της θερμότητας. 4


Πως μεταφέρεται η θερμότητα;

Η θερμότητα έχει τρεις τρόπους διάδοσης:
  • Με αγωγή
  • Με μεταφορά
  • Με ακτινοβολία


Αγωγή
Αγωγή υπάρχει όταν η θερμότητα διαδίδεται μεταξύ δύο σωμάτων σε διαφορετική θερμοκρασία τα οποία βρίσκονται σε επαφή ή μεταξύ δύο μερών του ίδιου σώματος που βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες.

Αυτό που συμβαίνει ουσιαστικά στην αγωγή είναι ότι τα μόρια του σώματος με υψηλότερη θερμοκρασία έρχονται σε επαφή με τα μόρια του σώματος χαμηλότερης θερμοκρασίας και τους μεταφέρουν κάποιο κομμάτι της κινητικής τους ενέργειας, κάνοντας τα να κινούνται πιο γρήγορα.

Αν βγω από το μπάνιο και πατήσω ξυπόλητος στα πλακάκια τα πόδια μου θα κρυώσουν γιατί η θερμότητα φεύγει γρήγορα από το σώμα μου και καταλήγει στο πάτωμα μέσω αγωγής. Αν επιχειρήσω να ανακατέψω μια καυτή σούπα με ένα μεταλλικό κουτάλι (γιατί η ξύλινη κουτάλα είναι στον νεροχύτη και βαριέμαι να την πλύνω), η θερμότητα θα μεταδοθεί από τη σούπα στα δάχτυλά μου μέσω του κουταλιού και θα με κάψει. Γενικά η θερμότητα μεταφέρεται με αγωγή κυρίως στα στερεά σώματα. 5




Μεταφορά
Η μεταφορά είναι ο κύριος τρόπος που η θερμότητα διαδίδεται σε υγρά και αέρια. Όταν έξω έχει κρύο και εσύ θα ανάψεις το σώμα για θέρμανση (καλοριφέρ, σόμπα, τζάκι, σπίρτα…ό,τι έχει ο καθένας), ο αέρας που βρίσκεται κοντά στο σώμα θερμαίνεται γρήγορα, η πυκνότητά του μειώνεται και έτσι παίρνει την ανηφόρα. Ο πιο κρύος και πυκνότερος αέρας που βρίσκεται από πάνω θα πάρει τη θέση του προηγούμενου, μέχρι και αυτός να ζεσταθεί αρκετά ώστε να αρχίσει να ανεβαίνει και να πάρει τη θέση του άλλος, και ούτω καθεξής. Με τον ίδιο τρόπο ζεσταίνεται και η σούπα την οποία προσπάθησα να ανακατέψω με μεταλλικό κουτάλι. 5




Ακτινοβολία
Η αγωγή μεταφέρει τη θερμότητα στα στερεά, η μεταφορά στα ρευστά (υγρά και αέρια), η ακτινοβολία όμως δεν χρειάζεται κανένα μέσο για να διαδοθεί – μπορεί να μεταφέρει τη θερμότητα μέσω του κενού. Η ακτινοβολία είναι ο τρόπος με τον οποίο η Γη και ολόκληρη η ανθρωπότητα ζεσταίνεται από τον Ήλιο. Είναι επίσης ο λόγος για τον οποίον αισθάνεσαι τη ζεστασιά της φωτιάς ακόμα και όταν βρίσκεσαι σε κάποια απόσταση από αυτή. Η θερμότητα που εκλύεται από τη φωτιά είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (για την ακρίβεια, υπέρυθρη ακτινοβολία) – και όπως όλες οι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός. Είναι επίσης κάτι που εκπέμπεται (σε διαφορετικές βέβαια εντάσεις) από οτιδήποτε βρίσκεται σε θερμοκρασία μεγαλύτερη του απόλυτου μηδενός, δηλαδή τα πάντα στο σύμπαν. 6




Γιατί ορισμένα αντικείμενα τα αισθανόμαστε περισσότερο ψυχρά ή θερμά από κάποια άλλα;

Οι άνθρωποι συχνά αναφέρονται στο «ψυχρό ατσάλι» και σίγουρα θα συμφωνούσες πως ανάμεσα σε ένα αντικείμενο από ατσάλι και ένα από ξύλο, το ατσάλι το αισθάνεσαι πιο ψυχρό.

Στην πραγματικότητα όμως, δεν είναι. Με την προϋπόθεση ότι και τα δύο αντικείμενα βρίσκονται στον ίδιο χώρο για κάποιο χρονικό διάστημα, και τα δύο έχουν την θερμοκρασία που έχουν και τα υπόλοιπα αντικείμενα στο δωμάτιο: τη θερμοκρασία του δωματίου.

Η θερμοκρασία του δέρματος σου είναι λίγο πιο χαμηλή από τους 37 oC, ενώ οτιδήποτε άλλο μέσα στο δωμάτιο (εκτός ίσως από ένα αναμμένο καλοριφέρ) βρίσκεται στη μέση θερμοκρασία του δωματίου σου – περίπου στους 20 oC. Έτσι λοιπόν, όταν αγγίζεις κάποιο αντικείμενο στο δωμάτιο, θα το αισθανθείς ψυχρότερο απ’ ότι είσαι εσύ γιατί είναι ψυχρότερο απ’ ότι είσαι εσύ. Η θερμότητα θα μεταδοθεί από το δέρμα σου προς το αντικείμενο, μεταδίδοντας σου την αίσθηση του κρύου.

Ενώ όλα τα αντικείμενα στο δωμάτιό σου είναι πιο κρύα από το δέρμα σου και έτσι μπορούν να «κλέψουν» κάποια ποσότητα θερμότητας από αυτό, κάποια υλικά είναι καλύτεροι «κλέφτες θερμότητας» από κάποια άλλα, κοινώς είναι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας. Οι καλοί αγωγοί μεταφέρουν πιο αποτελεσματικά την κλεμμένη θερμότητα και όσο πιο γρήγορα ένα υλικό μεταφέρει τη θερμότητα μακριά από σένα, τόσο πιο κρύο το αισθάνεσαι στο χέρι σου (ή οπουδήποτε αλλού σε ακουμπάει…). 7




Για τον ίδιο ακριβώς λόγο, παρ’ όλο που το ταψί και το κέικ που μόλις βγήκαν από το φούρνο βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία, το ταψί είναι καλύτερος αγωγός της θερμότητας, μεταφέροντας τη στο χέρι σου με αρκετά γρήγορο ρυθμό ώστε να σε κάνει να το τραβήξεις αμέσως μόλις το ακουμπήσεις.

Το ζεστό και το κρύο λοιπόν είναι δύο εντελώς σχετικές έννοιες. Τα αντικείμενα δεν είναι από τη φύση τους θερμά ή ψυχρά, απλά μεταφέρουν τη θερμότητα με διαφορετικούς ρυθμούς, ενώ η αίσθηση που τελικά μας δίνουν εξαρτάται και από τη θερμοκρασία του σώματός μας.



Frostmourne art by Feraligono
(http://feraligono.deviantart.com/art/Frostmourne-Create-swf-Prop-376836735)


Δείτε το σχετικό βίντεο




Διαβάστε επίσης



Περισσότερες πληροφορίες