Θερμοκρασία, θερμότητα και μικρόκοσμος

Τα υλικά σώματα, αέρια, υγρά και στερεά, αποτελούνται από ένα τεράστιο πλήθος μικροσκοπικών σωματιδίων, που διατηρούν τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του σώματος, που στη γλώσσα της Φυσικής λέγονται δομικοί λίθοι. Συνήθως είναι τα μόρια του σώματος, αλλά κάποιες φορές μπορεί να είναι άτομα ή ιόντα. Οι μακροσκοπικές ιδιότητες των σωμάτων, όπως το σχήμα και ο όγκος τους, μπορούν να ερμηνευτούν με βάση τον τρόπο κίνησης των δομικών λίθων τους.

1] Στα αέρια, οι δομικοί λίθοι (μόρια), κινούνται άτακτα με τυχαίο τρόπο, ελεύθερα προς κάθε κατεύθυνση, κατακλύζοντας τον χώρο που τους διατίθενται. Εδώ οι δομικοί λίθοι, βρίσκονται σε σχετικά μακρινή απόσταση μεταξύ τους, ασκώντας μεταξύ τους πολύ μικρές δυνάμεις. Γι’ αυτό τα αέρια δεν έχουν καθορισμένο σχήμα αλλά, ούτε καθορισμένο όγκο.

2] Στα υγρά, οι δομικοί λίθοι βρίσκονται κοντά ο ένας  με τον άλλο, έτσι ώστε οι δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ τους, έχουν σαν αποτέλεσμα, να βρίσκονται σε «σταθερή» απόσταση μεταξύ τους και επιτρέπουν στους δομικούς λίθους να «γλιστρούν» μεταξύ τους. Έτσι τα υγρά έχουν καθορισμένο όγκο, αλλά δεν έχουν καθορισμένο σχήμα, παίρνουν το σχήμα του δοχείου που βρίσκονται.

3] Στα στερεά, οι δομικοί  λίθοι βρίσκονται πολύ κοντά ο ένας με τον άλλο, έτσι ώστε οι δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ τους να είναι ισχυρές. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, οι δομικοί λίθοι να βρίσκονται σε σταθερές θέσεις και έτσι τα στερεά έχουν καθορισμένο όγκο και καθορισμένο σχήμα. Στα στερεά, οι δομικοί λίθοι μπορούν να εκτελούν μικρές άτακτες ταλαντώσεις γύρω από τη θέση τους.

Δομικοί λίθοι και θερμοκρασία

Με το παρακάτω πείραμα, θα εξετάσουμε πως σχετίζεται η κίνηση των δομικών λίθων ενός σώματος (εδώ ένα αέριο), με τη θερμοκρασία του. Παίρνουμε ένα δοχείο, που περιέχει ένα αέριο και το οποίο κλείνεται με ένα εμβολο. Θερμαίνοντας το αέριο, παρατηρούμε ότι το εμβολο κινείται. Αυτό εξηγείται ως εξής:  Με τη θέρμανση, οι δομικοί λίθοι (μόρια) του αερίου συγκρούονται με τα τοιχώματα, καθώς και με το εμβολο με μεγαλύτερες ταχύτητες, με αποτέλεσμα να ασκούν μεγαλύτερες δυνάμεις. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, η πίεση του αερίου να αυξηθεί και το εμβολο να κινηθεί. Όμως μεγαλύτερες ταχύτητες σημαίνει και μεγαλύτερες κινητικές ενέργειες. Συνεπώς, όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος τόσο μεγαλύτερη κινητική ενέργεια (και ταχύτητα) έχει ο κάθε δομικός λίθος του.

Μεταφορά θερμότητας και θερμική ισορροπία

Όταν φέρουμε δυο σώματα, τα οποία έχουν διαφορετική θερμοκρασία σε θερμική επαφή, οι δομικοί λίθοι του ενός συγκρούονται με τους δομικούς λίθους του άλλου. Κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων οι δομικοί λίθοι που έχουν μεγαλύτερη κινητική ενέργεια, δίνουν ενέργεια στους δομικούς λίθους με χαμηλότερη κινητική ενέργεια. Λόγω του μεγάλου αριθμού συγκρούσεων, έχουμε μεταφορά ενέργειας από το σώμα μεγαλύτερης θερμοκρασίας στο σώμα μικρότερης θερμοκρασίας και θα συμβαίνει αυτό μέχρι να εξισωθούν οι θερμοκρασίες των σωμάτων.

Συνεπώς η θερμότητα που μεταφέρεται από ένα σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας σε ένα σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας, που βρίσκονται σε θερμική επαφή, οφείλεται στην μεταφορά μηχανικής ενέργειας μέσω των άτακτων συγκρούσεων των δομικών λίθων των δυο σωμάτων.

Θερμική ενέργεια

Το άθροισμα των κινητικών ενεργειών ενός σώματος λόγω της άτακτης κίνησης τους, ονομάζεται θερμική ενέργεια του σώματος.

Η θερμική ενέργεια ενός σώματος εξαρτάται από τη θερμοκρασία του, καθώς και από τη μάζα του σώματος. Πράγματι όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η κινητική ενέργεια των δομικών λίθων του. Επίσης, όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του σώματος, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των δομικών λίθων του.

Για να γίνει κατανοητό ας δούμε ένα παράδειγμα: Ένα ποτήρι καυτό νερό, αν και έχει πολύ μεγαλύτερη θερμοκρασία από ένα παγόβουνο, το οποίο έχει πολύ μεγαλύτερη μάζα από το ποτήρι το νερό, το παγόβουνου έχει πολύ μεγαλύτερη θερμική ενέργεια από το καυτό νερό του ποτηριού.

Πρέπει να γίνει ξεκάθαρο το εξής: Η θερμική ενέργεια εκφράζει τη συνολική ενέργεια όλων των δομικών λίθων του, ενώ η θερμοκρασία εκφράζει τη μέση κινητική ενέργεια των δομικών λίθων του.

Δυνάμεις μεταξύ μορίων και εσωτερική ενέργεια σώματος

Δεχόμαστε ότι οι δομικοί  λίθοι των αερίων (μόρια), κινούνται ελεύθερα και δεν ασκούν δυνάμεις μεταξύ τους. Στα υγρά και στερεά, οι δομικοί λίθοι βρίσκονται αρκετά κοντά μεταξύ τους, ασκώντας δυνάμεις που στα στερεά είναι ισχυρότερες από ότι στα υγρά. Τώρα επειδή στα υγρά και στερεά, οι δομικοί λίθοι αλληλεπιδρούν ασκώντας δυνάμεις μεταξύ τους, εκτός από κινητική ενέργεια έχουν και δυναμική ενέργεια. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Εσωτερική ενέργεια ενός σώματος ονομάζουμε το άθροισμα της κινητικής και δυναμικής ενέργειας όλων των δομικών λίθων του σώματος.

Στα αέρια οι δομικοί λίθοι, δεν έχουν δυναμική ενέργεια, αφού βρίσκονται «μακριά» το ένα από το άλλο και δεν αλληλεπιδρούν. Η εσωτερική ενέργεια του αερίου, είναι ίση με την θερμική ενέργεια του. Μονάδα μέτρησης της εσωτερικής ενέργειας είναι το Joule.

Η θερμότητα και η αρχή διατήρησης της ενέργειας

Όταν θερμαίνουμε ένα αέριο που βρίσκεται σε ένα δοχείο που κλείνεται από ένα εμβολο τότε α) Αυξάνεται η θερμοκρασία του και συνεπώς και η εσωτερική ενέργεια του. β) Παράγεται μηχανικό έργο καθώς το αέριο μετατοπίζει το εμβολο.

Γνωρίζουμε ότι η ενέργεια μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο ή μετασχηματίζεται από την μια μορφή στην άλλη, έτσι ώστε η συνολική ποσότητα να παραμένει σταθερή. (Η ενέργεια δεν εξαφανίζεται αλλά ούτε δημιουργείται από το μηδέν) Αυτή η πρόταση εκφράζει την αρχή διατήρηση της ενέργειας.

Εφαρμόζοντας την αρχή διατήρησης της ενέργειας στο παράδειγμα μας οδηγεί σε μια πρόταση που είναι γνωστή ως πρώτος θερμοδυναμικός νόμος και συγκεκριμένα:

Η θερμότητα Q που μεταφέρεται στο αέριο είναι ίση με το άθροισμα της εσωτερικής ενέργειας  ΔU του αερίου συν το έργο W της δύναμης που ασκεί το αέριο στο εμβολο:

Q = ΔU + W

Ο πρώτος θερμοδυναμικός νόμος διατυπώθηκε για πρώτη φορά από το Γερμανό φυσικό και γιατρό Μάγιερ το 1844. Αποτέλεσε τη βάση για τη δημιουργία των θερμικών μηχανών. Αυτές είναι οι μηχανές που μετατρέπουν την θερμότητα σε μηχανική ενέργεια ή έργο, π.χ. οι μηχανές των αυτοκινήτων. Λίγα χρόνια αργότερα ο Γερμανός φυσικός Κλαούζιους τον διατύπωσε με μεγαλύτερη σαφήνεια.