Θερμότητα: Μια μορφή ενέργειας

Ορισμός της θερμότητας

(1) όταν θερμαίνουμε το νερό η θερμοκρασία του αυξάνεται (2) όταν θερμαίνουμε τον αέρα του δοχείου, το έμβολο μετακινείται.

Παρουσιάζουμε δυο πειράματα: Στο πρώτο, ένα δοχείο που περιέχει νερό θερμοκρασίας 15οC, θερμαίνεται με μια εστία και παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία του φτάνει στους 80οC. Για να ερμηνεύσουμε αυτό το φαινόμενο, χρησιμοποιούμε την έννοια της ενέργειας. Δεχόμαστε ότι ενέργεια από την φλόγα μεταφέρεται στο νερό, με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του. (Υπενθύμιση: η ενέργεια μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο  ή μετατρέπεται από μια μορφή σε μια άλλη)

Στο δεύτερο πείραμα, έχουμε ένα δοχείο με αέρα που κλείνεται με ένα έμβολο. Με μια εστία θερμαίνουμε το δοχείο. Παρατηρούμε ότι το έμβολο ανυψώνεται. Για να εξηγήσουμε αυτό το φαινόμενο, δεχόμαστε ότι ενέργεια μεταφέρεται από την εστία προς τον αέρα του δοχείου, με αποτέλεσμα να αυξηθεί η θερμοκρασία του και το έμβολο να αποκτήσει κινητική και δυναμική ενέργεια.

Και στις δυο περιπτώσεις, έχουμε μεταφορά ενέργειας από την εστία, που έχει μεγάλη θερμοκρασία, στο νερό και στον αέρα του δοχείου, που έχουν μικρότερη θερμοκρασία. Γενικά θερμότητα λέμε την ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο, λόγω διαφοράς θερμοκρασίας και μεταφέρεται πάντα με φορά από ένα σώμα μεγαλύτερης θερμοκρασίας σε ένα σώμα μικρότερης θερμοκρασίας.

Στη καθημερινή ζωή, πολλές φορές χρησιμοποιούμε την έννοια της θερμότητας λανθασμένα, π.χ. λέμε ότι ένα ζεστό σώμα έχει μεγάλη θερμότητα ή ένα κρύο σώμα έχει μικρή θερμότητα. Στη γλώσσα της φυσικής, η έννοια της θερμότητας έχει αυστηρό ορισμό και ονομάζεται η ενέργεια η οποία μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο, λόγω του ότι έχουν διαφορά θερμοκρασίας. Η φράση «η θερμότητα είναι η ενέργεια που έχει ένα σώμα» στη φυσική θεωρείται λανθασμένη.  Για να γίνει κατανοητό, ας πάρουμε την έννοια του έργου που παρουσιάσαμε σε προηγούμενο κεφάλαιο. Τα σώματα έχουν κινητική ή δυναμική ενέργεια, δεν περικλείουν όμως έργο. Το έργο εκφράζει τη μηχανική ενέργεια που μεταφέρεται από ή προς ένα σώμα ή τη μετατροπή της από μια μορφή στην άλλη.

Η αύξηση της θερμοκρασίας ενός σώματος, εκτός από μεταφορά θερμότητας από ένα άλλο σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας, μπορεί να οφείλεται και σε άλλους μηχανισμούς όπως η τριβή. Ένα σώμα που σύρεται σε μια επιφάνεια με τριβή, έχει αποτέλεσμα να αυξηθεί η θερμοκρασία του, λόγω του έργου της δύναμης της τριβής. Επίσης, αν με ένα αναδευτήρα ανακατέψουμε νερό σε ένα δοχείο για αρκετή ώρα, θα έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού. Η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού σε αυτή την περίπτωση, οφείλεται σε προσφορά μηχανικής ενέργειας και όχι σε μεταφορά θερμότητας.

Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας, γι’ αυτό η μονάδα μέτρησης της στο Διεθνές Σύστημα μονάδων  S.I. είναι το 1Joule. Στην καθημερινή ζωή, χρησιμοποιούμε ως μονάδα θερμότητας το calorie (cal), για το οποίο ισχύει 1cal=4,18J. Η θερμότητα συμβολίζεται με το γράμμα Q.

Θερμική επαφή και θερμική ισορροπία

Το μέταλλο και το νερό είναι σε θερμική επαφή. Θερμότητα μεταφέρεται από το νερό στο μέταλλο. Η θερμοκρασία του μετάλλου αυξάνεται και του νερού μειώνεται, μέχρι ότου επέλθει θερμική ισορροπία.

Για δυο σώματα για τα οποία είναι δυνατόν να μεταφερθεί θερμότητα από το ένα στο άλλο, στη φυσική λέμε ότι βρίσκονται σε θερμική επαφή. Ας δούμε το εξής φαινόμενο: Σε ένα δοχείο με νερό μεγάλης θερμοκρασίας 80οC,  το οποίο είναι θερμικά μονωμένο από το περιβάλλον, βυθίζουμε ένα μεταλλικό κύλινδρο, ο οποίος βρίσκεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 25οC. Ο κύλινδρος και το νερό βρίσκονται σε θερμική επαφή. Θερμότητα μεταφέρεται από το σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας (νερό) προς το σώμα μικρότερης θερμοκρασίας (μέταλλο). Η θερμοκρασία του νερού μειώνεται και του μετάλλου αυξάνεται. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, η θερμοκρασία του μετάλλου γίνεται ίδια με τη θερμοκρασία του νερού και η μεταφορά θερμότητας σταματά. Τώρα λέμε ότι το μέταλλο βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το νερό.

Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας ενός σώματος με θερμόμετρο, φέρνουμε το θερμόμετρο σε θερμική επαφή με το σώμα. Περιμένουμε λίγο, ώστε να σταματήσει η μεταφορά θερμότητας και να αποκατασταθεί θερμική ισορροπία του θερμόμετρου με το σώμα και συνεπώς να αποκτήσουν την ίδια θερμοκρασία. Τώρα είμαστε έτοιμοι να διαβάσουμε την ένδειξη της θερμοκρασίας στο θερμόμετρο, που είναι η θερμοκρασία του σώματος. Ας επαναλάβουμε ότι, δυο σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία όταν έχουν την ίδια θερμοκρασία και έχει σταματήσει η μεταφορά θερμότητας από το ένα σώμα στο άλλο.