Toplota za osnovno šolo

Planinec se v mrzlem zimskem jutru odpravi v planinsko kočo.

Vzame bukova polena in zakuri peč. Začuti se toplota, ki jo oddaja odprti ogenj. Bukova drva med gorenjem oddajajo toploto, ki jo najprej zaznamo kot toplotno sevanje. Toplota se postopno prenaša iz kurišča na celotno peč. To se dogaja s pomočjo procesa, ki mu pravimo prevajanje toplote. Ko se zrak ob peči segreva, se dviguje, saj je redkejši od hladnega zraka v okolici. Na stropu se ohlaja in ponovno pada. Zrak zaokroži po prostoru in ga enakomerno segreje. Pojavu pravimo konvekcija.

Na žalost pa toplota iz koče uhaja skozi stene, okna in streho v okolico. Želimo si, da so te izgube čim manjše. Zato poskrbimo, da bo koča toplotno izolirana. Lesene stene so dober toplotni izolator. Tudi sneg na strehi pripomore k boljši izolaciji koče.

Toploto torej oddajajo drva, ki izgorevajo v peči. Da bo imel planinec v koči stalno temperaturo, mora v peč neprestano dodajati kurjavo. S tem se bo nadomeščala toplota, ki uhaja v okolico.

Opisane pojave si bomo podrobneje pogledali v nadaljevanju. Naučili se bomo razlikovati med toploto in temperaturo. Spoznali bomo, kaj je toplota, kaj je izvir toplote in kako se prenaša v okolico. Izračunali bomo tudi, koliko toplote rabimo, da neko snov segrejemo na želeno temperaturo.

Toplota je oblika energije, ki se prenaša med telesi.

Toplota se vedno prenaša:

Označujemo jo s črko Q. Njena enota je joule .

S toploto se med telesi prenaša notranja energija. Z dovajanjem toplote povečamo notranjo energijo snovi, z odvzemanjem toplote pa jo zmanjšujemo. Toplota torej neposredno vpliva na spremembo notranje energije teles:

Poglejmo si dva primera, kjer lahko natančneje spoznamo odnose med toploto, temperaturo in notranjo energijo.

Zelo pomembno je, da razlikujemo med toploto in temperaturo, saj se pojma podobno slišita, vendar imata povsem drugačno vlogo. Izpostavimo razliko:

Izvir toplote je katerokoli segreto telo. To telo oddaja toploto v okolico in na ostala hladnejša telesa v okolici. Vemo, da toplota vedno prehaja iz področja z večjo temperaturo na področje z manjšo temperaturo.

Poglejmo si dva največja vira toplote na našem planetu. Zemlja dobiva večino toplote od Sonca. Tej energiji pravimo sončna energija. Sonce seva toploto, Zemlja pa jo vpija (sprejema). Drugi velik vir toplote pa je toplota, ki prihaja iz notranjosti Zemlje. Tej energiji pravimo geotermalna energija. Nastaja z radioaktivnim razpadom elementov in zaradi visoke temperature ohranja sredico Zemlje tekočo.

Večina virov toplote, ki jih uporabljamo na Zemlji, je nastalo kot posledica delovanja Sonca.

Več o virih energije se lahko naučimo v poglavju Energijski viri.

Toploto, ki jo potrebujemo v vsakdanjem življenju, največkrat dobimo na dva načina:

Prehajanje toplote je izmenjava notranje energije teles. Toplota lahko prehaja od izvira na drugo snov na tri načine:

Zgornjim trem načinom prehajanja toplote pravimo tudi mehanizmi prehajanja toplote. Poglejmo si jih.

Toplota teče sama po sebi od toplejšega telesa proti hladnejšemu. Molekule v segretem telesu se gibljejo hitreje kot v hladnejšem telesu. Hitrejše molekule se zadevajo ob počasnejše in jim oddajajo svojo kinetično energijo. V trdninah so razdalje med molekulami manjše, kot pri kapljevinah in plinih. Kinetična energija se zato s trki lažje prenaša na počasnejše molekule. To je vzrok, da so trdnine (zlasti kovine) največkrat boljši prevodniki toplote kot kapljevine in plini.

Toplota teče tudi znotraj enega samega telesa. Vzemimo kovinsko palico, ki jo na enem mestu segrevamo. Toplota potuje od toplejšega dela palice (rdeča barva) proti hladnejšemu (modra barva).

Snovi različno prevajajo toploto. Dobri prevodniki toplote so na primer kovine.

Večkrat si želimo, da bi snov čim slabše prevajala toploto. Snovem, ki slabo prevajajo toploto, pravimo toplotni izolatorji. Med njimi je na primer les. Dobri toplotni izolatorji so plini in kapljevine, pa tudi trdnine, ki vsebujejo veliko zraka, na primer:

Konvekcija je način prehajanja toplote, značilen za pline in kapljevine. Ko se plin ali kapljevina v neposrednem stiku z izvirom toplote segreje, se razpne. Prostornina se ji poveča. Zato se ji zmanjša gostota. Vzgon povzroči, da se segreta kapljevina ali plin dviguje. V višini pa se spet ohlaja in pada. Proces se ponavlja v obliki kroženja snovi. Temu kroženju snovi pravimo konvekcija.

Plini in kapljevine so večinoma slabi prevodniki toplote. Prehajanje toplote s prevajanjem v teh primerih ni učinkovito. Kljub temu pa se zrak v prostoru in juha v loncu zaradi konvekcije hitro segreje. Pri plinih in kapljevinah je konvekcija najučinkovitejši mehanizem za prenos toplote.

Toplota lahko potuje tudi v brezzračnem prostoru, na primer po vesolju. Pojavu pravimo sevanje ali radiacija. Toploto prenašajo v tem primeru toplotni žarki. Imajo isto naravo kot svetlobni žarki ali radijski valovi. Imenujejo se infrardeči žarki. Širijo se z enako hitrostjo kot svetloba, torej 300 000 km/s. Toplotno sevanje je večje, če je večja temperatura predmeta, ki seva. Odvisno je tudi od barve telesa. Najbolje seva telo črne barve.

Telesa, na katera padajo sevani žarki, se segrevajo. Žarki se vpijajo (absorbirajo) na telesu, na katerega vpadajo. Vpijanje (absorpcija) toplotnih žarkov je odvisna od barve telesa, na katerega vpadajo. Najbolje vpija toploto črno telo. Podobno, kot jo tudi najbolje seva.

Telesa, ki imajo svetlejšo barvo, absorbirajo manj sončne svetlobe, kot temnejša telesa. Svetla telesa več svetlobe odbijejo, temnejša pa je več vpijejo. Zaradi tega se temnejša telesa bolj segrejejo na soncu.

V tem poglavju bomo:

Spoznali smo, da se z dovajanjem toplote snovi poveča temperatura (ali pa spremeni agregatno stanje). Za koliko se bo dvignila temperatura ob segrevanju je odvisno od:

Zgornji poskus ponovimo tako, da v posodo vlijemo dvakrat več vode. V tem primeru potrebujemo dvakrat več toplote za isto temperaturno razliko. Namesto vode lahko vzamemo 1 kg neke druge snovi. Iz rezultatov meritev razberemo, koliko J toplote rabimo, da kg snovi segrejemo za ali 1 K.

Rezultate meritev lahko povzamemo v naslednjo ugotovitev:

Toplota, ki je potrebna, da segrejemo snov za je sorazmerna masi m snovi. Faktor sorazmernosti se imenuje specifična toplota in ga označimo s c:

Iz enačbe izrazimo specifično toploto c:

Če v zgornjo enačbo vstavimo enote za posamezne količine, dobimo:

Specifična toplota c nam pove:

Toplota, ki je potrebna za segrevanje 1 kg snovi za 1 °C, je za vsako snov drugačna - a vendar točno določena. Iz zgornjega poskusa smo že ugotovili, kolikšna je specifična toplota vode:

V spodni tabeli so podane specifične toplote nekaterih snovi:

V isto toplotno izolirano posodo damo dve enaki ali različni snovi, ki sta na različnih temperaturah. Počakamo, da se temperatura ustali pri neki temperaturi, ki je nekje med:

Imenujmo jo zmesna temperatura in ji dajmo oznako . Ko se temperaturi obeh snovi izenačita, se je vzpostavilo toplotno ravnovesje.

Preden se vzpostavi toplotno ravnovesje, toplota postopno prehaja od vročega predmeta k hladnejšemu predmetu. Vroči predmet se s tem ohlaja, toplejši pa segreva. Na koncu se temperaturi izenačita na zmesni temperaturi.

Toliko toplote, kolikor jo odda hladnejša snov, jo sprejme toplejša snov. Zapišimo to z enačbo:

Naj ima toplejša snov maso , specifično toploto in začetno temperaturo . Ko se ohladi na zmesno temperaturo , odda toploto:

Hladnejša snov ima maso , specifično toploto in začetno temperaturo . Ko se segreje na zmesno temperaturo , sprejme toploto:

Izenačimo obe toploti: