Toplota fb
 

Toplota za osnovno šolo




Friderika Lavrič, avtor/ica gradiva, nudi inštrukcije fizike v naslednjih krajih: Ljubljana.

Skype Učitelj/ica omogoča inštrukcije tudi prek Skypa.


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



Toplota je oblika energije, ki se prenaša med telesi.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Toplota se vedno prenaša:

  • iz toplejšega telesa

  • na hladnejše telo.


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:




Za segreto (toplo) telo ne rečemo, da ima toploto. Spomnimo se, segreto telo ima notranjo energijo. Pred tem, ko telo segrevamo, pa mu dovajamo toploto. Pravimo, da je telo prejelo toploto. Zaradi tega se mu poveča notranja energija. Ko se poveča notranja energija, se ponavadi poveča tudi temperatura telesa.



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Notranjo energijo temeljiteje obravnavamo v gradivu Notranja energija za osnovno šolo.



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


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Ko snov sprejema ali oddaja toploto, se spreminja njena notranja energija:




Zaradi dovajanja ali odvzemanja toplote se spreminja temperatura snovi ali pa njeno agregatno stanje.



Razlikovanje med temperaturo in toploto



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


  • Temperatura ni energija


    Temperatura je le količina, ki označuje trenutno toplotno stanje snovi. Če poznamo temperaturo in agregatno stanje snovi, lahko izračunamo njeno notranjo energijo.


    Računanje notranje energije se obravnava v srednji šoli in presega okvir tega gradiva.



    Ker temperatura ni energija, se njena velikost ne ohranja in se ne pretaka. Nikamor ne teče. Se le spreminja in s tem nakazuje, da se spreminja tudi notranja energija.


  • Toplota je energija


    Toplota se zato, tako kot vsaka energija, prenaša med telesi. Teče:

    • iz telesa z manjšo temperaturo,

    • na telo z večjo temperaturo.

    Prejeta toplota poveča notranjo energijo, oddana toplota pa jo zmanjša.


Razlikujemo med toploto in temperaturo:


Toplota je energija, ki se prenaša iz toplejših teles na hladnejša. Njena enota je J (Joule). Temperatura označuje toplotno stanje snovi in jo merimo v ali K (Kelvina).



Izviri toplote



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.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


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


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


  • S pomočjo gorenja


    Zgorevanje je kemični proces, pri katerem nastaja toplota. Pri tem uporabljamo določene energente: pline, nafto, bencin, premog, les itd. Koliko toplote snov med zgorevanjem odda, je odvisno od njene mase in vrste snovi. Običajno nas zanima podatek, koliko Joulov toplote se proizvede, če 1 kg snovi popolnoma zgori.


    Primer

    Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
     
     
    Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


  • S pomočjo električnega dela


    Kot vir toplote uporabljamo tudi električno energijo. Električna peč, grelec ali pa kuhalnik s pomočjo električnega toka pretvarja električno delo v toploto.


    Toplota, ki jo oddaja električni grelec, je kar enaka električnemu delu. Ta je enak produktu moči električnega grelca in časa:




    Moč električnega grelca je običajno podana na samem izdelku. Z merjenjem časa lahko dovolj natančno izračunamo, kolikšna je bila oddana toplota grelca.


    Primer

    Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
     
     
    Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Prehajanje toplote



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

  • s pomočjo prevajanja toplote,

  • s konvekcijo,

  • s sevanjem (radiacijo).

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


Prevajanje toplote



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.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


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).




Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


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


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


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:

  • stiropor,

  • siporeks,

  • opeka in itd.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Po dobrem prevodniku toplote se v stiku s segretim telesom prenese veliko toplote. Dobri toplotni prevodniki so kovine. Po slabem prevodniku se s prevajanjem toplote prenese malo toplote. Slabim prevodnikom pravimo izolatorji. Dobri izolatorji so plini in kapljevine.



Konvekcija



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.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Sevanje 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.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


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.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


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.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Računanje toplote



V tem poglavju bomo:

  • najprej spoznali, kako izračunamo koliko toplote moramo dodati snovi, da jo segrejemo do določene temperature. Pri tem bomo spoznali, kaj je specifična toplota snovi.

  • Nato pa bomo toplotno staknili dve isti ali različni snovi, ki sta na različnih temperaturah in počakali, da se temperaturi izravnata. Izračunali bomo, kolikšna je v tem primeru zmesna (končna) temperatura.


Specifična toplota



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:

  • vrste snovi.

  • mase snovi.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


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:

  • koliko J toplote potrebujemo,

  • da segrejemo 1 kg snovi za 1 °C.

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:



Če snovi dodajamo toploto, se veča njena temperatura, z odvzemanjem toplote pa manjša. Toploto in spreminjanje temperature povezuje enačba:




Specifična toplota c je odvisna od snovi. Pove nam pove, koliko J toplote potrebujemo, da segrejemo 1 kg snovi za ali 1 K.



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Toplotno ravnovesje



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:

  • temperaturo vročega telesa in

  • temperaturo hladnega telesa.


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.


Možno je tudi, da se toplota snovi porabi za spremembo agregatnega stanja druge snovi. Npr. led se ob stiku s toplejšim predmetom stali v vodo, voda v stiku z vročim predmetom izpari. Take primere obravnavamo v srednješolskem gradivu Toplotno ravnovesje.



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:




Če damo dve snovi z različnimi temperaturami v toplotno izolirano posoda, se toplejša snov ohladi do zmesne temperature, hladnejša pa segreje do iste temperature. Toplota, ki jo odda toplejša snov je enaka toploti, ki jo sprejme hladnejša snov:




Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »



glavni avtor in urednik gradiva: Satcitananda podjetje za proizvodnjo, trgovino in izobraževanje d.o.o., Ljubljana