Teplo prijaté a odovzdané telesom Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Teplo (Q) — Teplo je fyzikálna veličina, ktorá vyjadruje množstvo energie, ktorú teleso pri tepelnej výmene prijme alebo odovzdá. Označuje sa písmenom Q a nepatrí samotnému telesu — je to energia, ktorá sa práve „presúva" z teplejšieho telesa na chladnejšie. Práve preto hovoríme o „prijatom" alebo „odovzdanom" teple, podľa toho, či sa teleso ohrieva alebo chladne.

2. Joule (J) — jednotka tepla — Teplo sa meria v jouloch (J), rovnako ako každá iná energia, čo zdôrazňuje, že teplo je jedna z foriem energie. Väčšie množstvá vyjadrujeme v kilojouloch (1 kJ = 1000 J). Jednotka je pomenovaná po anglickom fyzikovi Jamesovi Prescottovi Jouleovi, ktorý experimentmi dokázal súvislosť medzi teplom a mechanickou prácou.

3. Základný vzorec Q = m · c · Δt — Teplo prijaté alebo odovzdané telesom vypočítame ako súčin hmotnosti telesa, mernej tepelnej kapacity látky a zmeny teploty. Tento vzorec je jadrom celej témy a umožňuje predpovedať, koľko energie treba na ohriatie alebo koľko sa uvoľní pri ochladení. Platí pre prípady, keď teleso len mení teplotu a nemení skupenstvo (nevarí sa ani netopí).

4. Merná tepelná kapacita (c) — Merná tepelná kapacita udáva, koľko tepla treba dodať 1 kilogramu látky, aby sa jej teplota zvýšila o 1 °C (alebo 1 K). Jej jednotka je J/(kg·°C), čítame ju ako „joule na kilogram a stupeň Celzia". Je to vlastnosť látky — každá látka má svoju vlastnú hodnotu, a práve preto sa rôzne materiály ohrievajú rôzne rýchlo.

5. Voda má veľkú mernú tepelnú kapacitu — Voda má c = 4180 J/(kg·°C), čo je veľmi vysoká hodnota v porovnaní s mnohými inými látkami. Znamená to, že na ohriatie vody treba veľa energie a voda zároveň dlho drží teplo. Vďaka tomu sa využíva na chladenie motorov a v ústrednom kúrení, a tiež zmierňuje teplotné výkyvy pri moriach a jazerách.

6. Hmotnosť telesa (m) — V vzorci vystupuje hmotnosť telesa v kilogramoch a platí priama úmernosť: čím viac látky teleso obsahuje, tým viac tepla treba na jeho ohriatie. Dvojnásobná hmotnosť znamená dvojnásobné teplo pri rovnakej zmene teploty. Preto naplnenie veľkého hrnca vody trvá dlhšie zohriať než malý pohárik.

7. Zmena teploty (Δt) — Δt (čítame „delta té") je rozdiel medzi konečnou a počiatočnou teplotou telesa, teda Δt = t₂ − t₁. Pri ohrievaní je Δt kladné (teleso teplo prijíma), pri ochladzovaní záporné (teleso teplo odovzdáva). Čím väčší je teplotný rozdiel, tým väčšie je vymenené teplo, lebo aj táto závislosť je priamo úmerná.

8. Prijaté teplo verzus odovzdané teplo — Keď sa teleso ohrieva, teplo prijíma (energia doň vchádza); keď sa ochladzuje, teplo odovzdáva (energia z neho odchádza). Veľkosť tepla sa v oboch prípadoch počíta tým istým vzorcom Q = m · c · Δt. To, či ide o prijaté alebo odovzdané teplo, poznáme podľa toho, či teleso teplotu zvyšuje alebo znižuje.

9. Zákon zachovania energie pri tepelnej výmene — Pri stretnutí teplejšieho a chladnejšieho telesa platí, že teplo odovzdané teplejším telesom sa rovná teplu prijatému chladnejším telesom (ak neuniká do okolia). Tento princíp vychádza zo zákona zachovania energie — energia sa nestráca, len prechádza z jedného telesa na druhé. Zapisujeme ho ako kalorimetrickú rovnicu Q₁ = Q₂.

10. Tepelná rovnováha — Tepelná výmena medzi telesami prebieha dovtedy, kým obe nedosiahnu rovnakú teplotu — vtedy nastáva tepelná rovnováha a teplo už neprúdi. Teplo vždy prechádza samovoľne z teplejšieho telesa na chladnejšie, nikdy nie naopak. Príkladom je horúci čaj, ktorý postupne vychladne na teplotu miestnosti.

11. Kalorimeter — Kalorimeter je nádoba s dobrou tepelnou izoláciou, ktorá slúži na meranie tepla pri tepelnej výmene. Jeho izolácia bráni úniku tepla do okolia, takže merania sú presnejšie a platí v ňom kalorimetrická rovnica. Pomocou kalorimetra sa dá experimentálne určiť aj merná tepelná kapacita neznámej látky.

12. Závislosť tepla od druhu látky — Dve telesá s rovnakou hmotnosťou ohriate o rovnaký počet stupňov môžu potrebovať úplne odlišné množstvo tepla, ak sú z rôznych látok. Rozhoduje o tom práve merná tepelná kapacita — napríklad kov sa ohreje oveľa rýchlejšie a s menšou energiou než voda. Preto sa kovová lyžička v horúcom čaji zohreje takmer okamžite, kým voda v hrnci potrebuje dlhý čas.

1. Poučka

Keď teleso prijíma teplo, zahrieva sa (jeho teplota stúpa). Keď teleso odovzdáva teplo, chladne (jeho teplota klesá). Teplo prijaté alebo odovzdané telesom vypočítame podľa vzorca:

Q = c · m · Δt

kde: - Q — teplo (jednotka joule, J) - c — merná tepelná kapacita látky (J/(kg·°C)) - m — hmotnosť telesa (kg) - Δt — zmena teploty, teda Δt = t₂ − t₁ (°C)

Ak teleso teplo prijme, Q je kladné (+). Ak teleso teplo odovzdá, Q je záporné (−).

2. Vysvetlenie

Predstav si, že chceš ohriať vodu na čaj. Aby si zvýšil jej teplotu, musíš jej dodať teplo. Koľko tepla potrebuješ, závisí od troch vecí:

1. Koľko látky ohrievaš (m) — viac vody = viac tepla. Ohriať plný hrniec trvá dlhšie než hrnček.
2. O koľko stupňov ju ohrievaš (Δt) — väčšia zmena teploty = viac tepla. Zohriať vodu z 20 °C na 80 °C je náročnejšie než z 20 °C na 30 °C.
3. Akú látku ohrievaš (c) — každá látka má svoju mernú tepelnú kapacitu. Hovorí, koľko tepla treba na ohriatie 1 kg látky o 1 °C. Voda má veľkú (4 200 J/(kg·°C)) — preto sa ohrieva pomaly a dlho drží teplo.

Postup pri výpočte: 1. Vypíš si, čo poznáš: c, m, počiatočnú a konečnú teplotu. 2. Vypočítaj zmenu teploty: Δt = t₂ − t₁. 3. Dosaď do vzorca Q = c · m · Δt a vypočítaj.

3. Príklady a prečo je to dôležité

1. Ohrev vody na čaj: Zohrievaš 0,5 kg vody z 20 °C na 100 °C. Δt = 80 °C, takže Q = 4 200 · 0,5 · 80 = 168 000 J. Toľko tepla musí dodať varná kanvica.
2. Chladnutie polievky: Horúca polievka odovzdáva teplo vzduchu v miestnosti a vychladne — Q je v tomto prípade záporné, lebo teplo opúšťa teleso.
3. Termoska: Drží nápoj teplý práve preto, že bráni odovzdávaniu tepla do okolia.
4. Voda v chladiči auta: Používa sa práve preto, že má veľkú mernú tepelnú kapacitu — pohltí veľa tepla od motora bez toho, aby sa veľmi prehriala.
5. More a pevnina: Voda v mori sa cez deň ohrieva pomaly a v noci pomaly chladne (veľké c), kým piesok na pláži sa rýchlo rozpáli aj rýchlo vychladne (malé c).

Prečo je to dôležité: Tieto výpočty používajú inžinieri pri navrhovaní kúrenia, chladenia motorov, varičov či zatepľovania domov. Pomáhajú ušetriť energiu a peniaze — vieš vypočítať, koľko energie reálne potrebuješ na ohriatie alebo ochladenie čohokoľvek.