Toplina
Toplina,toplinska energijailikoličina topline(oznakaQ) jefizikalna veličinakojom se opisujeenergijakojaprelazi s toplijega tijela na hladnije.Mjerna jedinicatopline jestdžul(J); stara jedinica bila jekalorija(1 cal = 4,186 J). Toplina koja se izmjenjuje pri dodiru dvaju tijela različitihtemperaturaovisi omasimtijela,specifičnom toplinskom kapacitetuctvariod koje se tijelo sastoji, te otemperaturnojrazliciΔt:
Subjektivni osjećaj topline dobiva se dodirom s tijelima kojima je temperatura viša (toplo) ili niža (hladno) od temperature ljudskogatijela.Toplina se objektivno mjeri promatranjem djelovanja ugrijanih tijela na druga tijela (kalorimetrija).[1]
Ako stavimo ruku u posudu s vrućom vodom i držimo je nekoliko sekundi, a zatim je stavimo u posudu s toplom vodom, učinit će nam se kao da je tavodahladna. Stavimo li ruku u hladnu vodu i držimo li je nekoliko sekundi, a onda je uronimo u onu toplu vodu, imat ćemo osjet kao da smo je stavili u vruću vodu. Odatle vidimo dačovječji osjetnije mjerodavan za prosuđivanje stanja nekogafizikalnog tijela,to jest njegove temperature.
Toplina itemperaturanisu jedno te isto. To najbolje možemo uočiti iz jednog primjera. U dvije po veličini različite prostorije ložimopećiste veličine tako da trošimo istu količinugorivana sat; vidjet ćemo da će temperatureprostorijabiti različite. Veća prostorija imat će manju temperaturu, a manja veću, iako je svaka prostorija, to jestzraku prostoriji, primio istu količinu toplineizgaranjemjednake količine goriva. Dva fizikalna tijela mogu imati istu količinu topline, a različitu temperaturu. Da bi veća prostorija imala istu temperaturu kao manja, morali bismo većoj dati veću količinu topline, to jest morali bismo potrošiti veću količinu goriva. Odatle vidimo da dva fizikalna tijela mogu imati istu temperaturu, ali različitu količinu topline.
Međutim, što je toplina? Na to pitanje odgovaramolekularno-kinetička teorija topline.Molekuleu tijelima ne miruju, nego se nalaze u stalnomgibanju,čijabrzinamože biti veća ili manja.Bušenjem,glodanjem,tokarenjemirezanjempomoćualatnih strojeva,kao i kod svakeobrade materijalaalatom,stvara se toplina. Toplina nastaje na osnovu utrošenogmehaničkog rada,a i na računkinetičke energije.Udaromčekića,koji ima kinetičku energiju, onakovanjstvara se toplina. Tu se kinetička energija ne pretvara samo u toplinu nego i uenergiju zvukai u mehanički rad potreban zadeformacijutijela. Prisudarudvaju tijela prenosi se gibanje, to jest kinetička energija s jednog tijela na drugo. To ne vrijedi samo za velika tijela nego i za sitne čestice, to jest molekule. Kinetička energija čekića pretvara se u kinetičku energiju molekula, to jest u njihovo nevidljivogibanje.Toplina je, dakle, kinetička energija molekularnog gibanja.
Što tijelo višegrijemo,molekule se sve brže gibaju i imaju sve veću kinetičku energiju. Zbog toga se molekule međusobno udaljavaju, pa kruto tijelo taljenjem prelazi u tekućeagregatno stanje.Tekuće tijelozagrijavanjem prelazi uplinovitoagregatno stanje. Molekule vode daljim zagrijavanjem kodvrelištaodlaze u zrak.Vodaprelazi uvodenu paru.Paraima toliku kinetičku energiju da tjeraparni stroj.Koliki je stupanj toga molekularnog gibanja, kazuje temperatura. Temperatura je, dakle, stupanj toplinskog stanja tijela i o njoj ovisi agregatno stanje tijela.
Onaj dio nauke o toplini koji se bavi toplinom kao jednim oblikom energije i proučava pretvaranje toplinske energije u mehaničku radnju zove setermodinamika.Budući da je to pretvaranje naročito važno kod plinova, to se termodinamika bavi u prvom redu toplinskim promjenama kod plinova.[2]
Želimo li masu od 1kilogramvodeugrijati naplamenikuod 10 °C na 20 °C, trebat će nam određenovrijeme.Zagrijanje1 kilograma vode na tom plameniku od 10 °C na 30 °C bit će potrebno duže vremena. Za grijanje 2 kilograma vode trebat će dvostruko duže vremena nego za grijanje 1 kilograma vode. Dakle potrebna količina topline za zagrijavanje vode je to veća što je veća masa vode i što je zagrijavamo na višu temperaturu. Prema tome je:
gdje je:Q- količina topline izražena udžulima(J),m-masavode ukilogramima(kg) it2- t1- razlika temperature ucelzijima(°C).
Količinu topline mjerimo kao i svaku energiju u džulima. Međutim, još se upotrebljava kao jedinica topline kilokalorija(kcal). 1 kcal je ona količina topline koja je potrebna da se 1 kilogram vode, kod normalnogtlaka zrakaod 760 torra (1atm), zagrije od 14,5 °C na 15,5 °C. To je zbog toga što količine topline za zagrijavanje 1 kilograma vode, na primjer od 12 na 13 °C ili od 20 na 21 °C, nisu jednake. Međutim su razlike tako malene da se u praksi uzima da je za ugrijavanje 1 kilograma vode za 1 °C potrebna 1 kcal, bez obzira kod koje se to temperature vrši. Kod grijanja mora se toplina dovoditi, a kod ohlađivanja odvoditi. Kilokalorija (kcal), određena pri 15 °C, približno je jednaka 4,1855 kilodžula (kJ).
Za zagrijavanje 1 kilogramaželjezatrebat će manje vremena nego za zagrijavanje 1 kilogramaopeke.Znači da za različite tvari treba različita količina topline da bi se 1 kilogram te tvari ugrijao za 1 °C. Količina topline u J ili kcal koja je potrebna da se 1 kg neke tvari ugrije za 1 °C zove se specifična toplina ili specifičnitoplinski kapacitet,a označuje se malim slovomc.
Prema tome, ako je za ugrijavanje 1 kg neke tvari potrebna specifična toplinac,to je za ugrijavanjemkg tvari potrebnac ∙ m.Za ugrijavanjemkg tvari od temperaturet1na temperaturut2potrebna je toplina:
Specifični toplinski kapacitetnekih tvari:
| Tvar | c (J kg-1K-1) |
|---|---|
| voda | 4 185[3] |
| ulje | 3 800 |
| alkohol | 2 500 |
| led | 2 100 |
| aluminij | 900 |
| staklo | 800 |
| željezo | 460 |
| cink | 390 |
| bakar | 380 |
| živa | 140 |
Produktc ∙ m,to jest količina topline koju treba tijelo masemkg da se zagrije za 1 °C, zove setoplinski kapacitetfizikalnog tijela.
Kako voda ima veliku specifičnu toplinu, to ju je teško ugrijati. Zagrijana pak voda sadrži veliku količinu topline, što se mnogo iskorišćuje utehnici.Voda se upotrebljava kao nosilac topline kodcentralnog grijanjai uparnim kotlovima(generatorima pare).
Toplina se prenosi vođenjem, strujanjem i zračenjem.
Podrobniji članak o temi:Kondukcija toplineVođenjeilikondukcijaje prijenos topline tako da se dio tijela zagrijava izravnim dodirom s izvorom topline, a susjedni se dijelovi redom dalje zagrijavaju. Ako se, na primjer, jedan krajmetalnogaštapa stavi upeć,toplina se po štapu širi vođenjem. Brzina prenošenja topline to je veća što je većatemperaturnarazlika, a ovisi i o samojtvari.Budući da su dobrivodičielektričnih naboja(metali) ujedno i dobri vodiči topline,toplinska se vodljivostpripisuje ponajprije gibanju slobodnih elektrona.
Svako tijelo ne vodi toplinu jednako. Stavimo li u vatrudrvenušipku umjesto metalne, moći ćemo je u ruci držati i onda kadagori.Tijela koja dobro vode toplinu zovemo toplinskim vodičima, a ona koja slabo vode toplinutoplinskim izolatorima.Poluvodiči topline su tijela (kaokremen,mramor,grafiti neke rude) koja toplinu vode slabije odkovina,ali bolje od pravihizolatora.Od tehničkih kovina najbolji vodič topline jesrebro,bakar,a zatimaluminij,mjediželjezo.Loši vodiči topline suzrak,a zatim šupljikave tvari kaopluto,azbest,drvena piljevina,kamena vuna,polistireni drugo. Šupljikave tvari su loši vodiči topline jer imaju u sebi mnogo šupljina, ispunjenih zrakom koji je toplinski izolator.Tekućinesu također loši vodiči topline. Da jevodaloš vodič topline, pokazuje pokus kada u epruveti punoj vode na dnu imamo pričvršćenled(pričvršćen da ne ispliva), voda može gore već vrijeti, a led se neće jošrastaliti.Budući da je zrak loš vodič topline, on sprečava gubitak topline kod dvostrukihprozora.Termos-bocadrži dugo toplinu zbog toga što ima dvostruku stijenku iz koje je isisan zrak, pa nema tijela koje bi vodilo toplinu.
Podrobniji članak o temi:KonvekcijaStrujanjeilikonvekcijaje prijenos je topline u tvarima koje mogu strujati, to jest utekućinamaiplinovima(fluidi). Strujanje nastaje zbog promjenegustoćezagrijavanjem. Ako se, na primjer, voda grije odozdo, donji se slojevi vode ugriju, rašire i smanji im se gustoća, pa se ugrijana voda diže nad hladnu. Slično nastaju ivjetroviuatmosferi.
Grijanjeprostorija pomoćupećiosniva se strujanju. Toplina se od peći prenosi po sobi strujanjem zraka. U nekim zgradama vrši se grijanje više prostorija s jednog centralnog mjesta. To je takozvanocentralno grijanje.Ako postoji centralno grijanje samo za jedan stan, onda je to etažno grijanje. Prema vrsti sredstva za prenošenje topline centralno grijanje može biti zračno, vodno i parno. Pri zračnom grijanju upotrebljava se kao sredstvo za prenošenje topline zrak. Pri grijanju vodom upotrebljava se kao sredstvo za prenošenje topline voda, a osniva se na prirodnoj cirkulaciji tople i hladne vode. Voda se grije ukotlukoji je obično u podrumu, diže se krozcijevii predaje svoju toplinu prekoradijatorastambenim prostorijama. Ohlađena voda vraća se drugimcjevovodomu kotao gdje se ponovo ugrije. Da bi se voda u napunjenom sistemu pri zagrijavanju mogla slobodno širiti, na tavanu se obično nalazi ekspanziona posuda koja prima višak vode. Pri parnom grijanju upotrebljava se kao sredstvo za prenošenje toplinevodena paraod 0,05 do 2atm(od 100 do 200 kPa). U radijatorima para predaje svoju toplinu stijenama radijatora i tako zagrijava prostoriju.
Podrobniji članak o temi:Toplinsko zračenjeToplinsko zračenjeilitermalna radijacijaje prijenos je topline tako da zagrijano tijelo odašiljeelektromagnetsko zračenje,a hladnije tijelo zagrijava se upijanjem (apsorpcijom) energijezračenja.TakoZemljaprima toplinu odSuncakoja prolazi kroz zrakoprazni prostor. Toplinske zrake šire se istombrzinom svjetlostikao isvjetlosne zrake.
Ako stojimo blizu ugrijanepeći,osjetit ćemo toplinu, iako je okolni zrak još hladan. Iz vrućeg tijela rasprostire se toplina na sve strane nevidljivim toplinskim zrakama. Iz tog se razloga nazivaju peći centralnog grijanjaradijatorima.Različita tijela vladaju se različito prema toplinskim zrakama.Staklokoje je za zrake svjetlosti prozirno apsorbira toplinske zrake, dokebonitkoji je neproziran propušta toplinske zrake.Vodailedsu nepropusni za toplinske zrake, to jest oni ih apsorbiraju i zbog toga se zagrijavaju.
Prveteorijeo toplini osnivale su se na shvaćanju da je toplina tvar koja se nalazi pohranjena u svakom tijelu, te da dodirom prelazi iz toplijega tijela u hladnije. To se shvaćanje počelo mijenjati kada je potkraj 18. stoljećaB. Th. Rumforduočio da je toplina razvijena pribušenjutopovskihcijevi razmjerno utrošenomumehaničkom radu.J. P. Joulepokusimaje 1843. pokazao da rad može prelaziti u toplinu.Jouleova toplinaje toplina koju proizvedeelektrična strujaprolaskom krozelektrični vodičtijekom nekoga vremena, jednaka je umnoškuelektričnoga otpora,kvadratajakostielektrične struje i vremena.
Sredinom 19. stoljeća razvili suR. J. E. Clausius,L. Boltzmanni drugikinetičku teoriju plinovaprema kojoj je toplina rezultat mehaničkoga gibanjamolekula.To je gibanje prvi uočioR. Brown(Brownovo gibanje). U kinetičkoj teoriji plinova temperatura tijela dovodi se u vezu s prosječnomkinetičkom energijommehaničkogagibanjamolekula. Zagrijavanje tijela je povećanje kinetičke energije molekula.
Podrobniji članak o temi:SunceSunce je najveći izvor toplinske energije na čijoj površini vlada temperatura od 5 778K(5 505°C), a u unutrašnjosti se penje na milijune stupnjeva. Svakicm2Zemljine površine na koju padaSunčeva svjetlostokomito prima u minuti prosječno 1,94cal,to jest 1,36W/m2.Ta se količina topline zoveSunčeva ili solarna konstanta.Pri tome se misli na površinu koja se nalazi na gornjoj graniciZemljine atmosfere,jeratmosferaupija znatan dio te topline tako da na samu Zemljinu površinu dolazi prosječno pola te vrijednosti.
Sunčeva energijaje najvažnija za život na Zemlji. Na primjerenergijavodenih slapova je nastala od Sunčeve energije jer zagrijavanjem vode nastajeishlapljivanje;vodena parase diže uvis, pa onda pada na Zemlju u oblikuoborinakiše ili snijega. Sunčeva energija omogućuje rastbiljakoje sakuplja tu energiju. Prirodnagoriva,na primjerugljen,nastala su iz biljaka koje su u davno vrijeme došle podZemljinu koru.Prema tome vidimo da sva raspoloživa energija dolazi uglavnom sa Sunca.
Podrobniji članak o temi:ZemljaZemlja je također izvor topline. Prema unutrašnjosti Zemlja je sve toplija, a u dubinama većim od 18metaraispod površine vanjske toplinske promjene temperature nemaju utjecaja. Znači, ovdje toplina ne dolazi izvana nego iz unutrašnjosti Zemlje. Na svakih 100 metara prema središtu Zemlje temperatura poprečno raste za 3 °C.
Podrobniji članak o temi:Kemijska energijaKemijska energija, sadržana u različitimkemijskim tvarima,oslobađanjem se pretvara u toplinu. Najobičnija pojava topline nastaje kemijskim spajanjem tvari skisikom,a taj se proces nazivaoksidacija.Ako se pri tom javljaplamen,to jegorenje.Tvar iz koje dobivamo izgaranjem toplinu za kućnu i tehničku upotrebu zove segorivo.Toplina izgaranja goriva je njegovaogrjevna vrijednostili ogrjevna moć, a to je ona količina topline koju potpunimizgaranjemrazvije 1kilogramgoriva.Ogrjevna moć goriva određuje se takozvanomkalorimetrijskom bombom.U toj posudi nalazi se čistikisikpodtlakomdo 25bara.Ta je bomba smještena u posudi koja je napunjenavodom.Kada gorivo izgori voda se ugrije. Iztoplinskog kapacitetaposude i bombe, i povišenja temperature vode možemo izračunati ogrjevnu moć goriva. Zaplinovese ogrjevna moć navodi um3.Tako je na primjer ogrjevna moćkamenog ugljenaod 7 000kcal/kg (7 000 ∙ 4,186 = 29 302kJ/kg = 29,3 MJ/kg) do 8 000 (8 000 ∙ 4,186 = 33 488 kJ/kg = 33,5 MJ/kg),koksa29,3 MJ/kg,benzina46 MJ/kg, rasvjetnog plina od 17 do 30 MJ/m3.
Podrobniji članak o temi:Nuklearna energijaIzvor kemijske energije su procesi koji se zbivaju izmeđuatomaodnosnomolekulapojedinihkemijskih elemenata.Kako su atomi sastavljeni od najsitnijih čestica, kao što suprotoni,neutroniielektroni,to procesi koji se zbivaju između tih najsitnijih čestica stvaraju nuklearnu ili atomsku energiju. Nuklearna energija je mnogo veća od kemijske, ali se i ona konačno pretvara u toplinsku energiju.
- ↑toplina (količina topline),[1]"Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.
- ↑Velimir Kruz: "Tehnička fizika za tehničke škole", "Školska knjiga" Zagreb, 1969.
- ↑Spezifische_Wärmekapazität.Pristupljeno 25. studenoga 2020.