Vybrané kapitoly ze středoškolské fyziky - Pro přípravný kurz k přijímacím zkouškám z fyziky na DFJP Univerzity Pardubice - Základy termiky a termodynamiky

 RNDr. Jan Z a j í c , CSc., 2004

5. Základy TERMIKy A TERMODYNAMIKy

5.1 TERMIKA

Termika − dříve byla označována jako "Nauka o teple" − je tou oblastí fyziky, jež se zabývá studiem látkových změn souvisejících s teplotou a jejími změnami, měřením teplot, šířením tepla a také jeho "přeměňováním" v jiné formy energie. Jejím teoretickým základem je termodynamika a statistická fyzika.

5.1.1 Teplota, teplotní roztažnost látek

Teplota je typická skalární fyzikální veličina, jež je určitým způsobem přiřazena rovnovážnému stavu daného tělesa. Na teplotě tělesa závisí, zda bude při tepelné výměně mezi dvěma tělesy jedno těleso druhému teplo odevzdávat (to bude v případě, když bude mít teplotu vyšší), či naopak od druhého tělesa teplo přijímat (v případě, že bude chladnější − bude mít teplotu nižší). Nedochází-li při dotyku obou těles k tepelné výměně, musí mít obě tělesa teplotu stejnou.

Přiřazováním různých číselných hodnot různým teplotám pak vytváříme teplotní stupnici. Ta má určitým způsobem definované pevné základní body (např. teplota tání ledu, teplota varu vody, apod.) a dále musí mít zvolenou jednotku teploty − teplotní stupeň.

Teploměry, jež slouží k měření teploty, pak využívají změn fyzikálních vlastností určitého tělesa právě s měnící se teplotou (typickým příkladem je např. změna délky předmětu, změna objemu tělesa, změna elektrického odporu vodivého materiálu a řada dalších). Podívejme se nyní alespoň na jeden z uvedených příkladů.

Teplotní roztažnost látek

Tento fyzikální jev spočívá ve změně rozměrů tělesa při změnách jeho teploty. S měnící se teplotou budou tělesa měnit svůj objem; u pevných látek s jedním převažujícím rozměrem − např. tyče, dráty, elektrická vedení, trubky, kolejnice, apod. - nás pak zajímá především délková teplotní roztažnost.

Je-li lo délka materiálu při teplotě to = 0oC (viz obr. 5.1), pak se při vyšší teplotě t prodlouží o délku ∆l = loα t , a jeho celková délka l tak bude

l = lo(1 + α . t) , (5.1)

kde parametr α je tzv. teplotní součinitel (teplotní koeficient) délkové roztažnosti. Tato hodnota je charakteristickým parametrem daného materiálu; teplotní součinitele délkové roztažnosti různých látek najdeme ve fyzikálních tabulkách.

Příklad:

Měděný drát délky 100 m se prodlouží při zahřátí z 0oC na 100oC o 17 cm. Určete hodnotu teplotního součinitele délkové roztažnosti mědi.

Známe původní délku drátu lo = 100 m při teplotě to = 0oC a rovněž přírůstek délky ∆l = 0,17 m, jež odpovídá zahřátí materiálu na teplotu t = 100oC. Součinitel délkové roztažnosti mědi vyjádříme ze vztahu popisujícího nárůst délky drátu s rostoucí teplotou

∆l = loα Cu t ⇒ α Cu = = K-1 = 1,7.10-5 K-1