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

Teplotní součinitel délkové roztažnosti mědi má hodnotu 1,7.10-5 K-1.

5.1.2 Tepelná výměna, teplo

Pod pojmem tepelná výměna rozumíme takový fyzikální děj, při němž se mezi dvěma tělesy „předává“ energie jiným způsobem než konáním práce nebo přímou výměnou látky. Tento děj se uskutečňuje náhodnými srážkami částic (t.j. atomů nebo molekul obou látek) na rozhraní těchto dvou těles. Tepelná výměna je však možná i mezi tělesy, jež nejsou v bezprostředním kontaktu (např. zářením).

Teplo Q je pak skalární fyzikální veličina určená energií E, kterou při tepelné výměně „předá“ teplejší těleso tělesu chladnějšímu. Fyzikální jednotkou veličiny teplo je joule (J), tedy jednotka stejná jako u veličiny energie nebo práce.

Přijme-li látka při tepelné výměně teplo Q a nedojde-li ke změně skupenství, zvýší se teplota látky o určitou hodnotu ∆t . Poměr dodaného tepla Q a odpovídajícího přírůstku teploty ∆t pak definuje skalární fyzikální veličinu tepelná kapacita tělesa C. Platí

C = . (5.2)

Jednotkou tepelné kapacity je J.K-1. Číselně tato veličina vlastně udává, jak velké teplo je třeba dodat danému tělesu, aby se jeho teplota zvýšila právě o jeden jediný teplotní stupeň.

U homogenních látek pak lze definovat ještě navíc jejich měrnou tepelnou kapacitu. Má-li stejnorodé těleso hmotnost m, lze jeho měrnou tepelnou kapacitu c definovat vztahem

c = . (5.3)

Jednotkou měrné tepelné kapacity je J.kg-1.K-1 a je to opět hodnota, která bývá pro nejrůznější látky tabelována. Číselně je vlastně rovna teplu, jež přijme 1 kg homogenní látky při zvýšení své teploty právě o jeden teplotní stupeň.

Ze vztahu (5.3) pro měrnou tepelnou kapacitu pak vyplývá, že teplo, jež přijme homogenní látka na zvýšení své teploty, je přímo úměrné hmotnosti látky m a nárůstu teploty ∆t, neboť platí

Q = m.c. ∆t . (5.4)

5.1.3 Kalorimetrie

Kalorimetrie je jednou z částí experimentální fyziky. Zabývá se stanovením měrných tepelných kapacit látek a měřením tepel při různých dějích spojených s tepelnou výměnou. Při těchto měřeních se používá nástrojů nazývaných kalorimetry.

Předpokládejme, že v nádobě na obr. 5.2 jsou dvě látky, jejichž hmotnosti jsou m1 a m2. Měrné tepelné kapacity obou látek jsou c1 a c2. Nechť původní teplota prvé látky t1 je nižší než teplota t2 átky druhé (t1 < t2). Mezi oběma látkami bude docházet tepelné výměně, o níž budeme předpokládat, že je ideální (tedy bez jakéhokoli předávání tepla do okolí). Výměna bude probíhat tak dlouho, než nastane rovnovážný stav, při němž se teploty obou látek vyrovnají na výsledné teplotě t. Pro tuto teplotu musí logicky platí nerovnost t1 < t < t2 .

V souladu se zákonem zachování energie musí platit, že teplo Q2 = m2 . c2 . (t2 - t) , jež vydá látka původně teplejší, se musí rovnat teplu Q1 = m1 .c1 . (t - t1) , jež naopak přijme látka původně chladnější. Tuto skutečnost vyjadřuje kalorimetrická rovnice ve tvaru