ΦΥΣΙΚΗ Α ΛΥΚΕΙΟΥ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΦΥΣΙΚΗ Α ΛΥΚΕΙΟΥ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΦΥΣΙΚΗ Α ΛΥΚΕΙΟΥ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Στην καθημερινή ζωή χρησιμοποιούμε διάφορες μορφές ενέργειας για να θερμάνουμε ή να ψύξου με σώματα, για να φωτίσουμε τους διάφορους χώρους, για να θέσουμε σε λειτουργία διάφορες συσκευές κ.λπ. Η θέρμανση και η ψύξη των σωμάτων αποτέλεσαν ένα πρόβλημα στην ιστορία της επιστήμης του οποίου η επίλυση έφερε σημαντικές αλλαγές στην τεχνολογία και την κοινωνία γενι-κότερα μέσα από επιτεύγματα όπως η ατμομηχανή και οι μηχανές εσωτερικής καύσης. Το θεωρητικό υπόβαθρο των σημαντικών αυτών επιτευγμάτων είναι η σωματιδιακή δομή της ύλης και οι δύο βασικές μορφές της ενέργειας: η κινητική και η δυναμική.

 Στο κεφάλαιο αυτό θα μελετήσουμε τη σχέση της θερμότητας με τη θερμοκρασία και με τις αλλαγές στην κινητική ενέργεια των δομικών λίθων των διαφόρων σωμάτων. Θα ερμηνεύσουμε τις ιδιότητες των αερίων (π.χ. σχέση πίεσης-όγκου) αναφερόμενοι στο πλήθος, στις ιδιότητες των μορίων και την κινητική τους ενέργεια.

 Με τη βοήθεια της κινητικής θεωρίας της ύλης, μπορούμε να κατανοήσουμε τη μετατροπή των διαφόρων μορφών ενέργειας οι οποίες συμβαίνουν στις μηχανές, καθώς επίσης και την υποβάθμισή της, τη μετατροπή δηλαδή όλων των μορφών ενέργειας σε θερμότητα.

  Στην καθημερνή ζωή χρησιμοποιούμε διάφορους τρόπους για να θερμάνουμε ή να ψύξουμε τα υλικά σώματα. Οι τρόποι αυτοί, σύμφωνα με την επιστημονική άποψη είναι μόνο τρεις:

1) ΘΕΡΜΑΝΣΗ/ΨΥΞΗ ΜΕ ΑΓΩΓΗ

  Θέρμανση - ψύξη με αγωγή έχουμε στις περιπτώσεις που δύο σώματα με διαφορετική θερμοκρασία βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους. Τότε θερμότητα από το σώμα που βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία μεταφέρεται στο σώμα που βρίσκεται σε χαμηλή θερμοκρασία. Με τον τρόπο αυτό π.χ. ερμηνεύεται γιατί θερμαίνεται το περιεχόμενο των μαγειρικών σκευών όταν τοποθετούνται στην εστία της ηλεκτρικής κουζίνας (μάτι της κουζίνας). Τα μαγειρικά σκεύη και το περιεχόμενό τους έχουν συνήθως τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος ενώ στην ηλεκτρική εστία η θερμοκρασία αυξάνεται λόγω μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμότητα. Με τον ίδιο τρόπο εξηγείται η ψύξη του φαγητού όταν "κλείσουμε το μάτι της κουζίνας". Το φαγητό και το μαγειρικό σκεύος βρίσκονται σε υψηλότερη θερμοκρασία από ότι ο ατμοσφαιρικός αέρας που τα περιβάλλει.

2) ΘΕΡΜΑΝΣΗ/ΨΥΞΗ ΜΕ ΜΕΤΑΦΟΡΑ

  Θέρμανση-ψύξη με μεταφορά έχουμε στις περιπτώσεις όπου ένα ρευστό (υγρό ή αέριο) μεταφέρει θερμότητα από το σώμα που βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία σε αυτό που βρίσκεται σε χαμηλότερη. Με τον τρόπο αυτό οι ζεστές αέριες μάζες, δηλαδή ο ζεστός άνεμος, προερχόμενος από μια περιοχή με υψηλή θερμοκρασία θερμαίνει μιαν άλλη που έχει χαμηλή θερμοκρασία. Με τον ίδιο επίσης τρόπο στα συστήματα κεντρικής θέρμανσης των πολυκατοικιών μεταφέρονται ποσά θερμότητας από το λέβητα του καλοριφέρ στα διαμερίσματα, μέσω του νερού που κυκλοφορεί στο σύστημα σωληνώσεων.  

3) ΘΕΡΜΑΝΣΗ/ΨΥΞΗ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ

 Για τη θέρμανση ή την ψύξη με ακτινοβολία δεν είναι προϋπόθεση η διαμεσολάβηση κάποιου υλικού μέσου όπως στις δύο προηγούμενες. Η ενέργεια μεταφέρεται από το ένα σώμα στο άλλο μέσω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Τα σώματα που βρίσκονται σε υψηλότερη θερμοκρασία ακτινοβολούν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε διάφορα μήκη κύματος. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η θέρμανση της γης από τον ήλιο μέσω της ορατής (φως) και της αόρατης, δηλαδή της υπεριώδους και της υπέρυθρης ακτινοβολίας.

  Οι τρεις αυτοί τρόποι θέρμανσης συνυπάρχουν σε όσα φαινόμενα παρατηρούμε στην καθημερινή μας ζωή, μιας και όλα τα σώματα βρίσκονται σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα ο οποίος τα θερμαίνει ή τα ψύχει με τους δύο πρώτους τρόπους. Για παράδειγμα κατά τη λειτουργία του ηλεκτρικού λαμπτήρα πυράκτωσης τα σώματα που βρίσκονται γύρω από αυτόν θερμαίνονται διότι:

α) ο λαμπτήρας ακτινοβολεί φως,

β) ο λαμπτήρας βρίσκεται σε επαφή με τον αέρα και τον θερμαίνει,

γ) ρεύματα μεταφοράς του αέρα μεταφέρουν τη θερμότητα στα ψυχρότερα μέρη του χώρου.

ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ

  Όλα σχεδόν τα σώματα στερεά, υγρά και αέρια, όταν αυξάνεται η θερμοκρασία τους,διαστέλλονται,αυξάνεται δηλαδή ο όγκος τους, ενώ όταν μειώνεται η θερμοκρασία τους,συστέλλονται,μειώνεται δηλαδή ο όγκος τους. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται θερμική διαστολή και το αντίθετο της φαινόμενο,θερμική συστολή.

  Θερμική διαστολή ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο αυξάνονται οι διαστάσεις ενός σώματος,δηλαδή αυξάνεται ο όγκος του σώματος,καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του σώματος.

   Θερμική συστολή ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο μειώνονται οι διαστάσεις ενός σώματος,δηλαδή μειώνεται ο όγκος του σώματος,καθώς  η μειώνεται η θερμοκρασία του σώματος

  Γενικά η διαστολή αφορά όλες τις διαστάσεις του σώματος, αλλά μπορεί η αύξηση μιας ή δύο διαστάσεων να είναι αμελητέες. Έτσι, υπάρχουν τρία είδη θερμικών διαστολών.Η διαστολή λέγεται κυβική,όταν αναφέρεται στην αύξηση και των τριών διαστάσεων,δηλαδή στην αύξηση του όγκου του σώματος.Ειδικά για τα στερεά,μας ενδιαφέρει πολλές φορές η αύξηση μιας μόνο διάστασης ή η αύξηση των δύο μόνο διαστάσεων.Στην πρώτη περίπτωση η διαστολή λέγεται γραμμική και στη δεύτερη επιφανειακή. 

Κυβική διαστολή παθαίνουν όλα τα σώματα στερεά,υγρά και αέρια 

  Κυβική διαστολή ονομάζεται η διαστολή στην οποία έχουμε αύξηση και των τριών διαστάσεων,δηλαδή έχουμε αύξηση του όγκου του σώματος. Τέτοια είναι η διαστολή που παθαίνουν όλα τα σώματα στερεά,υγρά και αέρια.

Παράδειγμα επιφανειακής διαστολής είναι η διαστολή του εμβαδού μιας μεταλλικής πλάκας

  Επιφανειακή διαστολή ονομάζεται η διαστολή στην οποία έχουμε αύξηση των δύο μόνο διαστάσεων,δηλαδή έχουμε αύξηση  του εμβαδού του σώματος.Αφορά μόνο στερεά σώματα.Παράδειγμα επιφανειακής διαστολής είναι η διαστολή του εμβαδού μιας μεταλλικής πλάκας.

Γραμμική διαστολή  παρατηρείται σε μακρόστενα αντικείμενα,για παράδειγμα σε μία μεταλλική ράβδο 

  Γραμμική διαστολή ονομάζεται η διαστολή  στη οποία έχουμε αύξηση μιας μόνο διάστασης,δηλαδή έχουμε αύξηση του μήκος του σώματος.Η γραμμική διαστολή αφορά μόνο στερεά σώματα και παρατηρείται σε μακρόστενα αντικείμενα.Παράδειγμα γραμμικής διαστολής είναι η διαστολή του μήκους μιας ράβδου.Βρίσκει εφαρμογή σε διμεταλλικά ελάσματα, θερμόμετρα και γενικά συσκευές που σχετίζονται με τη μηχανική και τη θερμοκρασία.

 Από την εμπειρία μας γνωρίζουμε ότι όλα τα σώματα δε διαστέλλονται ή συστέλλονται με τον ίδιο τρόπο.Το καπάκι, που είναι συνήθως φτιαγμένο από σίδηρο ή αλουμίνιο, συστέλλεται περισσότερο από το γυάλινο βάζο γι' αυτό και σφηνώνεται στο στόμιο του βάζου, όταν μπει στο ψυγείο όπου και ψύχεται.

H διαστολή βρίσκει εφαρμογή στο αερόστατο 

  Κατά τη διάρκεια της διαστολής η πυκνότητα του αντικειμένου μειώνεται,ώστε να αυξάνονται και οι δυνάμεις της άνωσης.Αυτό βρίσκει εφαρμογή στο αερόστατο,όπου ο αέρας λόγω θέρμανσης μειώνει την πυκνότητά του,αλλά εγκλωβίζεται στο αερόστατο και το παρασύρει στην ανοδική κίνηση.

  Πειραματικά έχει βρεθεί ότι η διαστολή είναι ανάλογη της θερμοκρασίας του σώματος, δεδομένο που αξιοποιείται στην κατασκευή των θερμομέτρων τα οποία περιέχουν υδράργυρο ή οινόπνευμα. Στα θερμόμετρα της κλίμακας Κελσίου η τιμή 0^oC αντιστοιχεί στην τήξη του πάγου ενώ η τιμή 100  ^oC στο βρασμό του νερού σε κανονικές συνθήκες πίεσης, δηλαδή τη μία Ατμόσφαιρα (1 atm) που επικρατεί στην επιφάνεια της θάλασσας. Το διάστημα μεταξύ αυτών των δύο θέσεων διαιρείται σε 98 ίσα τμήματα τα οποία αντιστοιχούν στις υπόλοιπες τιμές της κλίμακας Κελσίου. Η μονάδα μέτρησης της θερμοκρασίας είναι ο ένας βαθμός Κελσίου (1 ^oC) που αντιστοιχεί σε μία από τις 100 υποδιαιρέσεις της κλίμακας που κατασκευάζατε με τον τρόπο που περιγράψαμε.

ΑΛΛΑΓΕΣ ΦΑΣΕΩΣ

ΤΗΞΗ-ΠΗΞΗ

   Ο πάγος γίνεται πάλι νερό,όταν παραμείνει έξω από την κατάψυξη,γιατί παίρνει θερμότητα από το περιβάλλον.Το φαινόμενο αυτό,κατά το οποίο ένα στερεό μετατρέπεται σε υγρό,λέγεται τήξη.

ΤΗΞΗ

  Ο πάγος γίνεται πάλι νερό,όταν παραμείνει έξω από την κατάψυξη,γιατί παίρνει θερμότητα από το περιβάλλον.Το φαινόμενο αυτό,κατά το οποίο ένα στερεό μετατρέπεται σε υγρό,λέγεται τήξη.

Η τήξη του νερού σε  ένα ποτήρι

  Τήξη ονομάζεται το φαινόμενο της μετατροπής στερεού υλικού σε υγρό.Η Τήξη αποτελεί μια από τις αλλαγές φάσεων της φυσικής μορφής της ύλης.Τα παράγωγα της τήξης καλούνται τήγματα.

 Καθώς θερμαίνεται ένα στερεό τα σωματίδιά του που συγκροτούν αυτό αρχίζουν να ταλαντώνονται όλο και ταχύτερα. Έτσι σιγά σιγά υπερνικούν τις μεταξύ τους ελκτικές δυνάμεις που τα συγκρατούν στις πρότερες θέσεις ισορροπίας τους με αποτέλεσμα το στερεό να λιώνει.

  Τοποθετούμε τριμμένα παγάκια σ' ένα δοχείο και μέσα σε αυτά βυθίζουμε ένα θερμόμετρο και το τοποθετούμε σε εστία θέρμανσης. Η θερμοκρασία του πάγου αρχίζει να αυξάνεται. Όταν φθάσει στους 0 °C, τότε ο πάγος αρχίζει να λιώνει, οπότε εμφανίζεται και νερό μέσα στο ποτήρι. Παρατηρούμε ότι μέχρι να λιώσει όλος ο πάγος, η θερμοκρασία του μείγματος νερού-πάγου διατηρείται σταθερή στους 0 °C.Η θερμοκρασία αυτή ονομάζεται θερμοκρασία ή σημείο τήξης του πάγου.Μόλις λιώσει όλος ο πάγος, η θερμοκρασία του νερού αρχίζει να αυξάνεται.

  Σημείο τήξης ή θερμοκρασία τήξης ονομάζεται η θερμοκρασία στην οποία αλλάζει φάση μια καθαρή ουσία μεταβαίνοντας από την στερεά κατάσταση στην υγρή κατάσταση.Είναι η θερμοκρασία εκείνη στην οποία συνυπάρχουν σε ισορροπία τόσο η στερεά όσο και η υγρή κατάσταση μιας ουσίας.

  Για να μελετήσουμε πειραματικά την τήξη,χρησιμοποιούμε την συσκευή του παρακάτω σχήματος.Ο δοκιμαστικός σωλήνας περιέχει σκόνη ναφθαλίνης και βρίσκεται μέσα σε έναν άλλο σωλήνα που είναι βυθισμένος στο νερό του δοχείου.Όταν θερμαίνουμε τη συσκευή αυτή με τη φλόγα ενός λύχνου,η ναφθαλίνη θερμαίνεται αργά εξαιτίας του σωλήνα και του αέρα που περιέχει αυτός.Με το θερμόμετρο μετράμε τη θερμοκρασία της ναφθαλίνης.

Τήξη της ναφθαλίνης

  Κατά τη διάρκεια της θερμάνσεως παρατηρούμε τα ακόλουθα:Στην αρχή η ναφθαλίνη είναι στερεή και η θερμοκρασία της μεγαλώνει σιγά σιγά.Όταν η θερμοκρασία της γίνει 80°C αρχίζει η τήξη της.Η θερμοκρασία της ναφθαλίνης παραμένει σταθερή στους 80°C σε όλη τη χρονική διάρκεια της τήξεως.Όταν τελειώσει η τήξη όλης της ναφθαλίνης,η θερμοκρασία της αυξάνεται πάλι σιγά σιγά.

Μεταβολή της θερμοκρασίας του σώματος σε συνάρτηση με το χρόνο κατά το πείραμα της τήξεως

  Αν κατά την διάρκεια του πειράματος μετράμε τη θερμοκρασία π.χ. κάθε 1 min,μπορούμε να κατασκευάσουμε το διάγραμμα της θερμοκρασίας με το χρόνο του παραπάνω σχήματος.

ΠΗΞΗ

  Το νερό που βάζουμε στην κατάψυξη του ψυγείου μας γίνεται πάγος γιατί χάνει θερμότητα.Το φαινόμενο αυτό,κατά το οποίο ένα υγρό μετατρέπεται σε στερεό,λέγεται πήξη.

Το νερό που βάζουμε στην κατάψυξη του ψυγείου μας γίνεται πάγος γιατί χάνει θερμότητα

  Πήξη ονομάζεται το φαινόμενο της μετατροπής ενός υγρού σε στερεό.Η πήξη αποτελεί μια από τις αλλαγές φάσεων της φυσικής μορφής της ύλης.

  Όταν ψύχεται ένα υγρό, οι δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων που το συγκροτούν, γίνονται όλο και πιο ισχυρές καθώς μειώνεται η κίνησή των μορίων έτσι ώστε στο τέλος το υγρό στερεοποιείται.

  Τοποθετούμε ένα δοχείο με νερό μέσα σε μια λεκάνη με πάγο θερμοκρασίας -10 °C . Παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία του νερού μειώνεται. Όταν φθάσει στους 0 °C, το νερό αρχίζει να γίνεται στερεό, δηλαδή πάγος. Αυτή η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή μέχρι να γίνει πάγος όλο το νερό. Την ονομάζουμε θερμοκρασία πήξης του νερού. 

  Σημείο ή θερμοκρασία πήξης ονομάζεται η θερμοκρασία κατά την οποία ένα σώμα περνά από την υγρή κατάσταση σε στερεή.

Σημείο ή θερμοκρασία πήξης ονομάζεται η θερμοκρασία κατά την οποία ένα σώμα περνά από την υγρή κατάσταση σε στερεή.

  Για να μελετήσουμε πειραματικά την πήξη,βάζουμε το σύστημα των σωλήνων με την υγρή ναφθαλίνη μέσα στο ψυχρό νερό.Κατά τη διάρκεια της ψύξεως παρατηρούμε τα εξής:Στην αρχή η ναφθαλίνη είναι υγρή και η θερμοκρασία της ελαττώνεται προοδευτικά ώσπου να γίνει 80°C ,οπότε αρχίζει η πήξη της.Σε όλη τη χρονική διάρκεια της πήξεως η θερμοκρασία παραμένει σταθερή( 80°C),ώσπου να γίνει όλη η ναφθαλίνη στερεή.Κατόπιν η θερμοκρασία αρχίζει και πάλι να ελαττώνεται  προοδευτικά.

Μεταβολή της θερμοκρασίας του σώματος σε συνάρτηση με το χρόνο κατά το πείραμα της πήξεως

  Η μεταβολή αυτής της θερμοκρασίας της ναφθαλίνης,σε συνάρτηση με το χρόνο,φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα.
  Η πήξη ειδικά στη μεταλλουργία αποτελεί μείζονος σημασίας στάδιο τόσο στη διαδικασία της χύτευσης όσο και της συγκόλλησης μετάλλων και κραμάτων όπου παρεμβαίνουν πολλοί παράμετροι στη διαδικασία του μετασχηματισμού τους, όπως π.χ. μεταβολή του όγκου τους, η ανακατανομή των δομικών μονάδων τους κ.λπ.

ΝΟΜΟΙ ΤΗΞΕΩΣ - ΠΗΞΕΩΣ

  Από τα πειράματα που αναφέραμε μπορούμε να βγάλουμε τα παρακάτω συμπεράσματα που αποτελούν τους νόμους της τήξεως και της πήξεως.
α) Όταν η πίεση είναι σταθερή,η τήξη(ή η πήξη) ενός σώματος αρχίζει σε ορισμένη θερμοκρασία,που είναι χαρακτηριστική για κάθε σώμα και λέγεται θερμοκρασία ή σημείο τήξεως (ή πήξεως).
β) Όσο διαρκεί η τήξη(ή η πήξη),η θερμοκρασία παραμένει σταθερή και ίση με το σημείο τήξεως(ή πήξεως)
γ) Όσο διαρκεί η τήξη(ή η πήξη) συνυπάρχουν η υγρή και στερεή κατάσταση του σώματος.
δ) Για ένα ορισμένο σώμα η θερμοκρασία τήξεως είναι ίδια με την θερμοκρασία πήξεως.
ε) Η θερμοκρασία τήξης (ή πήξεως) εξαρτάται από το υλικό του σώματος.
στ) Ο όγκος του σώματος, κατά την διάρκεια του φαινομένου τήξης(ή πήξεως), αλλάζει.

ΒΡΑΣΜΟΣ-ΥΓΡΟΠΟΙΗΣΗ

ΒΡΑΣΜΟΣ



  Έχουμε μια πειραματική διάταξη που αποτελείται από ένα ανοιχτό δοχείο που περιέχει νερό και από ένα θερμόμετρο που μετράει τη θερμοκρασία του νερού.Θερμαίνουμε το δοχείο και παρατηρούμε τα ακόλουθα:Στην αρχή της θερμάνσεως,η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται και όταν γίνει περίπου 50 °C εμφανίζονται μικρές φυσαλίδες που σπάζουν όταν φθάσουν στην ελεύθερη επιφάνεια του υγρού.Οι φυσαλίδες αυτές περιέχουν τον αέρα που ήταν διαλυμένος στο νερό.

Ένα ανοιχτό δοχείο που περιέχει νερό και από ένα θερμόμετρο που μετράει τη θερμοκρασία του νερού

 Ύστερα,και ενώ η θερμοκρασία του νερού συνεχίζει να αυξάνεται, σχηματίζονται κοντά στον πυθμένα του δοχείου μικρές φυσαλίδες που περιέχουν ατμό.Οι φυσαλίδες αυτές δε φθάνουν ως την ελεύθερη επιφάνεια του νερού,γιατί,καθώς ανεβαίνουν,συναντούν ψυχρότερα στρώματα νερού και ο ατμός τους υγροποιείται.Έτσι οι φυσαλίδες εξαφανίζονται παράγοντας ένα χαρακτηριστικό ήχο που αποτελεί προμήνυμα του βρασμού.

  Όταν η θερμοκρασία του νερού φθάσει στους 100 °C,παράγονται σε όλη τη μάζα του νερού μεγαλύτερες φυσαλίδες ατμού.Οι φυσαλίδες αυτές φθάνουν ως την ελεύθερη επιφάνεια του νερού και εκεί σπάζουν δημιουργώντας σ'αυτήν αναταραχή.Από τη στιγμή αυτή αρχίζει ο βρασμός του νερού.

Άρα:
  Βρασμός ονομάζεται η γρήγορη παραγωγή ατμών από όλη τη μάζα ενός υγρού με μορφή φυσαλίδων.

  Ο βρασμός αποτελεί  μια από τις αλλαγές φάσεων της φυσικής μορφής της ύλης.Διακρίνεται από την εξάτμιση από το γεγονός ότι στο βρασμό έχουμε δημιουργία φυσαλίδων αερίου σε όλο τον όγκο του υγρού,ενώ στην εξάτμιση έχουμε διαφυγή μορίων του υγρού μόνο από την επιφάνειά του.

  Καθώς θερμαίνεται ένα υγρό τα σωματίδιά του που συγκροτούν αυτό αρχίζουν να ταλαντώνονται όλο και ταχύτερα. Έτσι σιγά σιγά υπερνικούν τις μεταξύ τους ελκτικές δυνάμεις που τα συγκρατούν στις πρότερες θέσεις ισορροπίας τους με αποτέλεσμα το υγρό ν' αρχίζει να βράζει. 

Tα μόρια του υγρού δεν είναι σταθερά μεταξύ τους συνδεδεμένα, όπως στα στερεά, αλλά είναι πιο ελεύθερα   

Κατά την διάρκεια του βρασμού μερικά μόρια αποκολούνται από την υπόλοιπη μάζα με τη μορφή του ατμού και να αιωρούνται στον αέρα

  Ο βρασμός είναι μια τυπική περίπτωση μετατροπής μιας μορφής ενέργειας σε κάποια άλλη.Στην περίπτωση του βρασμού η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική, δηλαδή αρχίζει να κινεί τα μόρια του υγρού. Όπως είναι γνωστό, τα μόρια του υγρού δεν είναι σταθερά μεταξύ τους συνδεδεμένα, όπως π.χ. στο ξύλο ή στο σίδερο, αλλά είναι πιο ελεύθερα. 

Βρασμός μιας λίμνης

  Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία ενός υγρού, τόσο περισσότερο αυξάνεται και η κίνηση των μορίων που το αποτελούν.Σε κάποια στιγμή η δύναμη που συνδέει τα διάφορα μόρια μεταξύ τους θα είναι μικρότερη από τη δύναμη που αποκτούν τα μόρια με την κίνηση. Αυτό θα έχει σαν αποτέλεσμα να αρχίσουν μερικά μόρια να αποκολούνται από την υπόλοιπη μάζα με τη μορφή του ατμού και να αιωρούνται στον αέρα.

Στην περίπτωση του βρασμού η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική 

  Υπάρχουν διάφορα είδη βρασμών. Αν πέσει νερό σε μια επιφάνεια που έχει θερμοκρασία μεγαλύτερη από εκείνη που έχει το νερό, τότε θα αρχίσει το νερό να θερμαίνεται στα σημεία εκείνα που ακουμπούν πάνω στη ζεστή επιφάνεια, ανεξάρτητα από το ποια θερμοκρασία μπορεί να έχει ο υπόλοιπος όγκος του νερού.Όταν ο βρασμός γίνεται π.χ. με τη βοήθεια του ηλεκτρικού ρεύματος, τότε ο βρασμός γίνεται σ' όλο τον όγκο του νερού και σχηματίζονται φυσαλίδες επίσης από όλο τον όγκο του νερού, σ' αντίθεση με την προηγούμενη περίπτωση που σχηματίζονται φυσαλίδες μόνο στην επιφάνεια που άμεσα θερμαίνεται. 

ΝΟΜΟΙ ΒΡΑΣΜΟΥ

  Αν κατά την εκτέλεση του πειράματος η ατμοσφαιρική πίεση παραμένει σταθερή και σημειώνουμε τη θερμοκρασία τη θερμοκρασία του νερού,π.χ. κάθε 1 min,μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα διάγραμμα της μεταβολής της θερμοκρασίας του σώματος σε συνάρτηση με το χρόνο κατά το πείραμα του βρασμού.

Διάγραμμα της μεταβολής της θερμοκρασίας του σώματος σε συνάρτηση με το χρόνο κατά το πείραμα του βρασμού

  Όταν η πίεση που επικρατεί στην ελεύθερη επιφάνεια ενός υγρού είναι σταθερή:
α) Ο βρασμός του υγρού αρχίζει σε ορισμένη θερμοκρασία που είναι χαρακτηριστική για κάθε υγρό και για κάθε πίεση και λέγεται θερμοκρασία βρασμού ή σημείο ζέσεως.
β) Όσο διαρκεί ο βρασμός,η θερμοκρασία παραμένει σταθερή και ίση με το σημείο ζέσεως.

Το σημείο ζέσεως του νερού

 Το σημείο ζέσεως είναι το οριακό σημείο θερμοκρασίας που μπορεί να αναπτυχθεί σε μια καθαρή ουσία σε κανονικές συνθήκες. Συνεπώς όσο και να εξακολουθεί να βράζει η ουσία αυτή η θερμοκρασία της μάζας της δεν υπερβαίνει το σημείο αυτό.
 Κανονικό σημείο ζέσεως ονομάζεται το σημείο ζέσεως όπου η πίεση που επικρατεί στην ελεύθερη επιφάνεια του υγρού είναι ίση με την κανονική ατμοσφαιρική πίεση (1 atm).Το πείραμα που αναφέραμε αποδεικνύει ότι το κανονικό σημείο ζέσεως του νερού είναι 100 °C.

Το βράσιμο του φαγητού

  Ο βρασμός χρησιμοποιείται καθημερινά από τον άνθρωπο και έχει μεγάλο φάσμα εφαρμογών, από το βράσιμο του φαγητού μέχρι την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή κίνησης.Στη Μεταλλουργία ο όρος βρασμός χαρακτηρίζει τη διαδικασία του καθαρισμού των μετάλλων από τις διάφορες προσμίξεις ή ακόμα και τον μεταξύ τους διαχωρισμό που γίνεται δια της εξαέρωσης, όπως π.χ. συμβαίνει στο καθαρισμό του υδραργύρου, ή του ψευδαργύρου κ.ά.

ΥΓΡΟΠΟΙΗΣΗ

  Όταν ο αέρας που εκπνέουμε έρθει σε επαφή με μία ψυχρή γυάλινη επιφάνεια,σχηματίζονται πάνω σ'αυτή σταγονίδια νερού.Αυτό συμβαίνει γιατί οι υδρατμοί,που βρίσκονται στον αέρα που εκπνέουμε,ψύχονται στη γυάλινη επιφάνεια και μετατρέπονται σε νερό.

Όταν ο αέρας που εκπνέουμε έρθει σε επαφή με μία ψυχρή γυάλινη επιφάνεια,σχηματίζονται πάνω σ'αυτή σταγονίδια νερού

 Το φαινόμενο αυτό,που είναι αντίστροφο της εξαέρωσης,λέγεται υγροποίηση.Επομένως:
  Υγροποίηση ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο ένα αέριο ή ατμός μετατρέπεται σε υγρό.

Υγροποίηση ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο ένα αέριο ή ατμός μετατρέπεται σε υγρό.

  Οι υδρατμοί υγροποιούνται στους 100 °C, δηλαδή σε θερμοκρασία ίση με τη θερμοκρασία βρασμού.   

 Η υγροποίηση ενός αερίου, ανάλογα με τη φύση του, μπορεί να πραγματοποιηθεί με ψύξη, συμπίεση ή με συνδυασμένη ψύξη και συμπίεση.

  Υπάρχουν όμως και μερικά φυσικά αέρια,όπως για παράδειγμα το οξυγόνο και το άζωτο,που υγροποιούνται δύσκολα,γιατί χρειάζονται συμπίεση και ψύξη συγχρόνως.Η υγροποίηση των ατμών με ψύξη βρίσκει εφαρμογή στην απόσταξη.

  Απόσταξη ονομάζεται η μέθοδος με την οποία απομονώνεται ένα υγρό συγκεκριμένου σημείου βρασμού από ένα μίγμα.

Η υγροποίηση των ατμών με ψύξη βρίσκει εφαρμογή στην απόσταξη  

  Κατά την υγροποίηση των αερίων υπάρχουν ορισμένα χαρακτηριστικά μεγέθη για κάθε αέριο, που ονομάζονται κρίσιμες σταθερές του αερίου. Οι κρίσιμες σταθερές του είναι η κρίσιμη θερμοκρασία, η κρίσιμη πίεση, ο κρίσιμος όγκος και η κρίσιμη πυκνότητα.

 Κρίσιμη θερμοκρασία ενός σώματος ονομάζεται η χαρακτηριστική του θερμοκρασία, πάνω από την οποία το αέριο υπάρχει πάντοτε σε αέρια κατάσταση. Στην κρίσιμη θερμοκρασία είναι δυνατή η υγροποίησή του, όταν η πίεση και ο όγκος του πάρουν τις κρίσιμες τιμές. Κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία η υγροποίηση του αερίου είναι δυνατή και μόνο με συμπίεση. Η κρίσιμη λοιπόν θερμοκρασία είναι ένα διαχωριστικό όριο μεταξύ αερίου και υγρού.

  Η υγροποίηση είναι αποτέλεσμα της αύξησης των δυνάμεων συνοχής μεταξύ των μορίων του αέριου λόγω συμπίεσης και της ελάττωσης της κινητικότητας τους λόγω ψύξης.Η υγροποίηση συνοδεύεται από έκλυση θερμότητας.

  Κατά την τήξη, την πήξη, το βρασμό και την υγροποίηση η κατάσταση των σωμάτων αλλάζει. Αυτές οι αλλαγές ονομάζονται αλλαγές κατάστασης.Θερμότητα τήξης και βρασμού

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΤΗΞΗΣ ΚΑΙ ΒΡΑΣΜΟΥ

 Τα κομμάτια πάγου λιώνουν,όταν εκτεθούν σε περιβάλλον υψηλότερης θερμοκρασίας, για παράδειγμα στον αέρα.Τότε, θερμότητα μεταφέρεται από τον αέρα στον πάγο. Αντίθετα, κατά την πήξη μεταφέρεται θερμότητα από το νερό προς το περιβάλλον του.

Τα κομμάτια πάγου λιώνουν,όταν εκτεθούν σε περιβάλλον υψηλότερης θερμοκρασίας

  Γενικά, όταν θερμότητα μεταφέρεται σε ένα στερεό σώμα (για παράδειγμα όταν το θερμαίνουμε με ένα λύχνο), η θερμοκρασία του σώματος αυξάνεται μέχρι να φτάσει στη θερμοκρασία τήξης. Τότε το σώμα τήκεται (λιώνει), ενώ η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή, μέχρι να μετατραπεί εξολοκλήρου σε υγρό. Όταν θερμότητα μεταφέρεται από ένα υγρό προς το περιβάλλον του (για παράδειγμα, όταν αυτό βρίσκεται μέσα σε έναν καταψύκτη), η θερμοκρασία του υγρού ελαττώνεται μέχρι να φτάσει στη θερμοκρασία πήξης. Τότε το υγρό στερεοποιείται (πήζει), ενώ η θερμοκρασία του διατηρείται σταθερή μέχρι να μετατραπεί εξ ολοκλήρου σε στερεό.

Λανθάνουσα θερμότητα ονομάζεται το ποσό της θερμότητας που απαιτείται για την μετατροπή 1 Kg νερού θερμοκρασίας βρασμού σε ατμό ίδιας θερμοκρασίας

  Όταν σε ένα υγρό μεταφέρεται θερμότητα (για παράδειγμα, όταν το θερμαίνουμε με ένα λύχνο), η θερμοκρασία του υγρού αυξάνεται μέχρι να φτάσει στη θερμοκρασία βρασμού. Τότε, το υγρό μετατρέπεται σε αέριο, ενώ η θερμοκρασία του καθ' όλη τη διάρκεια της μετατροπής παραμένει σταθερή. Αντιθέτως, όταν από ένα αέριο μεταφέρεται θερμότητα προς το περιβάλλον, η θερμοκρασία του αερίου αρχικά μειώνεται. Όταν γίνει ίση με τη θερμοκρασία βρασμού, αρχίζει να υγροποιείται, η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή, ενώ θερμότητα εξακολουθεί να μεταφέρεται προς το περιβάλλον.

 Λανθάνουσα θερμότητα ονομάζεται το ποσό της θερμότητας που απαιτείται για την μετατροπή 1 Kg νερού θερμοκρασίας βρασμού σε ατμό ίδιας θερμοκρασίας. Φέρεται με την ονομασία αυτή επειδή λανθάνει τρόπο τινά της προσοχής μή γενόμενη αντιληπτή σε προσαρμοσμένο θερμόμετρο που συνεχίζει να παρουσιάζει σταθερά τη θερμοκρασία βρασμού.

  Γενικά, όταν θερμότητα μεταφέρεται σε ένα στερεό ή υγρό σώμα, χωρίς να αλλάζει η κατάστασή του, τότε η θερμοκρασία του σώματος αυξάνεται. Κατά τη διάρκεια όμως της τήξης ή του βρασμού η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή αν και στο σώμα μεταφέρεται θερμότητα.Η θερμότητα που μεταφέρεται σε ένα στερεό σώμα κατά την τήξη του, είναι ανάλογη της μάζας του σώματος και εξαρτάται από το υλικό από το οποίο αποτελείται το σώμα:

                                            Q = LT • m

όπου Q είναι η συνολική ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται στο σώμα για να μετατραπεί όλη η μάζα του m σε υγρό ίδιας θερμοκρασίας. Το LT ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα τήξης και εξαρτάται από το υλικό.Το LT εκφράζει την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την πλήρη τήξη 1 kg από το υλικό.

α) Κατά τη διάρκεια της τήξης του πάγου, μεταφέρεται θερμότητα από τη φλόγα στον πάγο. Όμως η θερμοκρασία του πάγου παραμένει σταθερή. 

β) Κατά τη διάρκεια του βρασμού του νερού, μεταφέρεται θερμότητα από τη φλόγα στο νερό. Όμως η θερμοκρασία του νερού παραμένει σταθερή.

  Λέγεται λανθάνουσα θερμότητα, διότι η απορρόφησή της δεν αυξάνει τη θερμοκρασία του υλικού, αλλά ξοδεύεται στην μετατροπή του από στερεό σε υγρό. Καθ' όλη τη διάρκεια της τήξης, η θερμοκρασία του υλικού παραμένει σταθερή και ίση με τη θερμοκρασία τήξης.

 Τώρα θα μελετήσουμε τη μικροσκοπική ερμηνεία της λανθάνουσας θερμότητας.Σε ένα στερεό σώμα, τα μόρια βρίσκονται διατεταγμένα σε καθορισμένες θέσεις, σχηματίζοντας ένα πλέγμα (με εξαίρεση τα άμορφα στερεά, όπως το γυαλί) και εκτελούν μόνο μικρές ταλαντώσεις γύρω από τις θέσεις ισορροπίας τους στο πλέγμα. Μικροσκοπικά, η θερμοκρασία ερμηνεύεται ως η μέση κινητική ενέργεια των μορίων του σώματος, κατά την άτακτη κίνησή τους. Κατά τη διάρκεια της θέρμανσης ενός στερεού, τα μόρια του σώματος απορροφούν θερμική ενέργεια, με αποτέλεσμα να αυξάνει κατά μέσο όρο το πλάτος της ταλάντωσής τους και να μεγαλώνουν οι αποστάσεις τους στο πλέγμα. Όταν φτάσει το σώμα στη θερμοκρασία τήξης, τα μόριά του απορροφούν αρκετή ενέργεια ώστε να αποδεσμευτούν από το πλέγμα και να μεταβούν στην υγρή κατάσταση.

  Αντίστοιχα, η ποσότητα της θερμότητας που μεταφέρεται σε ένα υγρό σώμα κατά το βρασμό, είναι ανάλογη της μάζας του σώματος και εξαρτάται από το υλικό από το οποίο αποτελείται το σώμα:

                                              Q = LB • M 

όπου Q είναι η συνολική ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται στο σώμα για να μετατραπεί όλη η μάζα του m σε αέριο ίδιας θερμοκρασίας. Το LB ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα βρασμού και εξαρτάται από το υλικό. Το LB εκφράζει την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την πλήρη εξαέρωση 1 kg από το υλικό.

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΚΑΙ ΛΑΝΘΑΝΟΥΣΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΕΣ ΤΗΞΗΣ-ΒΡΑΣΜΟΥ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΥΛΙΚΩΝ
Υλικό	Θερμοκρασία τήξης °C	Θερμότητα τήξης (Lt)	Θερμοκρασία βρασμού °C	Θερμότητα βρασμού (LB)
		103 J/kg ή J/gr		103 J/kg ή J/gr
Ήλιο	-270	5,23	-269	21
Άζωτο	-210	25,5	-196	201
Οξυγόνο	-219	13,8	-183	213
Οινόπνευμα	-114	104	78	854
Υδράργυρος	-39	11,8	357	272
Νερό	0	334	100	2256
Μόλυβδος	327	24,5	1750	871
Αλουμίνιο	660	90	2450	11400
Χρυσός	1063	64,5	2660	1578
Χαλκός	1083	134	1187	5070
Βολφράμιο	3370		5900

  

ΕΞΑΧΝΩΣΗ

  Για να προστατεύσουμε τα μάλλινα ρούχα από το σκόρο,χρησιμοποιούμε κρυστάλλους ναφθαλίνης.Οι κρύσταλλοι αυτοί ύστερα από μερικούς μήνες μικραίνουν ή και εξαφανίζονται.Αυτό συμβαίνει γιατί η ναφθαλίνη μετατρέπεται κατευθείαν σε ατμούς,δηλαδή μετατρέπεται σε αέριο.

Η ναφθαλίνη μετατρέπεται κατευθείαν σε ατμούς  

 Μέσα σ' ένα δοχείο από πορσελάνη θερμαίνουμε ήπια κρυστάλλους ιωδίου. Παρατηρούμε ότι το στερεό ιώδιο μετατρέπεται απευθείας σε αέριο χωρίς να περάσει από την υγρή κατάσταση.

Το στερεό ιώδιο μετατρέπεται απευθείας σε αέριο χωρίς να περάσει από την υγρή κατάσταση

  Μερικά στερεά, όπως το στερεό διοξείδιο του άνθρακα (ξηρός πάγος) και οι κρύσταλλοι της ναφθαλίνης, μεταβαίνουν απευθείας από τη στερεά στην αέρια κατάσταση.Τα φαινόμενα αυτά λέγονται εξάχνωση.Σε ξηρό περιβάλλον και με έντονη ηλιακή ακτινοβολία το χιόνι και ο πάγος επίσης εξαχνώνονται.Το αντίθετο συμβαίνει όταν υδρατμοί βρεθούν σε ψυχρό αέρα, οπότε σχηματίζεται στερεό χιόνι.

Εξάχνωση ξηρού πάγου

Επομένως:
 Εξάχνωση ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο ένα στερεό μετατρέπεται απ΄ ευθείας σε αέριο χωρίς να μεσολαβήσει  από την ενδιάμεση υγροποίηση.

  Αποτελεί μια από τις αλλαγές φάσεων της φυσικής μορφής της ύλης .Κάτω από κανονικές συνθήκες πίεσης οι περισσότερες χημικές ενώσεις, και γενικά τα περισσότερα στερεά, σε διαφορετικές θερμοκρασίες βρίσκονται σε διαφορετική κατάσταση ύλης.Στα σώματα αυτά η μετάβαση από την στερεά στην αέρια κατάσταση γίνεται αφού το σώμα ή η ουσία μεταβεί πρώτα στην υγρή κατάσταση.

Η εξάχνωση του κομήτη Χάλλεϋ

 Εξάχνωση παρατηρείται στη ναφθαλίνη,στο ιώδιο,στον πάγο,στο στερεό διοξείδιο του άνθρακα,στην καμφουρά κ.λπ.Οι ατμοί που παράγονται από την εξάχνωση μπορεί να είναι κορεσμένοι ή ακόρεστοι.Οι λαμπτήρες πυρακτώσεως καταστρέφονται,δηλαδή καίγονται,γιατί το λεπτό σύρμα βολφραμίου που περιέχουν παθαίνει εξάχνωση εξαιτίας της μεγάλης θερμοκρασίας του.
 Η εξάχνωση έχει χρήσιμη πρακτική εφαρμογή, γιατί μπορούμε μ' αυτή ν' αφαιρέσουμε από ένα στερεό σώμα τις ξένες ουσίες που είναι ανακατεμένες μ' αυτό, όπως το ακάθαρτο αμμωνιακό άλας, να πάρουμε το καθαρό άλας κλπ. 

ΤΑ ΣΚΑΛΟΠΑΤΙΑ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ

  Στο παρακάτω σχήμα παριστάνεται γραφικά η θερμοκρασία 1 Kg H2Ο (νερού) αρχικής θερμοκρασίας -10 °C σε συνάρτηση με τη θερμότητα που μεταφέρεται από το περιβάλλον σε αυτό. Το διάγραμμα αποτελείται από 5 διαφορετικές περιοχές.

Η γραφική παράσταση της θερμοκρασίας 1 Kg H2Ο (νερού) αρχικής θερμοκρασίας -10 °C σε συνάρτηση με τη θερμότητα που μεταφέρεται από το περιβάλλον σε αυτό

α) Αύξηση της θερμοκρασίας του πάγου από την αρχική Θπ=-10 °C στη θερμοκρασία τήξης θΤ=0 °C. Η θερμότητα που απορροφάται από τον πάγο είναι:

                                Qπ = cπ• m • (θΤ - θπ )

β) Η θερμοκρασία του μείγματος του υγρού νερού και του πάγου διατηρείται σταθερή ίση με θτ. Είναι το σκαλοπάτι της τήξης. Η θερμότητα είναι ίση με τη θερμότητα τήξης:

                                 QT=m • LT

γ) Η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται από θT μέχρι τη θερμοκρασία βρασμού θ,. Η θερμότητα που απορροφάται από το νερό είναι:

                                 Qv=cv • m • (θβ - θτ )

δ) Η θερμοκρασία του μείγματος του νερού και των υδρατμών διατηρείται σταθερή και ίση με θβ. Είναι το σκαλοπάτι του βρασμού. Η θερμότητα που απορροφά το νερό είναι ίση με τη θερμότητα βρασμού:

                                 Qβ=m • LB 

ε) Η θερμοκρασία των υδρατμών αυξάνεται.

ΠΙΕΣΗ

  Έχουμε αναφέρει ότι δύναμη είναι η αιτία που αλλάζει την κινητική κατάσταση των σωμάτων ή που προκαλεί την παραμόρφωσή τους.Σε πολλές όμως περιπτώσεις η παραμόρφωση ενός σώματος δεν εξαρτάται μόνο από τη δύναμη που ασκείται στο σώμα αλλά και από το εμβαδόν της επιφάνειας στην οποία κατανέμεται η δύναμη αυτή.

Τα χιονοπέδιλα κατασκευάζονται να έχουν μεγάλο εμβαδόν για να μπορεί ο άνθρωπος να περπατάει πιο άνετα στο χιόνι 

Αυτό φαίνεται καθαρά στο επόμενο παράδειγμα:

  Τα ίχνη που αφήνει ,ένας άνθρωπος που βαδίζει στο χιόνι,έχουν μεγάλο βάθος,όταν δε φοράει χιονοπέδιλα και μικρό βάθος,όταν φοράει.Φυσικά και στις δύο περιπτώσεις η δύναμη που πιέζει το χιόνι είναι ίδια(το βάρος του σώματος),αλλά είναι διαφορετικό το εμβαδόν,στο οποίο κατανέμεται αυτή.Στην πρώτη περίπτωση το εμβαδόν είναι μικρότερο και το αποτέλεσμα της δύναμης είναι μεγαλύτερο από ότι στη δεύτερη περίπτωση.Πρέπει επίσης να τονίσουμε ότι η δύναμη που πιέζει το χιόνι είναι κάθετη στην επιφάνεια επαφής των δύο σωμάτων (άνθρωπος - χιόνι).Το ίδιο συμβαίνει και με τα φαρδιά λάστιχα των αυτοκινήτων.

Tα φορτηγά,για τη μεταφορά μεγάλων φορτίων,έχουν πολλά και φαρδιά λάστιχα για να αυξάνουν το εμβαδόν της επιφάνειας στην οποία ασκούν τη δύναμη

  Για να μελετήσουμε φαινόμενα σαν τα προηγούμενα εισάγουμε ένα νέο φυσικό μέγεθος,την πίεση,που ορίζεται ως εξής:

 Πίεση ονομάζεται το φυσικό μέγεθος που εκφράζεται με το πηλίκο της δυνάμεως,που ενεργεί κάθετα σε μία επιφάνεια,προς το εμβαδόν της επιφάνειας αυτής.

                                               p=Fκ/A

όπου:

p είναι η πίεση

Fκ είναι το μέτρο της ολικής δύναμης που ασκείται κάθετα σε επιφάνεια εμβαδού Α. 

Α είναι το εμβαδόν επιφάνειας

Πίεση ονομάζεται το φυσικό μέγεθος που εκφράζεται με το πηλίκο της δυνάμεως,που ενεργεί κάθετα σε μία επιφάνεια,προς το εμβαδόν της επιφάνειας αυτής

 Γενικά με τον όρο Πίεση χαρακτηρίζεται το αποτέλεσμα της εφαρμογής μιας δύναμης σε μία επιφάνεια. 

Η καρέκλα στηρίζεται σε άμμο πρώτα χωρίς σανίδα και μετά με σανίδα  

  Η καρέκλα στηρίζεται σε άμμο πρώτα χωρίς σανίδα και μετά με σανίδα.Στην πρώτη περίπτωση,το εμβαδόν της επιφάνειας στην οποία ασκείται το βάρος Β του ανθρώπου είναι μικρότερο από τη δεύτερη περίπτωση και επομένως η πίεση μεγαλύτερη.Για το λόγο αυτό η καρέκλα βυθίζεται περισσότερο στην πρώτη περίπτωση παρά στη δεύτερη.

Με το χέρι μας ασκούμε δύναμη στο κεφάλι της πινέζας και η πινέζα ασκεί στο χέρι μας αντίθετη δύναμη

  Κάθε φορά που χρειάζεται να κρεμάσουμε μια ανακοίνωση στον αντίστοιχο πίνακα που υπάρχει στο σχολείο ή στο δωμάτιο σου χρησιμοποιείς πινέζες.Με το χέρι μας ασκούμε δύναμη στο κεφάλι της πινέζας.Όπως μάθαμε το χέρι μας και η πινέζα αλληλεπιδρούν, επομένως και η πινέζα ασκεί στο χέρι μας αντίθετη δύναμη.Η πινέζα τελικά ασκεί δυο δυνάμεις.Μια στο δάκτυλο σου (F) και μια στον πίνακα (F').Οι δυνάμεις αυτές έχουν σχεδόν ίσα μέτρα.Η επιφάνεια επαφής της πινέζας με το δάκτυλο μας (κεφάλι της πινέζας) Αk είναι περίπου 400 φορές μεγαλύτερη από την επιφάνεια επαφής Αμ της πινέζας με τον πίνακα. Σύμφωνα με τη σχέση p=Fκ/A, η πίεση Ρμ που δέχεται ο πίνακας από την πινέζα είναι 400 φορές μεγαλύτερη από την πίεση ΡΔ που δέχεται το δάχτυλο μας.

 Γι’ αυτό η πινέζα διεισδύει στον πίνακα και όχι στο δάχτυλο μας.Άρα μπορούμε να πούμε:

Μια από τις περισσότερο συνηθισμένες ασκήσεις για τους φακίρηδες είναι τα καρφιά πάνω στα οποία ξαπλώνουν.Αν και φαίνεται περίεργο, ο καθένας θα μπορούσε να κάνει ακριβώς το ίδιο πράγμα, αφού το βάρος του σώματος μοιράζεται σε πολλά καρφιά και έτσι η δύναμη που ασκείται σε κάθε σημείο επαφής δέρματος-καρφιού είναι μικρή

  Η πίεση που δέχεται μια επιφάνεια είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη που ασκείται κάθετα σε αυτή και όσο μικρότερο είναι το εμβαδόν της.

  Από τον τύπο P=F/A παρατηρούμε ότι η πίεση είναι αντιστρόφως ανάλογη προς την επιφάνεια Α,όταν η δύναμη παραμένει σταθερή.Ανάλογα,λοιπόν,με το αποτέλεσμα που θέλουμε να φέρει η δύναμη,ρυθμίζουμε την αντίστοιχη επιφάνεια.

Όταν κατασκευάζουμε  μαχαίρια φροντίζουμε να έχουν λεπτή κόψη,ώστε το αποτέλεσμα της δυνάμεως που βάζουμε να είναι μεγαλύτερο

 Για παράδειγμα όταν κατασκευάζουμε καρφιά,πινέζες,βελόνες κ.λπ., φροντίζουμε να τα κάνουμε μυτερά στη μία άκρη,ώστε να είναι μικρή η επιφάνεια και επομένως μεγάλη πίεση.Με τον τρόπο αυτό,τα μυτερά σώματα εισχωρούν με ευκολία στο εσωτερικό διάφορων υλικών.Για τον ίδιο λόγο φροντίζουμε τα μαχαίρια,τα ξυράφια κ.λπ. να έχουν λεπτή κόψη,ώστε το αποτέλεσμα της δυνάμεως που βάζουμε να είναι μεγαλύτερο.

  Σε πολλές περιπτώσεις μας ενδιαφέρει να μετριάσουμε το αποτέλεσμα μιας δυνάμεως.Τότε δίνουμε στην επιφάνεια επαφής των σωμάτων μεγάλο εμβαδόν.Αυτό εφαρμόζεται στα βαριά αυτοκίνητα στα οποία βάζουμε πολλά και φαρδιά λάστιχα,για να προστατεύσουμε το οδόστρωμα από καθίζηση.

  Επίσης όταν σηκώνουμε βαριά δέματα,βάζουμε στα χέρια μας χαρτί ή ύφασμα για να μην κοπούν τα σχοινιά.

ΜΟΝΑΔΕΣ ΤΗΣ ΠΙΕΣΕΩΣ

  Στο Διεθνές Σύστημα μονάδα δύναμης είναι το 1 Ν και επιφάνειας το 1 m².Η πίεση είναι παράγωγο μέγεθος,επομένως οι μονάδες προκύπτουν από τον ορισμό της μέσω της σχέσης p=Fκ/A.

  Άρα μονάδα πιέσεως θα είναι το ένα Νιούτον ανά τετραγωνικό μέτρο (1Ν/m²). Η μονάδα αυτή λέγεται και Pascal (Πασκάλ) προς τιμή του Γάλλου μαθηματικού, φυσικού και φιλοσόφου Μπλαιζ Πασκάλ , δηλαδή:

                                      1 Ρα=1 Ν/m²

Μπλαιζ Πασκάλ (Blaise Pascal) 1623-1662 Μαθηματικός, φυσικός και φιλόσοφος που έζησε στη Γαλλία. Έγινε γνωστός κυρίως για τις μελέτες του στα μαθηματικά οι οποίες αφορούσαν τις πιθανότητες. Στη φυσική μελέτησε το έργο του Γαλιλαίου καθώς και του Τορικέλλι και δημοσίευσε πολλές σημαντικές εργασίες σε σχέση με τις ιδιότητες των ρευστών

  Η μονάδα 1 Ν/m² είναι πολύ μικρή για να εκφράσει τις συνηθισμένες πιέσεις,γι' αυτό χρησιμοποιούμε και το ένα Κιλοπασκάλ 1 kPa που ισούται με 1000 Pa.Άρα 1kPa=1000 Pa.

 Στην πράξη,όμως,χρησιμοποιούμε το ένα Πάουντ ανά τετραγωνικό εκατοστόμετρο (1 p/cm²) και το ένα κιλοπάουντ ανά τετραγωνικό εκατοστόμετρο (1kp/cm2) που ονομάζεται τεχνική ατμόσφαιρα και συμβολίζεται με το atm,δηλαδή:

                            1 atm=10⁵Pa =1kp/cm²=1000 p/cm²

  Επίσης ως μονάδα μέτρησης της πίεσης χρησιμοποιούμε και τη μία φυσική ατμόσφαιρα 1Atm που ισούται:

                                     1Atm =1,013▪10⁵Pa 

  Μια άλλη συνηθισμένη μονάδα είναι οι λίβρες ανά τετραγωνική τετραγωνική ίντσα που χρησιμοποιούμε στη μέτρηση πίεσης τροχών.

  Τέλος ως μονάδα μέτρησης της πίεσης χρησιμοποιούμε και το Χιλιοστό στήλης υδραργύρου (mmHg), το Torr, το Μπάρ (Bar) και οι υποδιαιρέσεις αυτού,το Μιλιμπάρ (mb) και το Μικρομπάρ (μb).

  Στη φυσική πρέπει να είμαστε πολύ προσεκτικοί και να μη χρησιμοποιούμε το ένα μέγεθος αντί του άλλου. Η δύναμη και η πίεση είναι δύο διαφορετικά φυσικά μεγέθη. Η δύναμη έχει κατεύθυνση, είναι διανυσματικό μέγεθος και μετριέται σε Ν, ενώ η πίεση δεν έχει κατεύθυνση, δεν είναι διανυσματικό μέγεθος.Η πίεση εκφράζει τη δύναμη που ασκείται κάθετα στη μονάδα επιφάνειας και μετριέται σε Ν/m².

ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΥΛΗΣ ΚΑΙ Η ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΥΛΗΣ ΚΑΙ Η ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

  Για να ερμηνεύσουμε τη συμπεριφορά των αερίων δεν αρκεί η ακριβής μέτρηση της θερμοκρασίας ή της πίεσης.Επίσης δεν αρκεί ούτε  η γνώση των σχέσεων αναλογίας μεταξύ πίεσης, όγκου, αριθμού mol και θερμοκρασίας.

Η κινητική θεωρία των αερίων περιγράφει ένα αέριο ως ένα μεγάλο αριθμό μικρών σωματιδίων τα οποία βρίσκονται σε συνεχή, τυχαία κίνηση

   Η κινητική θεωρία των αερίων περιγράφει ένα αέριο ως ένα μεγάλο αριθμό μικρών σωματιδίων (ατόμων ή μορίων), τα οποία βρίσκονται σε συνεχή, τυχαία κίνηση. Τα ταχέως κινούμενα σωματίδια συγκρούονται συνεχώς μεταξύ τους με τα τοιχώματα του δοχείου.

Η κινητική θεωρία εξηγεί μακροσκοπικές ιδιότητες των αερίων, όπως η πίεση, η θερμοκρασία, ή τον όγκο, εξετάζοντας μοριακή σύνθεση και η κίνησή τους

  Η κινητική θεωρία εξηγεί μακροσκοπικές ιδιότητες των αερίων, όπως η πίεση, η θερμοκρασία, ή τον όγκο, εξετάζοντας μοριακή σύνθεση και η κίνησή τους. Ουσιαστικά, η θεωρία υποθέτει ότι η πίεση δεν οφείλεται στη στατική άπωση μεταξύ των μορίων, όπως ήταν η εικασία του Ισαάκ Νεύτωνα, αλλά λόγω των συγκρούσεων μεταξύ των μορίων κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες μέσω της κίνησης Brown.

  Η ανάγκη επίλυσης πολύπλοκων προβλημάτων που έθετε η νέα θεωρία οδήγησε στην ανάπτυξη ενός νέου κλάδου της Φυσικής, της Στατιστικής Φυσικής, που αποτέλεσε αργότερα πολύτιμο εργαλείο για τη θεμελίωση της σύγχρονης Φυσικής.Η Στατιστική μηχανική υπολογίζει και αξιοποιεί μέσες τιμές μεγεθών.

 H Στατιστική μηχανική είναι η εφαρμογή της θεωρίας πιθανοτήτων, η οποία περιλαμβάνει τα μαθηματικά εργαλεία για την αντιμετώπιση μεγάλων πληθυσμών, στο πεδίο της μηχανικής, η οποία ασχολείται με την κίνηση σωματιδίων ή αντικειμένων που υπόκεινται σε μια δύναμη

   H Στατιστική μηχανική είναι η εφαρμογή της θεωρίας πιθανοτήτων, η οποία περιλαμβάνει τα μαθηματικά εργαλεία για την αντιμετώπιση μεγάλων πληθυσμών, στο πεδίο της μηχανικής, η οποία ασχολείται με την κίνηση σωματιδίων ή αντικειμένων που υπόκεινται σε μια δύναμη.
  Η πιο απλή μορφή του μικροσκοπικού τρόπου μελέτης της συμπεριφοράς της ύλης είναι η κινητική θεωρία των αερίων.

Η πιο απλή μορφή του μικροσκοπικού τρόπου μελέτης της συμπεριφοράς της ύλης είναι η κινητική θεωρία των αερίων

  Για τα ιδανικά αέρια, που ορίστηκαν μακροσκοπικά ως τα αέρια για τα οποία ισχύει υπό οποιεσδήποτε συνθήκες η καταστατική εξίσωση,η κινητική θεωρία στηρίχτηκε στις εξής παραδοχές:

α) Τα μόρια του αερίου συμπεριφέρονται σαν μικρές όμοιες απόλυτα ελαστικές, σφαίρες που βρίσκονται σε διαρκεί και τυχαία κίνηση.Έτσι ο συνολικός όγκος των μορίων του αερίου μπορεί να θεωρηθεί αμελητέος σε σχέση με τον όγκο του δοχείου στο οποίο βρίσκεται.Επομένως κατά τις συγκρούσεις των μορίων με τα τοιχώματα του δοχείου η κινητική ενέργεια δεν αλλάζει.

β) Μεταξύ των κινούμενων μορίων δεν ασκούνται δυνάμεις παρά μόνο κατά τη στιγμή που συγκρούονται με άλλα μόρια ή με τα τοιχώματα του δοχείου. Επομένως η μεταξύ δύο συγκρούσεων κίνησή είναι ευθύγραμμη ομαλή και ισοταχής.

γ) Οι κρούσεις των μορίων με τα τοιχώματα είναι ελαστικές. Έτσι η κινητική ενέργεια του μορίου δεν αλλάζει μετά την κρούση του με το τοίχωμα.
δ) Ο χρόνος που διαρκεί η σύγκρουση είναι πού μικρός,αμελητέος. 
ε) Το μέγεθος των μορίων,σε σχέση με το χώρο που καταλαμβάνουν, θεωρείται μικρό.Έτσι ο συνολικός τους όγκος είναι αμελητέος σε σχέση με τον όγκο του δοχείου που τα περιέχει.

Με τη βοήθεια του προτύπου η κινητική θεωρία των αερίων εξηγεί αβίαστα όλους τους νόμους των αερίων

  Αν λοιπόν σ' αυτές τις παραδοχές προσθέσουμε άλλη μία,ότι δηλαδή φανταζόμαστε μεγάλο πλήθος μορίων,όπως συμβαίνει και στα αέρια,τότε έχουμε το πρότυπο του ιδανικού αερίου.Με τη βοήθεια αυτού του προτύπου η κινητική θεωρία των αερίων εξηγεί αβίαστα όλους τους νόμους των αερίων.

Η κινητική θεωρία είναι η εφαρμογή των νόμων της μηχανικής του Νεύτωνα σε μεγάλο αριθμό μορίων ιδανικού αερίου και η στατιστική επεξήγηση των αποτελεσμάτων

  Η κινητική θεωρία είναι η εφαρμογή των νόμων της μηχανικής του Νεύτωνα σε μεγάλο αριθμό μορίων ιδανικού αερίου και η στατιστική επεξήγηση των αποτελεσμάτων.Με την έκφραση στατιστική επεξεργασία εννοούμε τον υπολογισμό μέσων τιμών,όπως π.χ. μέση ταχύτητα των μορίων,μέση κινητική ενέργεια κ.λ.π.
  Η συμπεριφορά των αερίων αποκλίνει από εκείνη του ιδανικού αερίου και αυτό οφείλεται στο ότι τα μόρια των αερίων έχουν δομή,που όσο πιο πολύπλοκη είναι τόσο περισσότερο τα αέρια αυτά αποκλίνουν από το ιδανικό αέριο.Για παράδειγμα η συμπεριφορά του τρισδιάστατου CO2 αποκλίνει περισσότερο από το ιδανικό αέριο απ' ότι η συμπεριφορά του μονατομικού He.

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ

α) Η ΠΙΕΣΗ

   Στην παράγραφο αυτή θα μελετήσουμε τις ιδιότητες των αερίων με τη βοήθεια της κινητικής θεωρίας της ύλης. Το μεγάλο κενό μεταξύ των μορίων είναι αναμενόμενο διότι η εμπειρία δείχνει ότι τα αέρια συμπιέζονται πολύ εύκολα.Η εμπειρία μας αυτή εναρμονίζεται με τα πειραματικά ευρήματα σύμφωνα με τα οποία ο ατμοσφαιρικός αέρας μπορεί να συμπιεστεί.Με κατάλληλες διατάξεις ο αέρας μπορεί να συμπιεστεί στο 1/800 του αρχικού του όγκου προκειμένου να αποκτήσει συμπεριφορά υγρού.

α) Φαίνεται ένας κύλινδρος που περιέχει ένα αέριο αεροστεγώς κλεισμένο με έμβολο βάρους Β. Το έμβολο μπορεί να κινείται χωρίς τριβές.
β) Έχει αναπαρασταθεί σε μεγέθυνση μέρος του αερίου της εικόνας α. Στην αναπαράσταση αυτή τα μόρια του αερίου συμβολίζονται με μπλε σφαιρίδια

  Παρατηρούμε ότι παρά το μεγάλο κενό μεταξύ των μορίων, το αέριο που υπάρχει στον κύλινδρο "σηκώνει" το βάρος του εμβόλου.

  Θα μας ήταν εύκολο να κατανοήσουμε αυτό που συμβαίνει, αν το βάρος του εμβόλου υποστηριζόταν από κάποιο υγρό, που είναι πρακτικά ασυμπίεστο, επειδή τα μόρια του είναι σε επαφή μεταξύ τους.

  Πώς όμως μπορεί να στηρίξει ένα τόσο αραιό σώμα, όπως ο αέρας, το βάρος του εμβόλου;

Ο ατμοσφαιρικός αέρας και γενικά όλα τα αέρια είναι συμπιεστά

  Ας θεωρήσουμε ένα μόριο του αερίου το οποίο κινείται προς την επιφάνεια του εμβόλου και ανακλάται στην αντίθετη κατεύθυνση.

  Αν σκεφτούμε ότι ακόμα και μια ελάχιστη ποσότητα αερίου π.χ. όση περιέχεται στο χώρο που καταλαμβάνει η κεφαλή μιας καρφίτσας, περιέχει 10¹⁷ μόρια, (δηλαδή 100.000 τρισεκατομμύρια) ο αριθμός των μορίων στον κύλινδρο είναι ασύλληπτα μεγάλος. Τα μόρια που υπάρχουν στο δοχείο συγκρούονται μεταξύ τους καθώς επίσης και με τα τοιχώματα του δοχείου. Συνεπώς κάθε χρονική στιγμή ένας αριθμός από το τεράστιο πλήθος των μορίων συγκρούεται με το έμβολο.

Η δύναμη F από το έμβολο είναι αυτή που προκάλεσε την αλλαγή της ορμής του μορίου, ενώ στο έμβολο ασκήθηκε από το μόριο η δύναμη F′

  Η συνισταμένη όλων των δυνάμεων που ασκούν τα μόρια στο έμβολο, είναι υπεύθυνη για τη στήριξη του εμβόλου.

Τι άραγε θα συμβεί αν τοποθετήσουμε ένα σώμα βάρους Β πάνω στο έμβολο και αυξηθεί η πίεση που ασκείται στο αέριο; Αν πραγματοποιήσουμε το πείραμα θα διαπιστώσουμε ότι:

α) ο όγκος του αερίου γίνεται μικρότερος

β) το έμβολο ισορροπεί πάλι.

 Συνεπώς, η συνισταμένη των δυνάμεων που ασκούν τα μόρια στο έμβολο, συνολικά, εξισορροπεί την αυξημένη δύναμη που ωθεί το έμβολο προς τα κάτω. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί ως εξής:

  Επειδή μειώθηκε ο όγκος του αερίου μίκρυναν οι διαδρομές που διανύουν τα μόρια μεταξύ δυο διαδοχικών συγκρούσεων με το έμβολο. Έτσι οι συγκρούσεις έγιναν συχνότερες και η συνισταμένη των δυνάμεων που ασκείται στο έμβολο έγινε μεγαλύτερη.

Το έμβολο ισορροπεί πάλι

   Η ιδιότητα των αερίων να ασκούν δυνάμεις στα τοιχώματα των δοχείων που τα περιέχουν περιγράφεται με την έννοια της πίεσης.

  Όπως γνωρίζουμε η πίεση, Ρ, ορίζεται από το πηλίκο της κάθετης δύναμης F, που ασκείται σε μια επιφάνεια, προς το εμβαδόν S της επιφάνειας αυτής.
  Δηλαδή: 

                                                          P = FS

  Στα παραδείγματα που εξετάσαμε η πίεση που ασκεί το αέριο στο έμβολο είναι:

P = P_atm + B_ολS

 

όπου:
Βολ το βάρος του σώματος και του εμβόλου, 
S το εμβαδόν του εμβόλου και 
Patm η ατμοσφαιρική πίεση.

  Πρέπει να τονίσουμε ότι λόγω της τυχαίας κίνησης των μορίων προς κάθε κατεύθυνση, η πίεση στο έμβολο είναι ίση με την πίεση στα τοιχώματα του κυλίνδρου και είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός των κρούσεων.

β) Η ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

  Στο παρακάτω σχήμα είναι ένα κλειστό δοχείο μέσα στο οποίο υπάρχει αέριο. Το δοχείο είναι εφοδιασμένο με μανόμετρο Μ, που μετράει την πίεση και με θερμόμετρο Θ που μετράει τη θερμοκρασία.

Ένα κλειστό δοχείο μέσα στο οποίο υπάρχει αέριο

  Τι θα παρατηρήσουμε αν θερμάνουμε το αέριο και αυξηθεί η θερμοκρασία του;

  Το πείραμα δείχνει ότι αυξάνεται η ένδειξη του μανόμετρου δηλαδή η πίεση του αερίου. Πώς μπορεί να ερμηνευθεί αυτή η μεταβολή με δεδομένο ότι ο όγκος του αερίου έμεινε πρακτικά αμετάβλητος;

  Σύμφωνα με όσα αναφέραμε προηγουμένως για την ερμηνεία της πίεσης στα αέρια, είναι λογικό να δεχθούμε ότι αυξήθηκε η ταχύτητα των μορίων. Κατά συνέπεια, η έννοια της θερμοκρασίας είναι συνυφασμένη με την ταχύτητα των μορίων.

  Έτσι η αύξηση της θερμοκρασίας σχετίζεται με την αύξηση της ταχύτητας των μορίων. Το λογικό αυτό συμπέρασμα ελέγχθηκε πειραματικά και βρέθηκε ότι είναι σωστό και ισχύει εκτός από τα αέρια στα υγρά και στα στερεά ανεξάρτητα από το είδος των σωματιδίων που αυτά αποτελούνται, δηλαδή άτομα,ιόντα ή μόρια.

Το δοχείο 1 περιέχει κρύο νερό και το δοχείο 2 ζεστό (δηλαδή θ₁ < θ₂). Τα μόρια του νερού απεικονίζονται με σφαιρίδια και οι ταχύτητες τους με βέλη. Στο ζεστό νερό τα μόρια κινούνται με μεγαλύτερες ταχύτητες, οι οποίες παριστάνονται με βέλη μεγαλύτερου μήκους

  Ο προσδιορισμός της σχέσης μεταξύ θερμοκρασίας και κίνησης των σωματίων από τα οποία αποτελούνται τα υλικά σώματα αποτέλεσε σημαντικό σταθμό στην ιστορία της Φυσικής.

ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

  Είδαμε ότι κατά την εκτόνωση του αερίου,ενέργεια μεταφέρεται μέσω του έργου P ΔV στο περιβάλλον.Από πού προέρχεται η ενέργεια αυτή;Η απάντηση είναι ότι η ενέργεια αυτή υπάρχει στο αέριο και ονομάζεται εσωτερική ενέργεια.Η εσωτερική ενέργεια συμβολίζεται με U.

Κατά την εκτόνωση του αερίου,ενέργεια μεταφέρεται μέσω του έργου P ΔV στο περιβάλλον

  Από μικροσκοπική άποψη, η ενέργεια που εμπεριέχει ένα σύστημα οφείλεται στην ενέργεια που έχουν τα σωματίδια που το απαρτίζουν.

Οι δομικοί λίθοι ενός αερίου διαρκώς κινούνται.Άρα έχουν κινητική ενέργεια

  Οι δομικοί λίθοι ενός αερίου,π.χ. τα μόριά του,τα άτομα του ή τα ιόντα του διαρκώς κινούνται,σε όποια φάση και αν βρίσκεται (στερεή, υγρή ή αέρια).Άρα έχουν κινητική ενέργεια.

Οι δομικοί λίθοι ενός αερίου λόγω των μεταξύ δυνάμεων έχουν και δυναμική ενέργεια

  Επίσης λόγω των μεταξύ τους δυνάμεων έχουν και δυναμική ενέργεια.Η κινητική ενέργεια δεν οφείλεται μόνο στη μεταφορική του κίνηση αλλά και σε ταλαντώσεις και περιστροφές των ατόμων του μορίου.

ΟΡΙΣΜΟΣ ΜΕΣΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΜΟΡΙΩΝ ΤΟΥ ΑΕΡΙΟΥ

    Μέση κινητική ενέργεια K των μορίων του αερίου ονομάζεται το άθροισμα των κινητικών ενεργειών K₁, K₂, … K_Ν των μορίων του αερίου δια του πλήθους των N.

   Δηλαδή:

K = K₁ + K₂ + … + K_ΝN

   Στα αραιά μονοατομικά αέρια τα μόρια θεωρούνται ως σωμάτια, τα οποία μπορούν να έχουν, μόνο μεταφορική κίνηση. Αυτό σημαίνει πως η μέση κινητική ενέργεια των μορίων του αερίου αυτού, είναι μεταφορική κινητική ενέργεια.

ΟΡΙΣΜΟΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

 Εσωτερική ενέργεια U ενός αερίου ή γενικότερα ενός συστήματος ονομάζεται το άθροισμα των ενεργειών κάθε μορφής που έχουν οι δομικοί λίθοι του αερίου ή του συστήματος.

                  U=ΕΚ,μορίων + ΕΔ,μορίων + Εηλεκ. + Επυρ. + ....... 

  Η εσωτερική ενέργεια είναι συνάρτηση της κατάστασης του συστήματος(είναι καταστατική μεταβλητή),οπότε έχει νόημα η έκφραση "στην κατάσταση ισορροπίας Α το σύστημα έχει εσωτερική ενέργεια UA".

Εσωτερική ενέργεια U ενός αερίου ή γενικότερα ενός συστήματος ονομάζεται το άθροισμα των ενεργειών κάθε μορφής που έχουν οι δομικοί λίθοι του αερίου ή του συστήματος

  Επειδή στη θερμοδυναμική εργαζόμαστε μόνο με μεταβολές της εσωτερικής ενέργειας,μπορούμε να παραλείψουμε από τον ορισμό της όλους τους όρους που διατηρούνται σταθεροί (Εηλεκ. + Επυρ. + ....... ).

  Έτσι πιο σωστός ορισμός της εσωτερικής ενέργειας είναι:

  Εσωτερική ενέργεια U ενός αερίου ή γενικότερα ενός συστήματος ονομάζεται το άθροισμα των ενεργειών των δομικών λίθων του συστήματος λόγω της κίνησης τους ή λόγω της θέσης τους.

                                  U=ΕΚ,μορίων + ΕΔ,μορίων

  Η εσωτερική ενέργεια είναι ένα μέγεθος του οποίου μόνο οι μεταβολές είναι μετρήσιμες και επομένως μας ενδιαφέρουν.

Εσωτερική ενέργεια U ενός αερίου ή γενικότερα ενός συστήματος ονομάζεται το άθροισμα των ενεργειών των δομικών λίθων του συστήματος λόγω της κίνησης τους ή λόγω της θέσης τους

  Αφού ορίσαμε την μέση κινητική ενέργεια K των μορίων του αερίου μπορούμε να δώσουμε έναν ακόμα ορισμό για την εσωτερική ενέργεια ενός αερίου.

  Εάν πολλαπλασιάσουμε τη μέση κινητική ενέργεια των μορίων του αερίου λόγω της μεταφορικής τους κίνησης με το πλήθος τους N, προκύπτει η συνολική κινητική ενέργεια όλων των μορίων του αερίου.

  H ενέργεια αυτή ονομάζεται εσωτερική ενέργεια U και είναι αποτέλεσμα των θερμικών κινήσεων των μορίων του.

   Δηλαδή:

U = N K

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΔΑΝΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ

  Όταν αναφερόμαστε σε μια ποσότητα ιδανικού αερίου που βρίσκεται σε σε συνήθεις συνθήκες,η εσωτερικής ενέργεια έχει δύο σημαντικές ιδιότητες:

α) Στην περίπτωση που ένα αέριο βρίσκεται σε συνήθεις συνθήκες έχει χαμηλή πυκνότητα,με συνέπεια οι αποστάσεις των μορίων να είναι μεγάλες και οι μεταξύ των μορίων δυνάμεις να θεωρούνται αμελητέες.Άρα δεν έχουν δυναμική ενέργεια.Αυτό σημαίνει ότι ο όρος ΕΔ,μορίων είναι αμελητέος.

Ένα αέριο που βρίσκεται σε συνήθεις συνθήκες έχει χαμηλή πυκνότητα,με συνέπεια οι αποστάσεις των μορίων να είναι μεγάλες και οι μεταξύ των μορίων δυνάμεις να θεωρούνται αμελητέες

  Η εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου οφείλεται στις κινητικές ενέργειες που έχουν τα μόριά του και είναι ίση με το άθροισμα αυτών των ενεργειών.Έτσι η σχέση U=ΕΚ,μορίων + ΕΔ,μορίων γίνεται:

                                 U=ΕΚ,μορίων

  Πρέπει να υπολογίσουμε την εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου.

  Η μέση κινητική ενέργεια ενός μορίου ιδανικού αερίου υπολογίστηκε  και βρέθηκε 

         _

1/2mυ²=3/2kT

  Αν το αέριο περιέχει Ν μόρια, η εσωτερική του ενέργεια θα είναι:

                  _ 

 U= Ν 1/2mυ² =N 3/2kT

  Αλλά Ν = n ΝΑ όπου n ο αριθμός των mol του αερίου. 

  Γνωρίζουμε ότι ΝΑΚ = R.

Η εσωτερική ενέργεια U ενός ιδανικού αερίου εξαρτάται μόνο από την θερμοκρασία και την μάζα του

 Συνεπώς έχουμε:

                                  U  =  3/2 nRT

  Η ενέργεια ΕΚ,μορίων και κατά συνέπεια η εσωτερική ενέργεια U ενός ιδανικού αερίου εξαρτάται μόνο από την θερμοκρασία και την μάζα του.Πιο συγκεκριμένα,η εσωτερική ενέργεια ορισμένης μάζας ιδανικού αερίου είναι ανάλογη προς την απόλυτη θερμοκρασία του.

β) Θεωρούμε μια μεταβολή ορισμένης ποσότητας ιδανικού αερίου από την κατάσταση ισορροπίας Α στην κατάσταση ισορροπίας Β.Όπως προκύπτει από τον ορισμό της εσωτερικής ενέργειας:

Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ΔU του αερίου μεταξύ δύο καταστάσεων ισορροπίας εξαρτάται μόνο από τις καταστάσεις αυτές και όχι από τον τρόπο με τον οποίο έγινε η μεταβολή

  Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ΔU=UΒ-UΑ του αερίου μεταξύ δύο καταστάσεων ισορροπίας Α και Β εξαρτάται μόνο από τις καταστάσεις αυτές και όχι από τον τρόπο με τον οποίο έγινε η μεταβολή από το Α στο Β.

  Πράγματι,ας θεωρήσουμε τις μεταβολές Ι και ΙΙ ενός αερίου,όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα,που συνδέουν δύο καταστάσεις ισορροπίας Α και Β.

Θεωρούμε τις μεταβολές Ι και ΙΙ ενός αερίου που συνδέουν δύο καταστάσεις ισορροπίας Α και Β.Όπως μπορεί να αποδειχθεί η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ΔU του αερίου είναι ίδια και στις δύο μεταβολές Ι και ΙΙ

  Όπως μπορεί να αποδειχθεί η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ΔU του αερίου είναι ίδια και στις δύο μεταβολές Ι και ΙΙ. Δηλαδή ισχύει:

                                                       ΔUΙ=ΔUΙΙ

  Ακριβώς όπως η δυναμική ενέργεια ενός σώματος στο πεδίο βαρύτητας είναι συνάρτηση μόνο της θέσης του και επομένως η μεταβολή της μεταξύ δυο θέσεων δεν εξαρτάται από το δρόμο που ενώνει αυτές τις θέσεις,έτσι και η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας εξαρτάται μόνο από την αρχική κατάσταση Α και την τελική κατάσταση Β και όχι από τον τρόπο με τον οποίο έγινε η μεταβολή από το Α στο Β. 

Στα (α) και (β) ένα αέριο σύστημα μεταβαίνει από την κατάσταση Α στη Β με, διαφορετικό κάθε φορά, αντιστρεπτό τρόπο. Στο (γ) το ίδιο σύστημα μεταβαίνει από την κατάσταση Α στη Β με μη αντιστρεπτό τρόπο. Η μεταβολή δεν μπορεί να παρασταθεί γραφικά. Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος είναι ίδια σε όλες τις περιπτώσεις

  Όταν το αέριο εκτελεί μια κυκλική αντιστρεπτή μεταβολή,όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα,τότε η τελική κατάσταση συμπίπτει με την αρχική (UΑ=UΒ). 

Όταν το αέριο εκτελεί μια κυκλική αντιστρεπτή μεταβολή τότε η τελική κατάσταση συμπίπτει με την αρχική (UΑ=UΒ)

  Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του αερίου θα είναι:

                                                     ΔU=UΒ-UΑ =0

ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΕΝΟΣ ΣΩΜΑΤΟΣ

  Θέρμανση ενός σώματος, σημαίνει αύξηση της εσωτερικής του ενέργειας εις βάρος της εσωτερικής ενέργειας κάποιου άλλου σώματος, του οποίου η εσωτερική ενέργεια μειώνεται και συνεπώς αυτό ψύχεται.

 Θέρμανση ενός σώματος, σημαίνει αύξηση της εσωτερικής του ενέργειας εις βάρος της εσωτερικής ενέργειας κάποιου άλλου σώματος, του οποίου η εσωτερική ενέργεια μειώνεται και συνεπώς αυτό ψύχεται

   Η αύξηση της εσωτερικής ενέργειας του ενός σώματος και η ταυτόχρονη μείωση της εσωτερικής ενέργειας του άλλου, συνεχίζονται έως ότου αυτά αποκτήσουν την ίδια θερμοκρασία.

ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ

  Δυο σώματα βρίσκονται σε θερμική επαφή όταν είναι δυνατόν να μεταφερθεί θερμότητα από το ένα σώμα στο άλλο,διαφορετικής θερµοκρασίας.

Δυο σώματα βρίσκονται σε θερμική επαφή όταν είναι δυνατόν να μεταφερθεί θερμότητα από το ένα σώμα στο άλλο,διαφορετικής θερµοκρασίας

 Η ροή θερµότητας οφείλεται στη διαφορά θερµοκρασίας  µεταξύ των δύο σωµάτων.Η ροή θερμότητας προκαλεί τη  µεταβολή της θερµοκρασίας των σωµάτων τα οποία βρίσκονται σε θερµική αλληλεπίδραση.

Ο κύλινδρος και το νερό βρίσκονται σε θερμική επαφή.Θερμότητα μεταφέρεται από το καυτό νερό προς το μέταλλο.Μετά από λίγη ώρα παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία του νερού μειώνεται και του μετάλλου αυξάνεται μέχρι η θερμοκρασία του μετάλλου να γίνει ίδια με τη θερμοκρασία του νερού.Η μεταφορά θερμότητας σταματάει.Τότε ότι το μέταλλο βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το νερό.  

  Για να μελετήσουμε καλύτερα την θερμική επαφή δύο σωμάτων θα εκτελέσουμε ένα απλό πείραμα.Βυθίζουμε ένα μεταλλικό κύλινδρο ο οποίος έχει τη θερμοκρασία περιβάλλοντος σε καυτό νερό.Το δοχείο μέσα στο οποίο περιέχεται το νερό έχει θερμικά μονωμένα τοιχώματα, δηλαδή τοιχώματα που δεν επιτρέπουν τη μεταφορά θερμότητας προς το περιβάλλον. Ο κύλινδρος και το νερό βρίσκονται σε θερμική επαφή.Θερμότητα μεταφέρεται από το σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας,δηλαδή του νερού,προς το σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας,δηλαδή του μέταλλου.Ύστερα από λίγη ώρα παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία του νερού μειώνεται και του μετάλλου αυξάνεται.Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα,η θερμοκρασία του μετάλλου γίνεται ίδια με τη θερμοκρασία του νερού.Η μεταφορά θερμότητας σταματάει.Λέμε τότε ότι το μέταλλο βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το νερό. 

Ρίχνουμε ένα  καυτό μεταλλικό κύλινδρο σε κρύο νερό  

  Τώρα ρίχνουμε ένα  καυτό μεταλλικό κύλινδρο σε κρύο νερό.Παρατηρούμε ότι σιγά σιγά το νερό ζεσταίνεται και το  µέταλλο ψύχεται,µέχρι να αποκτήσουν την ίδια θερµοκρασία. Την στιγμή αυτή σταµατά η ροή θερµότητας από το καυτό µέταλλικό κύλινδρο στο κρύο νερό και λέµε ότι το  µέταλλο και το νερό βρίσκονται σε θερµική ισορροπία.

Δύο σώµατα A και  B με διαφορετική θερμοκρασία,που βρίσκονται σε θερµική επαφή,έρχονται σε θερµική ισορροπία,  όταν αποκτήσουν την ίδια θερµοκρασία

Άρα: 

  Δύο σώµατα με διαφορετική θερμοκρασία,που βρίσκονται σε θερµική επαφή,έρχονται σε θερµική ισορροπία,  όταν αποκτήσουν την ίδια θερµοκρασία.

 Μια σημαντική εφαρμογή της θερμικής ισορροπίας έχουμε στη μέτρηση της θερμοκρασίας ενός σώματος.Το θερμόμετρο βασίζεται στη θερµική ισορροπία µεταξύ θερµοµέτρου και αντικειµένου.Για να τη μετρήσουμε σωστά, πρέπει το θερμόμετρο να βρίσκεται σε θερμική επαφή με το σώμα μέχρι να σταθεροποιηθεί η ένδειξή του.

Στο θερµόµετρο για τον πυρετό µεταφέρεται θερµότητα από το σώµα  µας στον υδράργυρο,µε αποτέλεσµα την αύξηση του ύψους της στήλης του.Όταν ο υδράργυρος αποκτήσει τη θερµοκρασία του σώµατός  µας,σταματάει η  µεταφορά θερµότητας.Τότε,το ύψος της στήλης δείχνει την τελική θερµοκρασία του υδραργύρου, άρα και τουσώµατός µας.

  Το θερµόµετρο για τον πυρετό το κρατάµε στη  µασχάλη για ορισµένο χρόνο. Αυτό πρέπει να το κάνουμε για να επέλθει θερµική ισορροπία  µεταξύ του σώµατός  µας και του υδραργύρου του θερµοµέτρου.Έτσι µεταφέρεται θερµότητα από το σώµα  µας στον υδράργυρο,µε αποτέλεσµα την αύξηση του ύψους της στήλης του. Όταν ο υδράργυρος αποκτήσει τη θερµοκρασία του σώµατός  µας,σταματάει η  µεταφορά θερµότητας. Τότε,το ύψος της στήλης δείχνει την τελική θερµοκρασία του υδραργύρου,  άρα και του σώµατός µας.

 Το θερμόμετρο δείχνει τη θερμοκρασία του σώματος όταν βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με αυτό.

Η θέρμανση δυο σωμάτων

   Τη διαδικασία αυτή μπορούμε να τη διαπιστώσουμε πειραματικά με τη βοήθεια της διάταξης που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Πρόκειται για δυο δοχεία τα οποία περιέχουν νερό σε διαφορετικές θερμοκρασίες. To μικρό δοχείο έχει μεταλλικά λεπτά τοιχώματα και περιέχει ζεστό νερό θερμοκρασίας θ₁ (σε ^οC). To μεγάλο δοχείο έχει κρύο νερό θερμοκρασίας θ₂ (σε ^οC).

Τα δυο δοχεία περιέχουν νερό σε διαφορετικές θερμοκρασίες. To μικρό δοχείο έχει μεταλλικά λεπτά τοιχώματα και περιέχει ζεστό νερό θερμοκρασίας θ₁ (σε ^οC). To μεγάλο δοχείο έχει κρύο νερό θερμοκρασίας θ₂ (σε ^οC)

 Στα δύο δοχεία υπάρχουν θερμόμετρα με τα οποία μετράμε τις θερμοκρασίες του νερού των δυο δοχείων. Αρχικά οι θερμοκρασίες είναι θ₁ και θ₂. Στη συνέχεια η θερμοκρασία του νερού στο δοχείο Δ₁ μειώνεται ενώ αυξάνεται η θερμοκρασία στο δοχείο Δ₂. H μεταβολή των θερμοκρασιών συνεχίζεται έως ότου το νερό στα δυο δοχεία αποκτήσει την ίδια θερμοκρασία.

  Όσο χρόνο οι θερμοκρασίες είναι διαφορετικές, γίνεται ανακατανομή στις εσωτερικές ενέργειες, το αποτέλεσμα της οποίας το ονομάζουμε “απορρόφηση θερμότητας” από το νερό στο δοχείο Δ₂. Όταν οι θερμοκρασίες γίνουν ίσες σταματά η ανακατανομή των εσωτερικών ενεργειών και τότε ούτε προσφέρεται ούτε απορροφάται θερμότητα.

    H κατάσταση αυτή ονομάζεται θερμική ισορροπία.

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΟΛΙΚΗΣ 

ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

 Παρόλο που πολλές φορές μέχρι τώρα σε προηγούμενα κεφάλαια αναφερθήκαμε στην αρχή διατήρησης της ενέργειας, σε καμία περίπτωση δε λάβαμε υπόψη μας την εσωτερική ενέργεια του αερίου.Φαίνονται δυο ίσες ποσότητες αερίου σε διαφορετικά δοχεία.

  Εάν θερμάνουμε και τα δύο αέρια εξίσου, δηλαδή προσφέρουμε και στα δύο την ίδια ποσότητα θερμότητας θα έχουμε το ίδιο αποτέλεσμα;

  Στο πρώτο δοχείο και με την προϋπόθεση πως αυτό διατηρεί τον όγκο του σταθερό, το αέριο θερμαίνεται χωρίς καμία μεταβολή στον όγκο του. Αυτό σημαίνει πως η προσφερόμενη θερμότητα απορροφήθηκε εξολοκλήρου από τα μόρια του αερίου, τα οποία αύξησαν έτσι την κινητική τους ενέργεια, δηλαδή ότι αυξήθηκε η εσωτερική ενέργεια του αερίου. Μπορούμε λοιπόν να διατυπώσουμε την αρχή διατήρησης της ενέργειας με την απλή εξίσωση:

Προσφερόμενη θερμότητα = αύξηση εσωτερικής ενέργειας αερίου

                                        Q = ΔU

 Στο δεύτερο δοχείο η θερμοκρασία του αερίου αυξάνεται λιγότερο και διαστελλόμενο ανυψώνει σιγά - σιγά το έμβολο,βάρους Β και εμβαδού S, κατά μικρό ύψος x. Το γεγονός πως το έμβολο ισορροπεί και μετά τη διαστολή, σημανει πως η πίεση Ρ του αερίου παρέμεινε σταθερή, ώστε να ικανοποιείται η συνθήκη ισορροπίας:

                                        ΡS = Patm· S + B

  Αντίθετα λοιπόν με ότι συμβαίνει στο πρώτο δοχείο όπου η προσφερόμενη θερμότητα μετατράπηκε εξ' ολοκλήρου σε εσωτερική ενέργεια του αερίου, στο δεύτερο δοχείο η εξέλιξη είναι διαφορετική. Συγκεκριμένα η ανύψωση του εμβόλου κατά x, σημαίνει πως το αέριο διαστελλόμενο πρόσφερε ενέργεια ίση με το έργο της σταθερής δύναμης PS, το οποίο είναι W = PSx και επειδή Sx = ΔV, προκύπτει:

                                        W = PΔV

Στη σχέση W = PΔV, ΔΥ είναι η αύξηση του όγκου του αερίου κατά τη θέρμανσή του.

  Αν λοιπόν αγνοήσουμε κάθε άλλη ενέργειακή μεταβολή, εκτός από τη θέρμανση του αερίου και την ανύψωση του εμβόλου, η διατήρηση της ενέργειας περιγράφεται από την εξίσωση:

  Προσφερόμενη θερμότητα = αύξηση της εσωτερικής ενέργειας αερίου και ενέργεια απαιτούμενη για την ανύψωση του εμβόλου.

Η μαθηματική έκφραση της εξίσωσης αυτής είναι:

                                         Q = ΔU + W

  Μέχρι τώρα κάθε φορά που αναφερόμαστε στη θερμότητα Q, θεωρούμε πως αυτή είναι μια μορφή ενέργειας όπως τόσες άλλες. Ωστόσο η άποψη αυτή μπορεί να εξυπηρετεί τη μελέτη μιας σειράς φαινομένων (και για το λόγο αυτό παραμένει σε χρήση) δε φαίνεται όμως πως είναι και ορθή.

  Πράγματι αυτό που σήμερα αποδεχόμαστε για τη θερμότητα είναι πως αυτή ως φυσικό μέγεθος χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ποσότητας της ενέργειας που μεταφέρεται από ένα σώμα σε κάποιο άλλο λόγω διαφοράς θερμοκρασίας. Δηλαδή, όπως το έργο μετράει την ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα σε κάποιο άλλο λόγω άσκησης δύναμης, έτσι και η θερμότητα Q: μετράει την ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα σε κάποιο άλλο, λόγω διαφοράς θερμοκρασίας.

  Παραδείγματος χάρη, καθώς ανυψώνουμε με το χέρι μας μια μεταλλική σφαίρα έχουμε μεταφορά ενέργειας W λόγω της δύναμης που της ασκούμε και μεταφορά ενέργειας Q λόγω διαφοράς θερμοκρασίας ανάμεσα στο χέρι μας και στη σφαίρα. Η ενέργεια W εμφανίζεται ως μηχανική ενέργεια της σφαίρας, ενώ η ενέργεια Q ως αύξηση της εσωτερικής της ενέργειας, δηλαδή ως αύξηση της θερμοκρασίας της.

Η θΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ Η ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

  Η πορεία της επιστήμης προς τη διατύπωση της αρχής διατήρησης της ενέργειας δεν ήταν ούτε απλή ούτε εύκολη, καθώς έπρεπε να διευκρινιστεί η σημασία των μεγεθών, όπως η θερμότητα, το έργο και η σχέση εσωτερικής ενέργειας και θερμότητας. Στην πορεία αυτή υπήρξαν οι εξής σημαντικοί σταθμοί:

α) Η διαπίστωση που έκανε ο B. Thompson (Τόμσον) το 1799 ότι η θέρμανση δεν αυξάνει το βάρος των σωμάτων.

β) Η πρόταση του J.R. Mayer (Μάγιερ) το 1842 ότι, "η ενέργεια είναι αιτία των φαινομένων και ως τέτοια δεν μπορεί να πάψει να υπάρχει αλλά θα μετατρέπεται από την μια μορφή στην άλλη, λειτουργώντας ως αιτία άλλων φαινομένων".

γ) Τα πειράματα του J.P. Joule (Τζάουλ) που θα αναφέρουμε παρακάτω, με τα οποία έδειξε ότι η μηχανική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε θερμότητα και προσδιόρισε την ποσοτική σχέση μεταξύ μηχανικής ενέργειας και θερμότητας. Ίσως φανεί παράξενο ή και απλοϊκό το επίτευγμα του Joule αλλά ήταν σημαντικό, γιατί την περίοδο εκείνη η μηχανική ενέργεια και η θερμότητα εθεωρούντο διαφορετικά μεγέθη και για τη μέτρησή τους χρησιμοποιούσαν διαφορετικές μονάδες. Η μονάδα θερμότητας ήταν το calorie (καλορί), μονάδα που χρησιμοποιούμε ακόμα και σήμερα. Ένα calorie (cal) είναι η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται προκειμένου να αυξηθεί η θερμοκρασία ενός γραμμαρίου καθαρού νερού κατά 1^oC. Ακριβέστερα από τους 14,5^oC στους 15,5^oC.

  Η μονάδα μέτρησης της μηχανικής ενέργειας ήταν αυτή που χρησιμοποιούμε και σήμερα, το 1 Joule = 1N · 1m, χωρίς να είχε τότε το σημερινό όνομα.

   Ο Joule κατασκεύασε τη διάταξη.

  Αφήνοντας το σώμα να πέσει από γνωστό ύψος γνώριζε τη δυναμική του ενέργεια. Η ενέργεια αυτή έθετε σε κίνηση τα μεταλλικά πτερύγια τα οποία ανάδευαν το νερό. Έτσι πρόσθετε κινητική ενέργεια στα μόριά του, αυξάνοντας τη θερμοκρασία του υγρού του οποίου γνώριζε τη μάζα. Είχε επίσης μετρήσει την ποσότητα του νερού. Μπορούσε επίσης, να υπολογίσει το ποσόν της θερμότητας Q που απορρόφησε το νερό με βάση τη μεταβολή της θερμοκρασίας του σύμφωνα με τη γνωστή σχέση Q=cm Δθ. Αφήνοντας το σώμα να πέσει αρκετές φορές υπολόγισε τη συνολική μηχανική ενέργεια W που μετατράπηκε σε θερμότητα. Για να προσδιορίσει τη σχέση μεταξύ θερμότητας και έργου υπολόγισε το λόγο Q/W και βρήκε ότι ήταν ίσος με 4,18. Το αποτέλεσμα αυτό σημαίνει ότι η ποσότητα θερμότητας 1cal ισοδυναμεί με 4,18Joule. Επανέλαβε το πείραμα με διαφορετικά υγρά και με παραλλαγές της συσκευής. Τελικά προσδιόρισε ότι η τιμή 4,18 είναι σταθερή και ανεξάρτητη από τα υλικά και τις πειραματικές διατάξεις.

  Παρόλο, που η μονάδα ενέργειας στο Διεθνές Σύστημα S.I. είναι το 1Joule, χρησιμοποιούμε ακόμη και σήμερα ως μονάδα θερμότητας το cal και το παράγωγο του kcal, διότι είναι πιο κατάλληλη μονάδα σε διάφορους κλάδους όπως η θερμοδυναμική, η θερμοχημεία, η τεχνολογία καυσίμων κ.α.

ΜΗΧΑΝΕΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

ΜΗΧΑΝΕΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

  Από την αρχαιότητα ο άνθρωπος προσπαθούσε να επιτύχει την παραγωγή έργου χωρίς ο ίδιος να κουράζεται.

Ο άνθρωπος εξημέρωσε ζώα για να εργάζονται εκείνα αντί γι' αυτόν, κατασκεύασε εργαλεία π.χ. τον τροχό, τον μοχλό, επινόησε διατάξεις για να αξιοποίηση την ενέργεια του άνεμου (ιστιοφόρα, πλοία, ανεμόμυλους) ή του νερού (νερόμυλους)

 Έτσι εξημέρωσε ζώα για να εργάζονται εκείνα αντί γι' αυτόν, κατασκεύασε εργαλεία π.χ. τον τροχό, τον μοχλό, επινόησε διατάξεις για να αξιοποίηση την ενέργεια του άνεμου (ιστιοφόρα, πλοία, ανεμόμυλους) ή του νερού (νερόμυλους) κ.τ.λ.

Αρχαίος νερόμυλος

  Σημαντικός σταθμός στην εξέλιξη του ανθρώπου ήταν οι ανακαλύψεις της ατμομηχανής, της μηχανής εσωτερικής καύσης και του ηλεκτρικού κινητήρα.

  Στην αρχαιότητα, οι αρχαίοι Έλληνες διέκριναν δύο είδη μηχανών: τις απλές και τις σύνθετες

  Στην αρχαιότητα, οι αρχαίοι Έλληνες απέδιδαν την σημασία της μηχανής που αναφέρεται ως ορισμός από τον Βιτρούβιο, ενώ διέκριναν δύο είδη μηχανών: τις απλές και τις σύνθετες.

Αραβικό διάγραμμα μηχανής. Άγνωστη χρονολόγηση (κατ' εκτίμηση 16ος - 19ος αιώνας)

 Στις απλές ανήκαν οι μοχλοί, η σφήνα, ο κοχλίας, το πολύσπαστο, κ.ά. Στις σύνθετες ανήκαν οι υδραυλικές μηχανές, οι βιομηχανικές (μύλοι άλεσης και σύνθλιψης), οι υψωτικές ή ανυψωτικές, οι πολεμικές και οι μηχανές θεάτρου.

Ο άνθρωπος κατασκεύαζε πέτρινα εργαλεία και όπλα, λαξεύοντας τους λίθους που βρίσκονταν δίπλα στη σπηλιά του

  Tην ανάγκη χρησιμοποίησης εργαλείων την ένοιωσε ο άνθρωπος από την παλαιολιθική εποχή. Κατασκεύαζε πέτρινα εργαλεία και όπλα, λαξεύοντας τους λίθους που βρίσκονταν δίπλα στη σπηλιά του.

Μια σύγχρονη μηχανή

 Πολλά τέτοια εργαλεία έχουν βρεθεί από τους αρχαιολόγους στους διάφορους παλαιολιθικούς οικισμούς. Πιστεύεται όμως ότι η ανακάλυψη του εργαλείου έγινε παλιότερα.

ΟΡΙΣΜΟΣ ΜΗΧΑΝΗΣ

  Γενικά Μηχανή ονομάζεται οποιοδήποτε εργαλείο ή μέσον που μπορεί να διευκολύνει την ανθρώπινη εργασία ή που μπορεί να αυξήσει τη δύναμή της. 

Γενικά Μηχανή ονομάζεται οποιοδήποτε εργαλείο ή μέσον που μπορεί να διευκολύνει την ανθρώπινη εργασία ή που μπορεί να αυξήσει τη δύναμή της

  Επίσης οποιαδήποτε συσκευή που χρησιμοποιείται για τη παραγωγή έργου, είτε μεταδίδοντας είτε μετατρέποντας άλλη μορφή ενέργειας (δύναμης) σε παραγωγή έργου.

Η μηχανή χρησιμοποιείται για τη παραγωγή έργου, είτε μεταδίδοντας είτε μετατρέποντας άλλη μορφή ενέργειας (δύναμης) σε παραγωγή έργου

  Κατά τη μηχανολογία, ως μηχανή νοείται ένα σύνολο μηχανικών μερών και μηχανισμών ικανών να μετατρέψουν μια ενέργεια  τροφοδότησης σε μία διαφορετικού ή ίδιου τύπου αλλά με διαφορετικές παραμέτρους τελική ενέργεια, προκειμένου να την χορηγήσουν σε άλλες μηχανές ή να την χρησιμοποιήσουν άμεσα για να πραγματοποιήσουν συγκεκριμένες διαδικασίες παραγωγής έργου.

ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΜΗΧΑΝΩΝ

  Ως προς την πολυπλοκότητα διακρίνονται δύο είδη μηχανών:

α) τις απλές και

β) τις σύνθετες.

Απλές μηχανές

  Στις απλές ανήκουν:

α) ο μοχλός,

β) η σφήνα,

γ) ο κοχλίας,

δ) το πολύσπαστο,

ε) το βαρούλκο κ.ά.

Σύνθετη μηχανή

  Στις σύνθετες ανήκουν:

α) οι υδραυλικές μηχανές,

β) οι βιομηχανικές (Μύλοι άλεσης και σύνθλιψης),

γ) οι ανυψωτικές,

δ) οι πολεμικές και

ε) οι μηχανές θεάτρου

    Γενικά οι μηχανές διαιρούνται σε:

α) Μηχανές κίνησης ή κινητήριες μηχανές που παράγουν μηχανικό έργο.

β) Μηχανές ενεργειακές που απορροφούν μηχανική ενέργεια, δηλαδή κινούνται από έναν κινητήρα και εκτελούν ένα έργο επιδρώντας πάνω στην ύλη, με τρόπο τέτοιο ώστε να αλλάξει η μορφή ή η θέση ή η ενέργεια (σε αυτή την κατηγορία ανήκουν οι βιομηχανικές μηχανές, οι αγροτικές κ.λ.π.) και

γ) Μηχανές μετάδοσης που μεταδίδουν έναν συγκεκριμένο τύπο ενέργειας διαφοροποιώντας μόνο τα χαρακτηριστικά της.

ΜΗΧΑΝΕΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

  Σχηματικά, μια μηχανή π.χ. ο ηλεκτρικός κινητήρας, μπορεί να αναπαρασταθεί με τον τρόπο που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Ένας ηλεκτρικός κινητήρας

   Μια μηχανή (π.χ. ηλεκτρικός κινητήρας) απορροφά μια ποσότητα ενέργειας μορφής A (ηλεκτρική) και μέσω έργου την αποδίδει υπό μορφή B (μηχανική) στον αποδέκτη (σώμα που ανυψώνεται).

Μια μηχανή απορροφά μια ποσότητα ενέργειας μορφής A και μέσω έργου την αποδίδει υπό μορφή B στον αποδέκτη

 Ταυτόχρονα λόγω τριβών στα κινούμενα εξαρτήματα του κινητήρα και αντιστάσεων παράγεται θερμότητα.

ΑΠΟΔΟΣΗ ΜΗΧΑΝΗΣ

ΑΠΟΔΟΣΗ ΜΗΧΑΝΗΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

  Σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας όταν μια μηχανή μετατρέπει μια μορφή ενέργειας σε μια άλλη η ολική ενέργεια διατηρείται.Η ΔΕΗ  συνιστά να αντικαταστήσουμε τους λαμπτήρες πυράκτωσης με λαμπτήρες φθορισμού για να πετύχουμε εξοικονόμηση ενέργειας.

Σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας όταν μια μηχανή μετατρέπει μια μορφή ενέργειας σε μια άλλη η ολική ενέργεια διατηρείται

Κατά τη μετατροπή της ενέργειας από τη μια μορφή σε άλλη, ενώ η συνολική ενέργεια διατηρείται, η χρήσιμη (ωφέλιμη) είναι πάντοτε μικρότερη της ενέργειας που προσφέρεται αρχικά.Μια μηχανή ή συσκευή μετατρέπει ενέργεια από μια μορφή σε άλλη.

Διάφορες μορφές ενέργειας

Η προσφερόμενη ενέργεια είναι πάντοτε ίση με το άθροισμα της χρήσιμης ενέργειας και της ενέργειας που διασκορπίζεται με τη μορφή θερμικής ενέργειας.

Οι μηχανές μετατρέπουν μια μορφή ενέργειας σε άλλη

  Η αρχή της διατήρησης της ενέργειας είναι λοιπόν η απλή σχέση:

κινητήριο έργο = ωφέλιμο έργο + έργο που χάνεται σε θερμότητα.

ΑΠΩΛΕΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

  Θα μελετήσουμε ένα απλό παράδειγμα για να δούμε τις μετατροπές ενέργειας που συμβαίνουν.
  Θεωρούμε ένα κινητήρα ο οποίος χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για να ανυψώσει σε ύψος h, τα κιβώτια που βρίσκονται στο έδαφος.

Θεωρούμε ένα κινητήρα ο οποίος χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για να ανυψώσει σε ύψος h, τα κιβώτια που βρίσκονται στο έδαφος

  Για να ανυψώσει ο κινητήρας ένα κιβώτιο σε ύψος h απορροφά ενέργεια.Έστω  η ενέργεια αυτή είναι W1 και έστω το σώμα αποκτά δυναμική ενέργεια W2. Η ενέργεια W2 θα είναι μικρότερη από W1 διότι υπάρχουν τριβές στα κινούμενα μέρη του κινητήρα και οι αγωγοί θερμαίνονται όταν διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα.

  Η διαφορά W1 - W2 είναι η ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας η οποία μετατρέπεται σε θερμότητα. Η ποσότητα W1 - W2 ονομάζεται  απώλεια ενέργειας. 

ΟΡΙΣΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ

  Όμως για πρακτικούς λόγους αντί για την απώλεια ενέργειας, δηλαδή το W1 - W2, χρησιμοποιούμε το πηλίκο W2/W1 το οποίο ονομάζεται απόδοση της μηχανής και εκφράζεται σε ποσοστό επί τοις εκατό.

 Ενεργειακή μετατροπή σε ένα σύστημα

  Άρα:

 Απόδοση μιας μηχανής η ονομάζεται το πηλίκο της χρήσιμης προς την προσφερόμενη ενέργεια.

 Χρησιμοποιώντας μαθηματικά σύμβολα μπορούμε να γράψουμε:

n =	Εχρήσιμη
	Επροσφερόμενη

Η απόδοση εκφράζεται ως ποσοστό % και είναι πάντοτε μικρότερη ή το πολύ ίση με 100% 

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ

   Για παράδειγμα η απόδοση ατμομηχανής είναι 10%-15%,η απόδοση κινητήρα είναι 20%-30%,η απόδοση ηλεκτροκινητήρα ή γεννήτριας είναι 80%-95%. 

   Μόνο όταν το έργο που χάνεται σε θερμότητα θα ήταν μηδέν θα μπορούσε ο συντελεστής απόδοσης να γίνει ένα, αλλά αυτό δεν γίνεται ποτέ).

Η απόδοση ηλεκτροκινητήρα είναι 80%-95%

  Μια μηχανή με απόδοση 80% αν απορροφήσει 100 Joule, θα αποδώσει 80 Joule και 20 Joule θα μετατραπούν σε άλλες μορφές ενέργειας π.χ. ήχος, θερμότητα. 
    Η έννοια της απόδοσης επεκτείνεται και σε άλλες περιπτώσεις στις οποίες μια μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε μια άλλη.
   Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι προσεγγιστικές τιμές της απόδοσης διαφόρων μηχανών, συσκευών και εξαρτημάτων

Είδος μηχανής	Μετατρέπει την ενέργεια από:	Απόδοση %
Ηλεκτρική γεννήτρια Ηλεκτρικός κινητήρας Ξηρό ηλεκτρικό στοιχείο Φούρνος υγραερίου οικιακής χρήσης Πυραυλοκινητήρας υγρού καυσίμου Τουρμπινοκινητήρας ατμού Εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Τουρμπινοκινητήρας αεροπλάνου Laser στερεής κατάστασης Μηχανή εσωτερικής καύσης π.χ. βενζινοκινητήρας Ηλιακό στοιχείο Αρσενικούχου γυαλιού Ηλιακό στοιχείο πυριτίου Λάμπα φθορισμού Λαμπτήρας πυράκτωσης Ατμομηχανή	Κινητική σε ηλεκτρική Ηλεκτρική σε κινητική Χημική σε ηλεκτρική Χημική σε θερμική στο σώμα που θερμαίνεται Χημική σε κινητική Θερμική σε κινητική Χημική σε ηλεκτρική από λιγνίτη, άνθρακα Πυρηνική σε ηλεκτρική από πυρηνική ενέργεια Χημική σε κινητική Ηλεκτρική σε φωτεινή Χημική σε κινητική Φωτεινή σε ηλεκτρική Φωτεινή σε ηλεκτρική Ηλεκτρική σε φωτεινή Ηλεκτρική σε φωτεινή Θερμική σε κινητική	70-99 50-93 90 70-85 47 35-46 30-40 30-35 36 30 20-30 >20 12-16 20 5 8

ΑΠΟΔΟΣΗ ΜΗΧΑΝΗΣ ΕΝΟΣ ΛΑΜΠΤΗΡΑ

  Για παράδειγμα θα εξετάσουμε την ενεργειακή μετατροπή σ' έναν ηλεκτρικό λαμπτήρα πυράκτωσης.

Ο λαμπτήρας φωτοβολεί, όταν το νήμα, θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία, επειδή διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα

  Ο λαμπτήρας φωτοβολεί, όταν το νήμα, θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία, επειδή διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Συνεπώς η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική και σε φωτεινή ενέργεια. Η απόδοση του λαμπτήρα θα είναι:

α =  φωτεινή ενέργεια ηλεκτρική ενέργεια·100%

 Σ' ένα λαμπτήρα πυράκτωσης μόνο το 5% της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε χρήσιμη φωτεινή ενέργεια, ενώ το υπόλοιπο 95% απλώς θερμαίνει τον αέρα του δωματίου.

Λαμπτήρας είναι μια διάταξη που μετατρέπει σε φως μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας που της προσφέρεται

 Αυτό σημαίνει ότι το 95% της προσφερόμενης ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα!

ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

  Γνωρίζουμε ότι σε κάθε μετατροπή ενέργειας υπάρχουν απώλειες.Με λίγα λόγια  σε οποιαδήποτε μηχανή το ωφέλιμο ποσό ενέργειας που θα πάρουμε θα είναι μικρότερο από αυτό που θα δαπανήσουμε. Η διαφορά μεταξύ των δύο αυτών ποσών ενέργειας θα μετατραπεί σε άλλες μορφές, π.χ. θερμική.

Δεν υπάρχουν μηχανές που θα μετατρέπουν εξολοκλήρου την ποσότητα της ενέργειας με την οποία τις τροφοδοτούμε, στη μορφή ενέργειας που εμείς επιθυμούμε

  Δεν μπορούμε να κατασκευάσουμε μηχανές με απόδοση 100%.Δεν υπάρχουν μηχανές που θα μετατρέπουν εξολοκλήρου την ποσότητα της ενέργειας με την οποία τις τροφοδοτούμε, στη μορφή ενέργειας που εμείς επιθυμούμε.Θεωρητικά  είναι δυνατό να κατασκευαστούν μηχανές με απόδοση περίπου 99%.

  Σύμφωνα όμως με τους επιστήμονες είναι αδύνατον να κατασκευάσουμε μηχανές με απόδοση 100%.

ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

   Οι απώλειες της ενέργειας σε μια μηχανή είναι το ποσό της αρχικής ενέργειας που μετατρέπεται σε θερμότητα. Όμως η θερμότητα που παράγεται από τη χρήση των μηχανών δεν μπορεί να αξιοποιηθεί.

Με τις δραστηριότητές μας η ενέργεια μετατρέπεται διαρκώς σε μορφές που δεν μπορούμε να αξιοποιήσουμε

  Με τις δραστηριότητές μας η ενέργεια μετατρέπεται διαρκώς σε μορφές που δεν μπορούμε να αξιοποιήσουμε. Όπως λέμε διαφορετικά, η ενέργεια υποβαθμίζεται.Άρα:

Υποβάθμιση της ενέργειας ονομάζεται το γεγονός ότι η θερμότητα που παράγεται από τη χρήση των μηχανών δεν μπορεί να αξιοποιηθεί

  Υποβάθμιση της ενέργειας ονομάζεται το γεγονός ότι η θερμότητα που παράγεται από τη χρήση των μηχανών δεν μπορεί να αξιοποιηθεί.

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΤΗΣ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

   Έτσι μπορούμε να λέμε ότι πληρώνουμε το λογαριασμό της ΔΕΗ όχι επειδή "χαλάμε" ή "καίμε" ή "καταστρέφουμε" την ηλεκτρική ενέργεια, αλλά επειδή την υποβαθμίζουμε σε θερμότητα η οποία δεν μπορεί να αξιοποιηθεί.

Πρώτη μέτρηση.

Μέτρηση μετά από μία εβδομάδα

  Προκειμένου να ικανοποιηθούν οι ανάγκες του ανθρώπου σε ενέργεια χρησιμοποιείται ενέργεια από διάφορες πηγές.

Προκειμένου να ικανοποιηθούν οι ανάγκες του ανθρώπου σε ενέργεια χρησιμοποιείται ενέργεια από διάφορες πηγές

  Η ενέργεια από το πετρέλαιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί εύκολα. Όταν όμως χρησιμοποιούμε το πετρέλαιο για την κίνηση του φορτηγού, η ενέργεια υποβαθμίζεται.Μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια στη μηχανή του αυτοκινήτου ή στα ελαστικά, καθώς αυτά τρίβονται στο οδόστρωμα. Την ενέργεια αυτή δεν μπορούμε να τη χρησιμοποιήσουμε εύκολα.

1. ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ (40%) 2. ΑΛΛΗ (2%) 3. ΥΔΑΤΟΠΤΩΣΕΙΣ (4%) 4. ΠΥΡΗΝΙΚΗ (8%) 5. ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ (23%) 6. ΑΝΘΡΑΚΑΣ (23%) Α. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΧΩΡΙΣ ΚΑΥΣΗ Β.  ΚΑΥΣΗ ΓΙΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗ Γ. ΚΑΥΣΗ ΓΙΑ ΜΗΧΑΝΕΣ & ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

1. ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ (40%)

2. ΑΛΛΗ (2%)

3. ΥΔΑΤΟΠΤΩΣΕΙΣ (4%)

4. ΠΥΡΗΝΙΚΗ (8%)

5. ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ (23%)

6. ΑΝΘΡΑΚΑΣ (23%)

Α.

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΧΩΡΙΣ
ΚΑΥΣΗ

Β. 

ΚΑΥΣΗ ΓΙΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗ

Γ.

ΚΑΥΣΗ ΓΙΑ ΜΗΧΑΝΕΣ & ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

  
   Στην παραπάνω εικόνα φαίνονται οι διάφορες πηγές ενέργειας και οι ανάγκες που ικανοποιούνται μ' αυτές.

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

  Φαινόμενα όπως τήξη, βρασμός, διαστολή περιγράφονται με τις έννοιες της θερμότητας και της θερμοκρασίας.Η ύλη αποτελείται από άτομα και μόρια που έχουν δύο βασικά χαρακτηριστικά:

α) κινούνται και

β) αλληλεπιδρούν.

  Άρα τα μόρια θα έχουν κινητική και δυναμική ενέργεια. Εφ’ όσον πρόκειται όμως για αραιά αέρια η δυναμική τους ενέργεια μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα. Στην περίπτωση αυτή ορίζουμε την εσωτερική ενέργεια U με τη σχέση: U = NK,όπου K η μέση κινητική ενέργεια των μορίων.

  Η ιδιότητα των αερίων να ασκούν δυνάμεις στα τοιχώ­ματα των δοχείων που τα περιέχουν περιγράφεται με τη χρήση του φυσικού μεγέθους της πίεσης. Η πίεση είναι το μονόμετρο μέγεθος που ορίζεται από το πηλίκο της κάθε­της δύναμης F, προς την επιφάνεια S, στην οποία αυτή ασκείται δηλαδή P = F/S με μονάδα μέτρησης στο διεθνές σύστημα 1N/m² = 1 Pascal.Αν αυξήσουμε τη θερμοκρασία ενός αερίου αυξάνεται η πίεσή του. Η αύξηση αυτή οφείλεται στην αύξηση της ταχύτητας του κάθε μορίου του.

  Αν Q ονομάσουμε το ποσό της θερμότητας που απορρο­φάται από ένα αέριο, ΔU η αύξηση της εσωτερικής του ενέργειας και W το έργο, τότε ισχύει η σχέση Q = ΔU + W που περιγράφει την αρχή διατήρησης της ενέργειας.

  Μια μηχανή που χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια απορ­ροφά ενέργεια W1 ενώ το έργο που παρέχει ένα W2.

  Το πηλίκο W2/W1 ονομάζεται απόδοση της μηχανής.Δηλαδή:

Απόδοση: =    ενέργεια που αποδίδεται ενέργεια που απορροφάται·100 %

  Ο ρυθμός με τον οποίο μια μορφή ενέργειας μετατρέπε­ται σε κάποια άλλη, ονομάζεται ισχύς και συμβολίζεται με το Ρ.

 Έτσι αν μια ποσότητα ενέργειας W μετατρέπεται σε άλλη στη χρονική διάρκεια t, η ισχύς είναι P = W/t με μονάδα μέτρησης στο S.I. το 1 Watt = Joule/sec