ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ,ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ,ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ,ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ  ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Από την έννοια της θερμότητας που μεταφέρεται μπορούμε να περιγράψουμε μια σειρά από μεταβολές που συμβαίνουν όταν δύο σώματα διαφορετικής θερμοκρασίας έρθουν σε θερμική επαφή.Τώρα θα πρέπει να ερμηνεύσουμε αυτά τα θερμικά φαινόμενα.Για την ερμηνεία των θερμικών φαινομένων είναι αναγκαία η μελέτη της δομής της ύλης.

H ύλη είναι γενικός όρος που αναφέρεται στο συστατικό από το οποίο αποτελούνται όλα τα φυσικά αντικείμενα

 H ύλη είναι γενικός όρος που αναφέρεται στο συστατικό από το οποίο αποτελούνται όλα τα φυσικά αντικείμενα.Όλες οι ουσίες τα τα αντικείμενα που αποτελούνται από ύλη λέγονται υλικά.
 Από ύλη αποτελούνται τα μακροσκοπικά φυσικά σώματα του περιβάλλοντος μας,όπως ένα τραπέζι,μία πέτρα,το νερό, ουράνια σώματα όπως πλανήτες, αστέρες και γαλαξίες, αλλά και φυσικά αντικείμενα που δεν γίνονται άμεσα αντιληπτά από τον παρατηρητή με τις αισθήσεις του,όπως τα σωματίδια σε ατομική ή και μικρότερη κλίμακα όπως τα μόρια ενός αερίου,ηλεκτρόνια κλπ.

Η ύλη σε μικροσκοπικό μοριακό επίπεδο απαρτίζεται από άτομα,μόρια και ιόντα

 Η ύλη σε μικροσκοπικό μοριακό επίπεδο απαρτίζεται από άτομα,μόρια και ιόντα,αυτά είναι τα δομικά συστατικά της.Οι διαμοριακές δυνάμεις ελκτικές και απωστικές που αναπτύσσονται μεταξύ τους,ώστε να σχηματιστούν διακριτά σώματα,καθορίζουν εκτός των άλλων,το σχήμα,το μέγεθός τους,όπως επίσης και την ευκολία και τον τρόπο με τον οποίο αυτά μεταβάλλονται.

ΟΙ ΔΟΜΙΚΟΙ ΛΙΘΟΙ,ΤΑ ΤΟΥΒΛΑΚΙΑ ΤΗΣ ΥΛΗΣ

 Ανοίγουμε ένα μπουκαλάκι με άρωμα.Παρατηρούμε ότι η μυρωδιά του κατακλύζει όλο το γύρω χώρο.Γνωρίζουμε ότι κάθε αέριο αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια τα οποία κινούνται συνεχώς και ελεύθερα προς κάθε κατεύθυνση κατακλύζοντας το χώρο που τους διατίθεται.Αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια τα ονομάζουμε δομικούς λίθους του αερίου και στη χημεία λέγονται μόρια.

Ανοίγουμε ένα μπουκαλάκι με άρωμα.Παρατηρούμε ότι η μυρωδιά του κατακλύζει όλο το γύρω χώρο

 Δομικοί λίθοι ενός σώματος ονομάζονται τα μικροσκοπικά σωματίδια από τα οποία φτιάχνεται το σώμα.Μπορούμε να τους παρομοιάσουμε με τα τουβλάκια ενός παιχνιδιού,με τα οποία μπορούμε να φτιάξουμε ολόκληρο παιχνίδι.

Δομικοί λίθοι ενός σώματος ονομάζονται τα μικροσκοπικά σωματίδια από τα οποία φτιάχνεται το σώμα

 Στα περισσότερα σώματα οι δομικοί λίθοι είναι τα μόρια,σε μερικά όμως μπορεί να είναι τα άτομα ή και τα ιόντα.Οι μακροσκοπικές ιδιότητες των στερεών και των υγρών μπορούν επίσης να ερμηνευτούν με βάση τον τρόπο κίνησης των δομικών τους λίθων.

Τους δομικούς λίθους μπορούμε να τους παρομοιάσουμε με τα τουβλάκια ενός παιχνιδιού,με τα οποία μπορούμε να φτιάξουμε ολόκληρο  παιχνίδι

 Ένα σώµα είναι ένα σύστηµα από δοµικούς λίθους που αλληλεπιδρούν.Οι δομικοί λίθοι ενός σώματος βρίσκονται σε άτακτη κίνηση και δεν έχουν όλα την ίδια κινητική ενέργεια.

ΣΤΕΡΕΑ 

 Στα  στερεά οι διαμοριακές δυνάμεις είναι ισχυρές.Οι δομικοί λίθοι τους ταλαντώνονται γύρω από συγκεκριμένες θέσεις,χωρίς να μπορούν να αλλάξουν θέση.

Στα στερεά οι δομικοί λίθοι τους ταλαντώνονται γύρω από συγκεκριμένες θέσεις,χωρίς να μπορούν να αλλάξουν θέση

 Έτσι,τα στερεά έχουν συγκεκριμένο σχήμα και όγκο που δύσκολα μεταβάλλονται. 

Τα στερεά έχουν συγκεκριμένο σχήμα και όγκο που δύσκολα μεταβάλλονται

 Οι δομικοί τους λίθοι είναι τοποθετημένοι σε καθορισμένες θέσεις γύρω από τις οποίες κινούνται άτακτα.Τα  µόρια των στερεών αλληλεπιδρούν συνεχώς.Άρα,εκτός από κινητική ενέργεια έχουν και δυναµική ενέργεια.

ΥΓΡΑ

 Στα υγρά οι διαμοριακές δυνάμεις είναι σημαντικές.Τα µόρια των υγρών είναι αρκετά κοντά µεταξύ τους.Ταλαντώνονται,αλλά οι δυνάµεις αλληλεπίδρασης δεν µπορούν να τα κρατήσουν σε σταθερές θέσεις.Τα δομικά συστατικά μπορούν να αλλάξουν θέση αλλά δε μπορούν να αλλάξουν τη μεταξύ τους απόσταση. Έτσι,τα υγρά δεν έχουν συγκεκριμένο σχήμα, παίρνουν κάθε φορά το σχήμα του δοχείου τους,αλλά έχουν συγκεκριμένο όγκο.Επίσης ρέουν. 

Τα υγρά δεν έχουν συγκεκριμένο σχήμα, παίρνουν κάθε φορά το σχήμα του δοχείου τους, αλλά έχουν συγκεκριμένο όγκο

 Φανταζόμαστε ότι στα υγρά οι δομικοί λίθοι επίσης κινούνται άτακτα «γλιστρώντας» ο ένας επάνω στον άλλο,αλλά διατηρώντας σταθερές αποστάσεις.Τα  µόρια των  των υγρών αλληλεπιδρούν συνεχώς.Άρα όπως και τα στερεά,εκτός από κινητική ενέργεια έχουν και δυναµική ενέργεια. 

ΑΕΡΙΑ

 Στα αέρια οι διαμοριακές δυνάμεις είναι αμελητέες.Τα δομικά συστατικά είναι ελεύθερα.

Τα αέρια δεν έχουν συγκεκριμένο σχήμα και όγκο

 Έτσι,τα αέρια δεν έχουν συγκεκριμένο σχήμα και όγκο.Καταλαμβάνουν όλην την έκταση του δοχείου τους.

Τα µόρια των αερίων κινούνται ευθύγραµµα,µε µεγάλες ταχύτητες.Αλληλεπιδρούν  µόνο τη στιγµή που συγκρούονται είτε µεταξύ τους,είτε  µε τα µόρια άλλων σωµάτων,όπως των τοιχωµάτων του δοχείου

 Τα µόρια των αερίων κινούνται ευθύγραµµα,µε µεγάλες ταχύτητες.Αλληλεπιδρούν  µόνο τη στιγµή που συγκρούονται είτε µεταξύ τους,είτε  µε τα µόρια άλλων σωµάτων,όπως των τοιχωµάτων του δοχείου.Άρα,τα µόρια των αερίων έχουν µόνο κινητική ενέργεια

ΔΟΜΙΚΟΙ ΛΙΘΟΙ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

 Η άτακτη κίνηση των δομικών λίθων συνδέεται στενά με τη θερμοκρασία του σώματος.Θερμαίνουμε ένα δοχείο που κλείνει αεροστεγώς με έμβολο.Παρατηρούμε ότι το έμβολο κινείται προς τα έξω.Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του αέρα που βρίσκεται εγκλωβισμένος μέσα στο δοχείο,τόσο εντονότερη γίνεται η άτακτη κίνηση των δομικών του λίθων.

Ο Λούντβιχ Μπόλτσμαν (20 Φεβρουαρίου 1844–5 Σεπτεμβρίου 1906) ήταν Αυστριακός θεωρητικός φυσικός και φιλόσοφος.Ο Μπόλτσμαν υπήρξε από τους θεμελιωτές της Στατιστικής Φυσικής και Θερμοδυναμικής.Συνέδεσε την άτακτη κίνηση των δομικών λίθων με τη θερμοκρασία και ερμήνευσε τις ιδιότητες των αερίων

 Άρα βλέπουμε ότι οι δομικοί λίθοι κινούνται με μεγαλύτερη ταχύτητα.Οι συγκρούσεις των δομικών λίθων με το έμβολο γίνονται σφοδρότερες,με αποτέλεσμα αυτό να ωθείται προς τα έξω.
 Συνεπώς:

 Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος,τόσο μεγαλύτερη κινητική ενέργεια έχουν οι δομικοί του λίθοι λόγω της άτακτης κίνησής τους.

 Από τα πειράματα παρατηρούμε ότι τα  µόρια του θερµότερου αέρα,έχουν κατά µέσο όρο  µεγαλύτερες κινητικές ενέργειες από τα  µόρια του ψυχρότερου αέρα.Η θερµοκρασία ενός σώµατος αποτελεί  µέτρο της µέσης κινητικής ενέργειας των µορίων του.

Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος,τόσο μεγαλύτερη κινητική ενέργεια έχουν οι δομικοί του λίθοι λόγω της άτακτης κίνησής τους

 Θερμοκρασία ενός σώματος ονομάζεται το φυσικό μέγεθος που χαρακτηρίζει τη μέση ενέργεια των μορίων του εξαιτίας της θερμικής κινήσεως.
 Για παράδειγµα,όσο υψηλότερη είναι η θερµοκρασία  µιας ποσότητας νερού,τόσο ταχύτερα κατά  µέσο όρο κινούνται τα µόριά του.
 Εσωτερική ενέργεια του σώµατος ονομάζεται το άθροισµα των ενεργειών όλων των  µορίων ενός σώµατος.

Θερμοκρασία ενός σώματος ονομάζεται το φυσικό μέγεθος που χαρακτηρίζει τη μέση ενέργεια των μορίων του εξαιτίας της θερμικής κινήσεως

 Θερµική ενέργεια ονομάζεται το  µέρος της εσωτερικής ενέργειας που οφείλεται στην άτακτη κίνηση των µορίων.
 Η θερμική ενέργεια χαρακτηρίζει το σύνολο της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων που συγκροτούν τα υλικά σώματα, καθώς αυτά κινούνται στο εσωτερικό τους με συνέπεια ν΄ αναπτύσσουν θερμοκρασία.Πρόκειται για εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος που βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας.
 Η εσωτερική ενέργεια των αερίων είναι  θερµική ενέργεια.Αυτό γιατί τα µόρια των αερίων δεν έχουν δυναµική ενέργεια.Η θερµική ενέργεια ενός σώµατος εξαρτάται από τη θερµοκρασία του και από τον αριθµό των µορίων του,δηλαδή από τη µάζα του σώματος.

Η θερμική ενέργεια είναι η μορφή ενέργειας που παράγεται από την τυχαία κίνηση των ατόμων και μορίων των ουσιών.Όσο πιο έντονη είναι η κίνηση αυτών,τόσο πιο θερμό γίνεται το σώμα

 Η θερμική ενέργεια είναι η μορφή ενέργειας που παράγεται από την τυχαία κίνηση των ατόμων και μορίων των ουσιών.Όσο πιο έντονη είναι η κίνηση αυτών,τόσο πιο θερμό γίνεται το σώμα.Η κίνηση αυτή για να μεταβληθεί απαιτεί την είσοδο εξωτερικής ενέργειας,η οποία μπορεί να έχει διάφορες μορφές,όπως μεγάλου μήκους κύματος ηλιακή ενέργεια.Εν προκειμένω με τον όρο θερμότητα εννοούμε ειδικά την ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα υψηλής θερμοκρασίας σε άλλο με χαμηλότερη θερμοκρασία,και ποτέ αντίστροφα,με αποτέλεσμα να αυξάνεται η κινητική ενέργεια των σωματιδίων του δεύτερου.

Το θερμό σώμα έχει περισσότερη θερμική ενέργεια η οποία και διαδίδεται με διάφορους τρόπους όπως είναι η θερμική ακτινοβολία

 Συνεπώς θερμική ενέργεια διαθέτουν όλα τα σώματα είτε αυτά είναι ζεστά είτε είναι κρύα.Απλά το θερμό σώμα έχει περισσότερη θερμική ενέργεια η οποία και διαδίδεται με διάφορους τρόπους όπως είναι η θερμική ακτινοβολία.

ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ

 Τώρα θα εξετάσουμε γιατί μεταβάλλονται οι θερμοκρασίες δύο σωμάτων όταν έλθουν σε θερμική επαφή.Επίσης θα εξηγήσουμε γιατί η θερμότητα μεταφέρεται από το σώμα υψηλότερης στο σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας.
 Ξανακάνουμε το παράδειγμα του μεταλλικού κυλίνδρου ο οποίος τοποθετείται σε δοχείο με καυτό νερό.Παρατηρούμε ότι ύστερα από ορισμένο χρονικό διάστημα οι θερμοκρασίες των δυο σωμάτων γίνονται ίσες.

Οι δομικοί λίθοι του κυλίνδρου συγκρούονται με τους δομικούς λίθους του νερού και κινητική ενέργεια μεταφέρεται από τους δεύτερους στους πρώτους.

 Αρχικά επειδή η θερμοκρασία του νερού είναι υψηλότερη από του μετάλλου,οι δομικοί λίθοι του νερού έχουν μεγαλύτερη κινητική ενέργεια από τους δομικούς λίθους του μετάλλου.Όταν ο κύλινδρος βυθιστεί στο νερό,δομικοί λίθοι του νερού συγκρούονται (αλληλεπιδρούν) με τους δομικούς λίθους του κυλίνδρου και κινητική ενέργεια μεταφέρεται από τους πρώτους στους δεύτερους.Έτσι,η θερμοκρασία του νερού ελαττώνεται και του μετάλλου αυξάνεται.
 Η μεταφορά ενέργειας μεταξύ των δομικών λίθων μέσω συγκρούσεων αντιστοιχεί στη μεταφορά θερμότητας μεταξύ των σωμάτων.

Όταν έρχονται σε επαφή δύο σώµατα διαφορετικών θερµοκρασιών,τα  µόριά τους αλληλεπιδρούνµε τυχαίο τρόπο και έτσι  µεταφέρεται ενέργεια από τα µόρια µεγαλύτερης κινητικής ενέργειας στα µόρια µικρότερης κινητικής ενέργειας

 Μετά από λίγο χρόνο,η θερμοκρασία του μεταλλικού κυλίνδρου γίνεται ίση με του νερού και παραμένει σταθερή.Δηλαδή,το μέταλλο βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το νερό.Τότε,οι δομικοί λίθοι του μετάλλου έχουν την ίδια κινητική ενέργεια με τους δομικούς λίθους του νερού και η μεταφορά θερμότητας από το νερό στο μέταλλο σταματά.
 Όταν έρχονται σε επαφή δύο σώµατα διαφορετικών θερµοκρασιών,τα  µόριά τους αλληλεπιδρούνµε τυχαίο τρόπο και έτσι µεταφέρεται ενέργεια από τα µόρια µεγαλύτερης κινητικής ενέργειας στα µόρια µικρότερης κινητικής ενέργειας.Αυτό συμβαίνει όταν συγκρούονται µπάλες του µπιλιάρδου µε διαφορετικές ταχύτητες.