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.

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ:ΜΙΑ ΜΟΡΦΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ:ΜΙΑ ΜΟΡΦΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ:ΜΙΑ ΜΟΡΦΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Τοποθετούμε ένα δοχείο με νερό πάνω σε μια θερμαντική εστία.Παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται.Πάνω στην ίδια εστία τοποθετούμε ένα δοχείο που περιέχει αέρα και την μια βάση του τη κλείνουμε με έμβολο.Τότε παρατηρούμε ότι το έμβολο κινείται.Κατά τη θέρμανση του δοχείου με το νερό λέμε ότι ενέργεια μεταφέρεται από τη φλόγα στο νερό και η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται.Κατά τη θέρμανση του δοχείου με τον αέρα,ενέργεια μεταφέρεται από τη φλόγα στον αέρα,το έμβολο κινείται και επομένως αποκτά κινητική ενέργεια.

Α) Η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται όταν το θερμάνουμε
          Β) Το έμβολο μετακινείται όταν θερμαίνουμε τον αέρα του δοχείου

 Τώρα θα εκτελέσουμε ένα άλλο πείραμα.Σε δύο μεταλλικά δοχεία Α και Β βάζουμε νερό διαφορετικής θερμοκρασίας,ψυχρό στο Α και θερμό στο Β.

 Σκεπάζουμε τα δοχεία με φελιζόλ (θερμομονωτικό υλικό) και τα φέρνουμε σε επαφή.Ύστερα από λίγο χρόνο διαπιστώνουμε με ένα θερμόμετρο ότι το νερό έχει την ίδια θερμοκρασία και στα δύο δοχεία.

Σε δύο μεταλλικά δοχεία Α και Β βάζουμε νερό διαφορετικής θερμοκρασίας,ψυχρό στο Α και θερμό στο Β

 Από αυτό συμπεραίνουμε,σύμφωνα με την κινητική θεωρία της θερμότητας,ότι η ενέργεια των μορίων του νερού,εξαιτίας της θερμικής κινήσεως,αυξήθηκε στο δοχείο Β.Η μεταβολή αυτή των ενεργειών έγινε δια μεταφοράς ενός ποσού ενέργειας από το θερμότερο δοχείο Β στο ψυχρότερο δοχείο Α.
 Την ενέργεια αυτή που μεταφέρθηκε την ονομάζουμε θερμότητα.

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

 Επομένως:
 Θερμότητα ονομάζεται η ενέργεια που μεταφέρεται από σώμα σε ένα άλλο,εξαιτίας της διαφορετικής θερμοκρασίας τους.

 Γενικότερα με τον όρο θερμότητα μπορούμε να ορίσουμε τη μεταφορά ενέργειας από ένα σύστημα προς το περιβάλλον του,σαν συνέπεια μόνο της διαφοράς θερμοκρασίας.

Θερμότητα ονομάζεται η ενέργεια που μεταφέρεται από σώμα σε ένα άλλο,εξαιτίας της διαφορετικής θερμοκρασίας τους

 Η θερμότητα μεταφέρεται από το σώμα μεγαλύτερης προς το σώμα μικρότερης θερμοκρασίας.Με την έννοια της θερμότητας μπορούμε να περιγράψουμε μεταβολές που συμβαίνουν όταν δύο σώματα διαφορετικής θερμοκρασίας έρθουν σε επαφή μεταξύ τους.Στο προηγούμενο παράδειγμά  μεταφέρεται θερμότητα από τη φλόγα,που έχει υψηλότερη θερμοκρασία,προς το νερό ή τον αέρα, που έχουν χαμηλότερη θερμοκρασία.Στην καθημερινή χρήση της έννοιας της θερμότητας θεωρούμε ότι στα υλικά σώματα αποθηκεύεται θερμότητα.Η άποψη αυτή βρίσκεται σε αντίθεση με την επιστημονική:Η ύλη έχει ενέργεια σε διαφορετικές μορφές,αλλά δεν έχει θερμότητα.Η θερμότητα είναι ενέργεια που μεταφέρεται λόγω διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ δυο σωμάτων.Μόλις όμως μεταφερθεί,παύει να ονομάζεται θερμότητα.Πολλές θερμικές μεταβολές,όπως η μεταβολή της θερμοκρασίας,η θερμική διαστολή,η τήξη,ο βρασμός κτλ. οφείλονται στη μεταφορά θερμότητας.Όμως υπάρχουν αντίστοιχες μεταβολές οι οποίες δεν οφείλονται σε μεταφορά θερμότητας.

Η θερμότητα μεταφέρεται από το σώμα μεγαλύτερης προς το σώμα μικρότερης θερμοκρασίας

 Όταν φέρουμε σε επαφή δύο σώματα που έχουν την ίδια θερμοκρασία,τότε,όπως προκύπτει από τον ορισμό της θερμότητας, δε μεταφέρεται θερμότητα από το ένα σώμα στο άλλο.Στην περίπτωση αυτή λέμε ότι τα σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία.

Ο ζωϊκός κόσμος διατηρείται στη ζωή γιατί το σώμα τους απελευθερώνει θερμότητα,προσφέροντας έτσι στους οργανισμούς τους την απαραίτητη ενέργεια

 Οι άνθρωποι και ο ζωϊκός κόσμος γενικά διατηρούνται στη ζωή γιατί το σώμα τους απελευθερώνει θερμότητα,προσφέροντας έτσι στους οργανισμούς τους την απαραίτητη ενέργεια.Η θερμότητα αξιοποιείται από τις απλές οικιακές συσκευές μέχρι και τους τεχνητούς δορυφόρους.

ΜΟΝΑΔΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

  Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας.Έτσι,η μονάδα μέτρησής της στο Διεθνές σύστημα μονάδων (SI) είναι το 1 joule:

                                                                                   1 J

 Στην καθημερινή μας ζωή χρησιμοποιείται ως μονάδα ενέργειας για τη θερμότητα η μία θερμίδα:

                                                                                   1 cal 

και η χιλιοθερμίδα (1 kcal) που ήταν η μονάδα που χρησιμοποιήθηκε αρχικά για τη θερμότητα. 

 Μια χιλιοθερμίδα ονομάζεται το ποσό θερμότητας που πρέπει να δώσουμε σε ένα λίτρο νερού που βρίσκεται σε ατμοσφαιρική πίεση για να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά ένα βαθμό.

Η Βρετανική μονάδα θερμότητας (Btu) 

 Οι μονάδες θερμότητας έχουν μεταξύ τους τις ακόλουθες σχέσεις: 

                                                                                   1 cal=4,2 J

                                                                                   1 kcal=1000 cal=4200 J

  Στο Τεχνικό Σύστημα η μονάδα θερμότητας είναι η Βρετανική μονάδα θερμότητας (Btu) που ορίζεται σαν η θερμότητα η αναγκαία για να αυξηθεί η θερμοκρασία μίας λίβρας νερού από τους 63 στους 64 βαθμούς Φαρενάιτ.

ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ

 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.

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

 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.

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

 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.
 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.

Ρίχνουμε ένα  καυτό μεταλλικό κύλινδρο σε κρύο νερό 

 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.

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

 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 σώµατόςµας,σταματάει η µεταφορά θερµότητας.Tότε,το ύψος της στήλης δείχνει την τελική θερµοκρασία του υδραργύρου,άρα και του σώµατός µας.

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 του σώµατός µας

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

 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).

Η θέρμανση δυο σωμάτων

 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.

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)

 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.

Η ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ Ο ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΣ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΣ

Η ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ Ο ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΣ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΣ

Η ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ Ο ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΣ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΣ

 Ο πρωτόγονος άνθρωπο πίστευε ότι ο ήλιος και η φωτιά που άναβε τυχαία από τους κεραυνούς ήταν η μοναδική πηγή θερμότητας.Παρατηρούσε τις κλιματικές μεταβολές στην ατμόσφαιρα και προσπαθούσε να προφυλαχτεί από το κρύο και τη ζέστη.

Ο πρωτόγονος άνθρωπο ανάβει φωτιά τρίβοντας δυο ξύλα μεταξύ τους 

 Σταθμός του πολιτισμού του ανθρώπου ήταν όταν έμαθε να ανάβει φωτιά κτυπώντας δυο πέτρες ή τρίβοντας δυο ξύλα μεταξύ τους .

Πιθανότατα πριν από 500.000 χρόνια ο άνθρωπος έμαθε να χειρίζεται τη φωτιά

  Πιθανότατα πριν από 500.000 χρόνια ο άνθρωπος έμαθε να χειρίζεται τη φωτιά,ενώ τη λίθινη εποχή,περίπου 30.000 χρόνια πριν,ζωγραφιές σε σπήλαια αποδεικνύουν ότι ο άνθρωπος χρησιμοποιούσε τη φωτιά για μαγείρεμα αλλά και να θερμαίνει ή να φωτίζει τις σπηλιές όπου και κατοικούσε.

Ο άνθρωπος χρησιμοποιούσε τη φωτιά για μεγείρεμα αλλά και να θερμαίνει ή να φωτίζει τις σπηλιές όπου και κατοικούσε

 Κατά την μυθολογία βλέποντας την κατάντια του ανθρώπινου γένους και την αδυναμία του απέναντι στη φύση,ο Προμηθέας αποφασίζει να του χαρίσει τη φωτιά. 

Ο Προμηθέας κλέβει τη φωτιά από τους θεούς για να την δώσει στους ανθρώπους

 Έτσι,επισκεπτόμενος το εργαστήρι του Ήφαιστου,τοποθετεί τη φωτιά σε ένα κούφιο καλάμι και τη δίνει κρυφά στους ανθρώπους.Ως τόπος παράδοσης της φωτιάς αναφέρεται η πόλη Σικυώνα της Πελοποννήσου.

Ο Προμηθέας παραδίδει την φωτιά στους ανθρώπους στη πόλη  Σικυώνα της Πελοποννήσου

 Ο Προμηθέας έμαθε τους ανθρώπους να χειρίζονται τη φωτιά,να δημιουργούν εργαλεία και τους έμαθε τις Επιστήμες (που έκλεψε από την Αθηνά) και τα Γράμματα.Για να γλυτώσει την ανθρωπότητα από το μένος των θεών,την έμαθε να τους λατρεύει και να τους κάνει θυσία.

Οι αρχαίοι Έλληνες θεωρούσαν τη φωτιά ως ένα από τα τέσσερα βασικά στοιχεία μαζί με τη γη,το νερό και τον αέρα

 Οι αρχαίοι Έλληνες θεωρούσαν τη φωτιά ως ένα από τα τέσσερα βασικά στοιχεία μαζί με τη γη,το νερό και τον αέρα.Πίστευαν ότι κάθε σώμα αποτελείται από συνδυασμούς αυτών των τεσσάρων στοιχείων.

O Ηράκλειτος

 Ο πρώτος που διατύπωσε μια θεωρία για τη θερμότητα ήταν ο Έλληνας φιλόσοφος Ηράκλειτος,που έζησε γύρω στο 500 π.Χ. στην πόλη της Εφέσου στην Ιωνία της Μικράς Ασίας.Στον Ηράκλειτο απονέμεται ένα έργο με τίτλο Περί Φύσεως,το οποίο χωρίζεται σε τρία μέρη με περιεχόμενο πολιτικό,θεολογικό και κοσμογονικό.Ο Ηράκλειτος υποστήριξε ότι τα τρία βασικά συστατικά της φύσης ήταν η φωτιά,η γη και το νερό.Ο κόσμος για τον Ηράκλειτο δεν είναι αποτέλεσμα δημιουργίας ή γένεσης, αλλά προϋπάρχει προαιώνια και περιγράφεται ως ζωντανή φωτιά,η οποία εναλλάξ δυναμώνει και εξασθενεί, χωρίς ποτέ να σβήνει εντελώς. 

Η φωτιά ονομάζεται το φαινόμενο της ανάφλεξης ενός υλικού που αναγνωρίζεται από την σημαντική έκκληση θερμότητας και της παρουσίας φλόγας

 Το πυρ του Ηράκλειτου είναι μια κοσμολογική σταθερά που κινείται και μεταμορφώνεται αέναα. Η παροιμιώδης φράση που χαρακτηρίζει τη φιλοσοφία του Ηρακλείτου:

Τα πάντα ρει,μηδέποτε κατά τ'αυτό μένειν 

 Επίσης υποστήριζε ότι η πρωταρχική ουσία στον κόσμο είναι η ενέργεια (το πυρ).Σήμερα,μετά την πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας του Άλμπερτ Αϊνστάιν γνωρίζουμε βέβαια ότι αυτό είναι αλήθεια και ότι η ύλη και η ενέργεια είναι το ίδιο πράγμα σε διαφορετική κατάσταση.

Ο Ιπποκράτης, ο πατέρας της ιατρικής  

 Το 460 π.Χ. ο Ιπποκράτης,ο πατέρας της ιατρικής,θεωρούσε  ότι τα πάντα προέρχονται από τα 4 στοιχεία,σε καθένα από τα οποία ανταποκρίνεται η ιδιότητα του ψυχρού,του ξηρού, του θερμού,του υγρού.Στα στερεά συστατικά του σώματος υπερισχύει το γαιώδες και στα υγρά το υδατώδες.Συνεκτική ουσία των πάντων είναι το πνεύμα, έμφυτο και θερμό στον άνθρωπο,που εδρεύει στην καρδιά.

Ο Σκοτσέζος χημικός Joseph Black ανακάλυψε ότι ο πάγος απορροφά θερμότητα χωρίς να αλλάζει τη θερμοκρασία κατά την τήξη

 Το 1761,ο Σκοτσέζος χημικός Joseph Black ανακάλυψε ότι ο πάγος απορροφά θερμότητα χωρίς να αλλάζει τη θερμοκρασία κατά την τήξη.Από αυτό κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η θερμότητα πρέπει να συνδυάζεται με τα σωματίδια πάγου και να γίνει λανθάνουσα.Μεταξύ 1759 και 1763,διατύπωσε μια θεωρία της λανθάνουσας θερμότητας για τα οποία η επιστημονική φήμη του στηρίζεται κατά κύριο λόγο,και έδειξε επίσης ότι οι διάφορες ουσίες που έχουν διαφορετικές ειδικές θερμότητες.

Η πρώτη ατμομηχανή που κατασκευάστηκε από τον Τόμας Νιούκομεν για την άντληση νερού   

 Η πρώτη ατμομηχανή που κατασκευάστηκε από τον Τόμας Νιούκομεν και το βοηθό του Τζον Κάλυ το 1712 στη Αγγλία.Χρησιμοποιήθηκε για την άντληση νερού.Η μηχανή αυτή τροποποιήθηκε και βελτιώθηκε αργότερα από τον Βαττ και αποτέλεσε τον πρόδρομο των σύγχρονων ατμομηχανών.

Ο Τζέιμς Βαττ (19 Ιανουαρίου 1736–25 Αυγούστου 1819) ήταν Σκωτσέζος μηχανουργός,μηχανικός και εφευρέτης.Ο Τζέιμς Βαττ ονομάσθηκε "πατέρας της ατμομηχανής" ιδιαίτερα για τη χρήση του ατμού για τη θέρμανση του κυλίνδρου,και κυρίως για την κατασκευή μιας ατμομηχανής που μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ευρεία κλίμακα σε πολλές εφαρμογές,οδηγώντας έτσι στην έλευση της Βιομηχανικής Επανάστασης.Προς τιμή του ονομάστηκε ειδική μονάδα μέτρησης ισχύος λεγόμενη Βατ.

 Πολλές δραστηριότητες της καθημερινής ζωής του ανθρώπου,όπως η θέρμανση και το μαγείρεμα,στηρίζονται στη χρήση της, θερμότητας.Η μεταλλουργία και η κεραμική ήταν για πολλούς αιώνες οι σημαντικότεροι τομείς στους οποίους ο άνθρωπος χρησιμοποίησε τη θερμότητα.Πολύ αργότερα,αντιλήφθηκε ότι η θερμότητα συνδέεται με την κίνηση και τον 18ο αιώνα κατασκεύασε την πρώτη ατμομηχανή.Η ατμομηχανή είναι μια μηχανή που μετασχηματίζει τη θερμότητα σε μηχανικό έργο.Η θερμότητα προκύπτει από τα καύσιμα που καίγονται και χρησιμοποιείται για να μετασχηματίσει το νερό σε ατμό,ο οποίος χρησιμοποιείται για να κινήσει τροχούς ή μοχλούς.

Η πρώτη ατμομηχανή για τα τρένα

 Από τότε,πολλές εργασίες έπαψαν να γίνονται χειρωνακτικά ή με τη βοήθεια ζώων και αναπτύχθηκαν οι πρώτες βιομηχανίες.Με την εκτεταμένη χρήση των μηχανών στην παραγωγή αγαθών,ξεκινά η βιομηχανική επανάσταση.
 Το έργο του Joule και Mayer,απέδειξαν ότι η θερμότητα και το έργο ήταν ισοδύναμες μορφές ενέργειας, και οδήγησαν στη αρχής της διατήρησης της ενέργειας από τον Hermann von Helmholtz το 1847.Ο Clausius το 1850 έδειξε ότι η θερμιδική θεωρία θα μπορούσε να συμβιβαστεί με την κινητική θεωρία.Το 1851,ο William Thomson παρουσίασε τη σύγχρονη άποψη για την δυναμική θεωρία της θερμότητας.

Ο πρώτος  κινητήρας εσωτερικής καύσης  

 Τον 19ο αιώνα κατασκευάστηκαν οι κινητήρες εσωτερικής καύσης,δηλαδή,ο πετρελαιοκινητήρας και ο βενζινοκινητήρας.Η ανακάλυψη των κοιτασμάτων πετρελαίου οδήγησε τον τεχνικό κόσμο του 20ου αιώνα στην ανάγκη εφεύρεσης συστημάτων ικανών να αξιοποιήσουν το καινούργιο καύσιμο.

Ένα από τα πρώτα αυτοκίνητα με κινητήρα εσωτερικής καύσης

 Αρχικά ο Γάλλος μηχανικός Etienne Lenoir και στη συνέχεια ο Γερμανός Nikolaus Agust Otto κατασκευάζουν τις πρώτες μηχανές εσωτερικής καύσης.Το 1885 ο Γερμανός μηχανικός Benz προσαρμόζει τη μηχανή του Otto σε αμάξωμα,τοποθετεί τρεις τροχούς και δημιουργεί το πρώτο αυτοκινούμενο όχημα.Τον επόμενο χρόνο ο Γερμανός μηχανικός Daimler κατασκευάζει το πρώτο τετράτροχο αυτοκίνητο με μηχανή εσωτερικής καύσης.

Ο Ιταλός φυσικός Enrico Fermi σχεδιάζει και θέτει σε λειτουργία τον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής

 Το 1942 ο Ιταλός φυσικός Enrico Fermi σχεδιάζει και θέτει σε λειτουργία τον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής,ενώ το 1954 το πρώτο πυρηνικό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τίθεται σε λειτουργία στην τέως ΕΣΣΔ.

Το πρώτο πυρηνικό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τίθεται σε λειτουργία στην τέως ΕΣΣΔ

 Ο 20ος αιώνας χαρακτηρίζεται από τρομακτική αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας.Προβλήματα όπως η προστασία του περιβάλλοντος και η εξάντληση των ενεργειακών πόρων δεν απασχολούσαν κανέναν.Τα πάντα όμως θα άλλαζαν σύντομα.

Κατά τη λειτουργία των μηχανών αποβάλλονται καυσαέρια  

 Ωστόσο,αν και οι μηχανές συνεισέφεραν στη βελτίωση του τρόπου ζωής του ανθρώπου,η χρήση τους προκάλεσε και σημαντικά προβλήματα.Κατά τη λειτουργία των μηχανών αποβάλλονται καυσαέρια ή δημιουργούνται ραδιενεργά κατάλοιπα τα οποία μολύνουν το περιβάλλον.Επίσης,κατά τη λειτουργία των θερμικών μηχανών μεταφέρεται στην ατμόσφαιρα και θερμότητα.Η θερμοκρασία του περιβάλλοντος αυξάνεται και η ισορροπία των οικοσυστημάτων διαταράσσεται.Η χρησιμοποίηση των θερμικών μηχανών χωρίς τη λήψη των κατάλληλων μέτρων δημιουργεί οικολογικά προβλήματα στον πλανήτη μας.