Teplo obrázky

 

Vlastnosti skupenství (opakování)
Vnitřní energie tělesa
Teplo
Tepelná výměna
Měrná tepelná kapacita látky     
Výpočet předaného tepla(ohřev)
Přenos tepla
Tělo živočichů a teplo
Změna skupenství    
 Tání, tuhnutí
 Vypařování
 Kapalnění
 Var
 Sublimace
 desublimace
Měrné skupenské teplo
Hledání v tabulkách
Výpočet předaného tepla(skupenství)
Teplotní roztažnost
Anomálie vody
Meteorologie

Vlastnosti skupenství obrázky

Pevné látky krystalické - mají atomy v krystalické mřížce (sůl, železo, led, tuha, diamant, cukr, …).
Mají přesnou teplotu tání.
Pevné látky amorfní (beztvaré) - atomy nepravidelně uspořádané (asfalt, sklo, vosk, plasty. …).
Tají v rozmezí teplot.

  mění objem mění tvar kmitání částic vzájemné síly
mezi částicemi
uspořádání přemístění částic vzdálenost částic
pevné nejméně  přitahují se, natěsnány  krystalická mřížka  natěsnány
kapalné  podle nádoby  více  přitahují se (méně), natěsnány Brownův pohyb natěsnány
plynné  stlačitelné 
rozpínavé
 podle nádoby  nejvíce odpuzují Brownův pohyb větší

POZN: Brownův pohyb = "cestování" částic volně po kapalném (plynném) tělese díky vzájemným nárazům při kmitání (šíření vůně ve vzduchu, rozpouštění cukru v čaji…)


Vnitřní energie tělesa

je energie obsažená uvnitř tělesa.
Patří do ní Ek jednotlivých částic (energie kmitání).

Vnitřní energie tělesa závisí na:
- počtu částic tělesa ( částic - E ~větší těleso)
- teplotě tělesa ( teplota - E)

Změna vnitřní energie = ohřátí či ochlazení tělesa - při:

Ukázka: mixér, zatlouk. hřebíku


Teplo obrázky

Teplo = ta část vnitřní energie, kterou těleso může odevzdat (~změna kmitání částic).
Teplota tělesa = stav tělesa (jak "moc kmitají" jeho částice).

Kmitání částic určuje, jakou teplotu má těleso.
Dodání (odevzdání) tepla vede ke změně kmitání částic.

Teplo je energie, kterou předává teplejší těleso chladnějšímu.

Teplo je fyzikální veličina.
Značka: Q (calorique)
Jednotka: 1 J (Joule)
kJ, MJ

Jednotku 1 J má práce, energie i teplo - navzájem se mezi sebou přeměňují!!

Částice každého tělesa vždy kmitají (kmitání ustává až při "absolutní nule" -273,15 °C).
Ohřátí tělesa = jeho částice více rozkmitám.


Tepelná výměna

je předávání tepla z jednoho tělesa (teplejšího) na druhé (studenější).
Skončí vyrovnáním teplot obou těles.

Více kmitající částice (teplejšího tělesa) při ní předají část své energie částicím studenějšího tělesa.

PŘ: Čaj teplo odevzdá, lžička přijme.

Bosá noha - dlažba: tepelná výměna probíhá lépe (ani papír namotaný na železe nechytne).
Bosá noha - polystyren:      –  /  /  –       hůře (noha teplo neodevzdá - pocit vyšší teploty).

POZN: látka je v kapalném skupenství pouze od teploty … do teploty ….
Ukázka: ohřev vody v papíru, neprask. balónek


Měrná tepelná kapacita látky

udává množství tepla potřebného k ohřátí 1 kg dané látky o 1°C.

Měrná tepelná kapacita je fyzikální veličina.
Značka:     c (capacity)  
Jednotka:     J     kJ
  –––––  , –––––
   kg.°C  kg.°C

(čteme: Joule na kilogram a stupeň Celsia)

1 kg každé látky potřebuje k ohřátí o 1°C jinak velké teplo (viz tabulka).

Např. 1 kg vody ohřeji o 1°C teplem 4200 J.

cvoda = 4,2 kJ/kg°C, cželezo = 0,45 kJ/kg°C, colovo = 0,129 kJ/kg°C
Více tepla přijme (odevzdá) těleso:
- větší hmotnosti (
m - Q)
- z materiálu, který "pojme" více tepla (
c - Q)
- při větším rozdílu teplot
(rozdíl - Q)


Výpočet předaného tepla (při tepelné výměně)

Q = m.c.(t2 - t1)

Q = teplo přijaté (odevzdané) tělesem hmotnosti m při ohřátí (ochlazení) z teploty t1 na teplotu t2 (materiál tělesa má měrnou tepelnou kapacitu c).

POZN: V případě ochlazení bude (t2 - t1) záporné - proto, že teplo bude odevzdáno.

PŘ: Uvaříme 1 l vody na čaj:
m = 1 kg; t1 = 20°C; t2 = 100°C; cvoda = 4,2 kJ/kg.°C
Q = m.c.(t2 - t1)
Q = 1×4,2×(100 - 20)
Q = 336 kJ
K uvaření 1 l vody (20°C->100°C) je nutno dodat teplo 336 kJ.

Kalorimetr = tepelně izolovaná nádoba pro měření. Po smíchání např. kapalných těles různých teplot v ní měříme výslednou teplotu.


Přenos tepla na jiné místo

  1. vedením (částice si navzájem předávají energii - kmitání)
    - tepelné vodiče (kovy) - konstrukce teploměrů, topení, chlazení, Davyho kahan, tepelný most (traverza skrz zeď…)
    - tepelné izolanty: V=látky obsahující hodně vzduchu
    izolant použití
    skelná vata, polystyren V izolace staveb, ledničky
    dřevo, plast držadla nádobí
    vzduch dvojitá okna, "čepýření" ptáků, Trombeho stěna (obr)
    dutá vlákna, peří V oděvy, spacáky, peřiny
    sníh V nory polárních zvířat
    korek V podlaha
    vakuum termoska
    molitan V matrace
  2. prouděním (přemístěním tělesa - kapaliny, plyny) - voda při vaření, vzduch v atmosféře, mořské proudy, vzduch v místnosti
    Užíváme jej i k chlazení motoru (vodou, vzduchem), počítače, rozvodu tepla v ústředním topení (video led topení)
  3. tepelným zářením (horkého tělesa skrz průhledné prostředí) - záření Slunce, ohně, topení
    Příjem tepelného záření i vyzařování tělesa ovlivňuje jeho:
    1. teplota (teplejší těleso více vyzařuje)
    2.
    vzdálenost od zdroje tepla (se vzdáleností rapidně klesá)
  3. povrch 4. barva
hodně září (přijímá): drsný:
silnice, kamna
tmavá (černá):
silnice, kamna, sluneční kolektory
málo září (přijímá): hladký, lesklý:
zrcadlo, termoska
světlá (bílá):
bílý oděv beduínů

Horké těleso ochladíme lépe, pokud zvětšíme jeho plochu ~kontakt s okolím (rozkrojím horký brambor…). Podobně s ohřátím.

Video: přenos tepla, vyzařování tepla, příjem tepel. záření


Tělo živočichů a teplo

Tělo musí odevzdávat část tepla svému okolí, proto en. potravy stále mění na teplo.
Odevzdává-li příliš mnoho tepla (mráz, vítr, studená voda…), živočich se chrání:
 - tepelným izolantem: tukem (tuleň), peřím (+"čepýření"), zahrabáním do izolantu (sněhu, sena), člověk oděvem, neoprénem
 - tvorbou tepla ve svalech: třes zimou, zahřátí se pohybem
 - snížením tělesné teploty = zimní hibernace ("spánek") - méně vyzařuje teplo+ušetří energii na metabolismus
 - zmenšením chlazené plochy těla: schoulení se, semknutí tučňáků
Odevzdává-li příliš málo tepla, přijímá mnoho tepla (námaha, léto, požár…), živočich se chrání:
 * cíleným výdejem tepla: na vypaření potu, vody po koupání
 * člověk oděvem odrážejícím tepelné záření (bílý, lesklý)

Zvýšená teplota = obrana těla proti infekci zvýšenou produkcí tepla (vyšší teplota mikroorganismům nesvědčí).

Pocit - je mi:
 - teplo = odevzdávám méně tepla (léto, dotyk s tepelným izolantem, látkou s malou c)
 - zima = odevzdávám více tepla (zima, dotyk s tepelným vodičem, látkou s velkou c)


Změna skupenství  obrázky

Ke změně skupenství vždy musíme látce dodat (či odebrat) teplo, aby částice kmitaly více (méně).
Tání - led, asfalt, čokoláda, tuk, vosk, olovo, cín, láva ze sopky…
Tuhnutí - zmrznutí vody, tuhnutí čokolády, vosku.
Vypařování - sušení prádla, vaření, ředidlo…
Kapalnění - orosení sklenice, rosa, destilace …
Sublimace - vůně tuhého deodorantu, sušených květin, naftalin, "suchý led" -> pára(+obr).
Desublimace - námraza, jinovatka (+obr).

Ukázka: Skupenství prvků při dané teplotě.


Tání, tuhnutí

Voda <––> led (v přírodě), tavení kovů…
Tání: částice pevné látky se teplem rozkmitají tak, že opustí krystalickou mřížku –> mohou se volně pohybovat (= kapalina).
Tuhnutí: částice kapaliny při odebírání tepla kmitají čím dál méně a "sedají" si na místa v krystalické mřížce (pevná látka).
POZN: Tání, tuhnutí probíhá pouze při ttání - tuto teplotu má směs (kapalina+pev.l) dokud poslední částice nezmění skupenství.

POZN: lehce taje vosk, parafín (kolem 50°C), cín (230°C), olovo (330°C)

Některé látky při tuhnutí mění svůj objem, např.:

Ukázka: tání ledu (anim), regelace.
Zajímavosti:
- amorfní látky tají v rozmezí teplot (změkne, pak taje)
- bruslení umožňuje vrstvička vody pokrývající led i při nižších teplotách, nikoliv tedy tlak brusle (zdroj).
- voda je kapalná i pod nulou - zázr.přír (3:50, na zač. ukládání), v autě
- horká voda zmrzne rychleji, než studená


Vypařování

se děje za každé teploty (kapalina nemusí vařit) - částice na povrchu kapaliny se teplem rozkmitá tak, že "uletí" ostatním –> pára.
Vypařování lze urychlit:

Těkavé kapaliny - snadno se vypařují (benzin, líh, ředidlo…), více nasytí vzduch, nebezpečí výbuchu.
Využití: sušení (prádla, ovoce, bylin), "schnutí" barvy, pot vypařováním ochlazuje tělo (pes - jazyk)…

Kapalnění (kondenzace)

Za dané teploty může být ve vzduchu jen určité množství páry.
Je-li páry méně, vlhkost vzduchu (relativní) nám říká, kolik procent to je z maximálního množství (běžná vlhkost 40% - 60%).
Po ochlazení vzduchu v něm nemůže být tolik páry a přebytek musí zkapalnět: rosa, orosení sklenice, brýlí při vstupu do tepla, mlha, déšť, zamlžená skla auta, vlhko ve sklepě v létě…
Tepelný most (traverza…) v zimě působí vlhkost zdi (uvnitř bytu).
POZN: V uzavřené nádobě je tzv. rovnovážný stav = za 1 s se vypaří stejné množství kapaliny, jako zkapalní par (uzavřená láhev, uzavřená cisterna …)
Užití: získání vody na poušti, odvádění zkapalnělé vody z ledničky, myčka - konec mytí nádobí.

Ukázka: kondenzace vody k pití.

Var

probíhá pouze při tvaru (100°C za normálního tlaku). V celém objemu kapaliny se teplem vytvářejí bublinky páry, které sbírají další molekuly a stoupají vzhůru.
tvaru závisí na tlaku: vyšší tlak: Papinův hrnecw, autoklávw vaří při 120°C
nižší tlak: horolezcům vaří voda při 90°C

var vypařování
pouze při tvaru za každé teploty
v celém objemu kapaliny jen na povrchu kapaliny

Využití: tepelná úprava pokrmů, příprava povidel, dezinfekce nástrojů, pozor na "vaření motoru"…
Destilace vody, alkoholu, oddělení složek ropy

Ukázka: Chování částic vody v různých skupenstvích na aldebaran.
Ukázka: Var vody při 26°C - zázr.přír. (1:25), LP
Ukázka: var dusíku 1

Sublimace

je přechod pevné–>plynné skupenství.
Využití:sublimační tiskárna, sublimační sušení (zmražených potravin, zmrzlého prádla), tuhá voňavka, Naftalin, "suchý" led

Ukázka: sublimace naftalenu, jódu, o suchém ledu (TV Nova)

Desublimace (obrázky)

je přechod plynné–>pevné skupenství.
Jinovatka, námraza na okně, v mrazničce, na horách… - vodní pára ze vzduchu desublimuje na krystalky ledu.

Měrné skupenské teplo

udává množství tepla potřebného ke změně skupenství 1 kg dané látky.
např. lt voda = 334 kJ/kg (při ttání!), lv voda = 2260 kJ/kg (při tvaru!)

Měrné skupenské teplo je fyzikální veličina.
Značka:     l <– malé "L"  
Jednotka:  J kJ
  ––  , ––
  kg kg
čteme:  Joule na kilogram  

1 kg každé látky potřebuje ke změně skupenství jiné teplo (snadněji taje např. olovo - 23, hůře např. led - 334) - viz tabulka.

Jiné teplo potřebuje 1 kg dané látky k roztání (ltání),  jiné k vypaření při varu (lvaru).

Hledání v tabulkách

veličina: c tt tv lt lv
jednotka: kJ/(kg.°C) °C °C kJ/kg kJ/kg
cín: 0,227 232 2720 59,6 1940

Vezmu-li 1 kg tuhého cínu a zahřeji na 232 °C, pak z něho (dodáním tepla 59,6 kJ) udělám 1 kg kapalného cínu o teplotě 232 °C.
Vezmu-li 1 kg kapalného cínu a zahřeji na 2720 °C, pak z něho (dodáním tepla 1940 kJ) udělám 1 kg plynného cínu (páru cínu) o teplotě 2720 °C.

Vezmu-li 1 kg par cínu a ochladím na 2720 °C, pak z nich (odebráním tepla 1940 kJ) udělám 1 kg kapalného cínu o teplotě 2720 °C.
Vezmu-li 1 kg kapalného cínu a ochladím na 232 °C, pak z něj (odebráním tepla 59,6 kJ) udělám 1 kg tuhého cínu o teplotě 232 °C.

SROVNÁNÍ:

děj veličina  jednotka změna skupenství změna teploty vzorec
ohřev c kJ
––––
kg.°C
o 1°C Q = m.c.(t2 - t1)
změna skupenství l kJ
–––
kg
ano Q = m.l

POZN: Hodnoty c, l, ttání, tvaru jsou udávány za normálního tlaku - pro jiný tlak mají jinou hodnotu!

Změna skupenství - graf teploty v závislosti na času

Výpočet předaného tepla (při změně skupenství)

Q = m.l

Q = teplo přijaté (odevzdané) tělesem hmotnosti m při změně skupenství (materiál tělesa má měrné skupenské teplo l).

PŘ: Spočti teplo potřebné k roztání 7 kg ledu, jehož původní teplota je -15°C.
(úvaha: výpočet musím rozdělit na ohřev ledu -15°C–>0°C a na tání ledu)
1. část: Ohřev ledu (-15°C)–> led (0°C):
m = 7 kg; cled = 2,1 kJ/kg.°C; t1 = -15°C; t2 = 0°C; Q1 = ? kJ
Q1 = m.c.(t2 - t1)
Q1 = 7.2,1.(0 - (-15))
Q1 = 14,7 . 15
Q1 = 220,5 kJ
<– K ohřátí ledu (-15°C)–>led (0°C) je třeba teplo 220,5 kJ.
2. část: Tání ledu (při 0°C):
m = 7 kg; lled = 334 kJ/kg; Q2 = ? kJ
Q2 = m.l
Q2 = 7.334
Q2 = 2 338 kJ
 <– K roztání led (0°C)–> voda (0°C) je třeba teplo 2338 kJ.
Q = Q1 + Q2 = 220,5 + 2 338
Q = 2 558,5 kJ
K přeměně 7 kg ledu (-15°C) na vodu (0°C) musíme dodat teplo 2 558,5 kJ.

Skupenské teplo v praxi:

Teplotní roztažnost obrázky

(navíc k 6. roč)
Baňková masáž (rekl), nasazení horké sekyry, PET láhev v ledničce…
Bimetal ("dvojkov"): teploměr,

POZN: Rozpínáním se plyn ochladí (vypouštění pneumatiky - studí).
Ukázka: tepel. roztažnost kuličky, baňkování, chlazení baňky, vzduchu v PET.
Tabulka roztažností - labo.

Při změně skupenství kapalina->plyn roste tlak: výbuch parního kotle, CO2 v láhvi.

Anomálie vodyAnomálie (= zvláštnost) vody

Objem všech látek při ohřívání roste. Zvláštností vody je to, že při ohřívání od 0°C do 3,99°C objem vody  klesá (od 4°C už pak zase roste).
Proto je v zimě u dna teplejší voda s teplotou 3,99°C , u hladiny je studenější voda a led (rybník nepromrzne ke dnu).
Díky tomu jevu může vzniknout život (doby mrazů přežijí mikroorganismy ve vodě).

Další výhodné vlastnosti vody:
- velké skupenské teplo - dlouho trvá, než led rozmrzne (proto nejsou časté jarní povodně)
- velká tepelná kapacita - 1 kg vody "unese" hodně tepla (kotel –> těleso), moře nasbírá hodně tepla přes léto
- při tuhnutí čistá voda může "čekat" na první shluky "zmrzlých" molekul třeba až do -5°C a pak naráz zmrzne (zatřepáním…)

Meteorologie

zkoumá a sleduje:

Podle sledování současného stavu počasí předpovídá, co by mohlo následovat (další proudění, srážky …).

Důsledky proudění vzduchu: vítr, bouře, tornádo…
Srážky: déšť, sněžení, kroupy, rosa, námraza, jinovatka, mlha…
Měření: teplota, tlak, vlhkost, srážky, délka slunečního svitu, rychlost větru (anemometr)…
Jak se měří: pozemní stanice, meteorologický radar obr, meteorologický balón obr, družice.
Předpověď: ČHMI, Meteopress Medard meteogramy YR windguru pro mobil:Aladin

POZN: Části atmosféry Zeme, Průběh teploty v atmosféře
Synoptická mapa - vysvětlivky