Teplo a teplota
Může být stejná voda současně teplá i studená?
Připravte si tři nádoby. Do první nalijte chladnou vodu, do druhé příjemně teplou - nikoli horkou - a do třetí vlažnou. Jednu ruku ponořte do chladné vody a druhou do teplé. Po chvíli přesuňte obě ruce do nádoby s vlažnou vodou.
A teď přichází překvapení. Ruce jsou ponořené ve stejné vodě, ale každá tvrdí něco jiného. Ruce, která byla předtím v chladu, připadá voda teplá. Druhá ruka ji naopak vnímá jako chladnou. Kdybychom se spoléhali pouze na své smysly, museli bychom připustit, že má tatáž voda ve stejném okamžiku dvě různé teploty.
Podobného rozporu si všiml již anglický filozof John Locke. Roku 1690 jej použil jako příklad toho, že naše smyslové vjemy nezávisí pouze na pozorovaném předmětu, ale také na předchozím stavu našeho těla. Naše ruce totiž nefungují jako spolehlivé teploměry. Vnímají především změny, které v nich probíhají.
“Ideas being thus distinguished and understood, we may be able to give an account how the same water, at the same time, may produce the idea of cold by one hand and of heat by the other: whereas it is impossible that the same water, if those ideas were really in it, should at the same time be both hot and cold.”Locke píše, že tatáž voda může současně vyvolat v jedné ruce pocit chladu a ve druhé pocit tepla, přestože sama nemůže být ve stejném okamžiku teplá i studená.
John Locke: An Essay Concerning Human Understanding, kniha II, kapitola VIII, § 21 (1690)Co se tedy děje, když ponoříme ruku do vody? Nepřenáší se do ní „teplota“. Mezi rukou a vodou se v důsledku rozdílu jejich teplot přenáší energie. Směr tohoto přenosu rozhoduje o tom, zda vnímáme zahřívání, nebo ochlazování. A právě zde začíná rozdíl mezi dvěma pojmy, které se v běžné řeči často zaměňují: teplotou a teplem.
Zobrazit odpověď
Ne. Voda má v daném místě jedinou teplotu. Rozdílný je počáteční stav obou rukou, a proto se po jejich ponoření liší směr přenosu energie. Chladnější ruka energii přijímá a vnímá zahřívání, teplejší ruka energii předává a vnímá ochlazování.
Co se děje při tepelném kontaktu?
Spojíme-li dvě tělesa s různými teplotami tak, aby si mohla předávat energii, nastane tepelný kontakt. Energie se samovolně přenáší z tělesa s vyšší teplotou na těleso s nižší teplotou.
těleso energii předává
těleso energii přijímá
Přenos pokračuje, dokud se teploty nevyrovnají. Potom jsou tělesa v tepelné rovnováze. Jejich částice se nepřestanou pohybovat ani vzájemně působit, ale mezi tělesy už nedochází k žádnému výslednému přenosu energie.
Model vyrovnávání teplot
Nastavte počáteční teploty dvou stejně velkých těles ze stejného materiálu. Model předpokládá, že soustava nepředává energii okolí.
Protože mají tělesa v modelu stejnou tepelnou kapacitu, rovnovážná teplota leží přesně uprostřed počátečních hodnot. U různých těles by záležela také na jejich hmotnosti a materiálu.
Jak měříme teplotu?
Teploměr nemůže zjistit teplotu tělesa okamžitě. Po přiložení si s tělesem předává energii a jeho vlastní teplota se postupně mění. Údaj odečítáme až tehdy, když se teploměr a měřené těleso dostanou přibližně do tepelné rovnováhy.
- Zvolíme teploměr vhodný pro očekávaný rozsah teplot.
- Umístíme jeho čidlo do dobrého tepelného kontaktu s měřeným tělesem.
- Počkáme, až se údaj ustálí.
- Odečteme teplotu a uvedeme jednotku.
Proč nemáme teplotu odečítat ihned?
Teploměr má po přiložení zpravidla jinou teplotu než měřené těleso. Nejprve mezi nimi probíhá přenos energie. Teprve po ustálení údaje lze teplotu teploměru považovat za přibližně stejnou jako teplotu tělesa.
Teplota, teplo a vnitřní energie
Tři pojmy spolu souvisejí, ale neoznačují totéž.
Teplota
Popisuje tepelný stav tělesa. Je stavovou veličinou.
jednotka: K
Teplo
Energie přenesená kvůli rozdílu teplot. Popisuje děj, nikoli stav tělesa.
jednotka: J
Vnitřní energie
Součet mikroskopických kinetických a potenciálních energií částic soustavy.
jednotka: J
| Výrok | Hodnocení |
|---|---|
| „Voda má teplotu 60 °C.“ | Správně - popisujeme stav vody. |
| „Voda obsahuje 500 J tepla.“ | Nesprávně - těleso neobsahuje teplo. Může mít určitou vnitřní energii nebo přijmout či odevzdat 500 J tepla. |
| „Při ochlazování odevzdala voda okolí teplo 500 J.“ | Správně - popisujeme přenos energie. |
Historická zajímavost: dělo, které vařilo vodu
Na konci 18. století nechal Benjamin Thompson, pozdější hrabě Rumford, otáčet kovovou dělovou hlavní proti tupému vrtáku. Tření zahřívalo hlaveň i vodu kolem ní. Po přibližně dvou a půl hodinách začala voda vřít, přestože pod nádobou nehořel žádný oheň.
Tehdy si mnozí přírodovědci představovali teplo jako nehmotnou tekutinu ukrytou v tělesech. Rumfordovi však vrtání připadalo schopné zahřívat hlaveň stále znovu. Odkud by se taková látka neustále brala? Pokus podpořil představu, že mechanická práce může měnit vnitřní energii tělesa a jeho teplotu.
“Anything which any insulated body ... can continue to furnish without limitation cannot possibly be a material substance.”„Cokoli může izolované těleso poskytovat bez omezení, nemůže být látkou.“
Benjamin Thompson (hrabě Rumford), An Inquiry Concerning the Source of the Heat Which Is Excited by Friction, 1798Vyšší teplota neznamená vždy více předané energie
O množství energie, které může těleso při ochlazení předat, nerozhoduje jen jeho počáteční teplota. Záleží také na hmotnosti tělesa, materiálu a na konečné teplotě.
Šálek čaje
Má například 80 °C, ale obsahuje jen malé množství vody. Po vychladnutí na pokojovou teplotu předá omezené množství energie.
Radiátor
Může mít jen 40 °C, ale má větší hmotnost a navíc jím stále proudí ohřátá voda. Místnosti proto může dlouhodobě předávat mnohem více energie.
Je horká jiskra nebezpečnější než teplá vana?
Ne nutně. Jiskra může mít velmi vysokou teplotu, ale její hmotnost je nepatrná, takže obvykle předá jen malé množství energie. Vana má nižší teplotu, obsahuje však velké množství vody a může předat energie mnohem více.
Otázky a úlohy
1. Dvě tělesa mají teploty 70 °C a 25 °C. Kterým směrem se bude při kontaktu přenášet energie?
Z tělesa o teplotě 70 °C do tělesa o teplotě 25 °C. Samovolný přenos probíhá z vyšší teploty na nižší.
2. Kdy se přenos energie mezi tělesy zastaví?
Přesněji řečeno ustane výsledný přenos energie tehdy, když tělesa dosáhnou stejné teploty a nastane tepelná rovnováha. Mikroskopické interakce přitom pokračují.
3. Opravte větu: „Do radiátoru jsme uložili teplo.“
Například: „Zvýšili jsme vnitřní energii radiátoru.“ Při jeho provozu pak může být energie přenášena z radiátoru do chladnějšího okolí.
4. Proč může teploměr změnit teplotu měřeného tělesa?
Teploměr má před měřením obvykle jinou teplotu než těleso. Po přiložení si proto navzájem předávají energii, dokud se nepřiblíží tepelné rovnováze.
5. Mohou mít dvě tělesa stejnou teplotu, ale různou vnitřní energii?
Ano. Vnitřní energie závisí kromě teploty také na množství a druhu látky i na jejím skupenství a dalších stavových veličinách.
Časté omyly
- „Teplota a teplo jsou totéž.“ Teplota popisuje stav, teplo přenos energie.
- „Těleso obsahuje teplo.“ Těleso má vnitřní energii; teplo označuje energii během přenosu způsobeného rozdílem teplot.
- „Vyšší teplota vždy znamená více energie.“ Záleží také na hmotnosti, materiálu a skupenství.
- „V tepelné rovnováze se částice přestanou pohybovat.“ Jejich mikroskopický pohyb pokračuje, pouze ustane výsledný přenos energie mezi tělesy.
Metodická poznámka pro učitele
Kapitola důsledně používá termodynamickou definici tepla jako energie přenesené v důsledku rozdílu teplot. Je proto vhodné opravovat formulace „těleso obsahuje teplo“ nebo „teplo se změnilo na teplotu“. Model vyrovnávání teplot předpokládá dvě stejně velká tělesa ze stejného materiálu a tepelně izolovanou soustavu; není určen k zavádění kalorimetrické rovnice. Tu lze doplnit až v navazující kapitole o tepelné kapacitě.
Česko-anglický slovníček
- teplota
- temperature
- teplo
- heat
- vnitřní energie
- internal energy
- přenos energie
- energy transfer
- tepelný kontakt
- thermal contact
- tepelná rovnováha
- thermal equilibrium
- teploměr
- thermometer
- tepelná kapacita
- heat capacity
- tření
- friction
- mechanická práce
- mechanical work