1
Temperatura si caldura
I. Introducere
Caldura, in fizica, reprezinta transferul de energie
de la o substanta la alta sau de la un corp la altul datorita
diferentei de temperatura.
Caldura poate fi transferata prin trei procese: prin conductie,
prin convectie si prin radiatii. Conductia este transferal
de caldura pe un obiect solid; este procesul datorita caruia manuirea
unui vatrai devine grea, chiar daca numai varful este in foc. Convectia
transmite caldura prin schimbul de molecule fierbinti si reci; acesta
este fenomenul prin care apa dintr-un ibric devine clocotita uniform
chiar daca numai fundul ceainicului este in contact cu flacara.
Radiatia este transferul de caldura prin radiatie electromagnetica;
acesta este mecanismul prin care un semineu incalzeste o camera.
II. Temperatura
Temperatura reprezinta proprietatea unui sistem care determina starea
lui, daca este in echilibru termic sau nu. Senzatia de caldura sau frig
a unei substante este cauzat de temperatura. Desi este usor de comparat
temperaturile aproximative ale doua substante utilizand simtul tactil,
evaluarea magnitudinii temperaturilor prin reactii subiective este
imposibila. A incalzi o substanta nu inseamna numai a-I creste
temperatura, dar si a-l provoca sa imparta o senzatie de cald mai
acuta, si totodata sa produca transformari in mai multe proprietati
fizice care pot fi masurate cu precizie. Cand temperature variaza, o
substanta se extinde sau se contractam, rezistenta sa electrica se
schimba, si in forma gazoasa exercita presiuni variate. Variatia unei
simple proprietati serveste ca o baza pentru o scara de temperature
potrivita.
Temperatura epinde de energia cinetica medie a
moleculelor unei substante, si conform teoriei cinetice energia poate
exista in miscari circulare, vibrationale sau translationala a
particulelor unor substante. Temperature depinde doar de miscarea
translationala a moleculelor. Teoretic, moleculele unei substante n-ar
manifesta nici o activitate la temperature de zero absolute.
Conceptul de temperatura vine de la ideea de a
masura relativele stari de caldura sau frig si de la observatia ca
adaosul de caldura unui corp duce la sporirea temperaturii acestuia in
cazul in care nu apare fierberea sau topirea. In cazul a doua corpuri
cu temperature diferita, caldura se va transmite de la cel mai cald la
cel rece pana cand temperature lor este aceeasi, iar echilibrul termic
este atins. Astfel, temperatura si caldura, desi in legatura, se refera
la idei diferite, temperatura fiind o proprietate a corpului, iar
caldura o “scurgere” de energie dintre doua corpuri cu caracteristici
diferite. Schimbarile de temperatura trebuie masurate in termeni
ale altor schimbari de proprietati ale substantelor.
III. Unitati de masura ale temperaturii
Cinci tipuri diferite de scari sunt in uz astazi: scara Celsius,
cunoscuta si sub numele de centigrad, scara Fahrenheit, scara Kelvin,
scara Rankine si scara internationala termodinamica.
Una dintre primele unitati descoperite a fost aceea inventata de
fizicianul german Gabriel Daniel Fahrenheit. Potrivit acestei, unitati
la presiunea atmosferica normala, punctual de inghet (si de topire a
ghetii) este 32℉, punctual de fierbere este 212℉. Centigradul sau
unitatea Celsius, inventata de astronomul suedez Anders Celsius, si
utilizat in foarte multe parti ale lumii, atribuie valoarea de 0℃
punctului de inghet si 100℃ punctului de fierbere. In domeniul stiintei
cea mai des utilizata unitate este cea absoluta sau Kelvinul,
inventata de matematicianul si fizicianul britanic William Thompson,
primul baron Kelvin. In aceasta masura zero absolut este la -273,16℃,
care este 0 K, intervalele de temperatura fiind identice cu cele
masurate in Celsius. Corespondenta acesteia, “Fahrenheit absolut” sau
unitatea Rankine, descoperita de inginerul si fizicianul britanic
William J. M. Rankine plaseaza zero absolute la -459,69℉, care este 0
R, si punctul de inghet la 491,69 R. O scara mai consistenta din punct
de vedere stiintific, bazata pe scara Kelvin, a fost adoptata in1933.
Termometrul este un instrument utilizat la masurarea temperaturii.
Astfel, obisnuitul termometru cu mercur masoara dezvoltarea unei
coloane de Hg intr-un vas capilar de sticla, schimbarea in lungime a
coloanei reprezentand diderenta de temperatura. Daca se
incalzeste un gaz ideal continut de un vas cu volum constant, presiunea
creste si schimbarea temperaturii poate fi determinata de
modificarea presiunii conform legii lui Gay- Lussac. Mercurul este des
inlocuit de alcool, eter sau alte lichide. Inventia terometrului ii
este atribuita lui Galileo, chiar daca termometrul inchis nu a fost
folosit pana in 1650. termometrele
1
IV. Unitati de masura ale caldurii
Caldura este masurata in calorii, definite ca fiind cantitatea de
caldura necesara pentru a ridica temperature unui gram de apa la o
presiune de 1 atm de la 15℃ la 16℃. Aceasta unitate este cateodata
denumita mica calorie sau calorie-gram pentru a o deosebi de caloria
mare sau kilocaloria, egala cu 1000 calorii, care este utilizata in
studiile nutritioniste. Definitia acceptata acum in Statele Unite si in
termochimie este ca 1 cal= 4,1840 J.
▶Graficul reprezinta modificarea care apare cand apa este incalzita. La
0℃ si la 100℃ putem adauga caldura apei fara a-i schimba temperatura.
Aceasta ‘’caldura latenta’’ distruge legaturile dintre molecule, dar nu
le mareste energia cinetica. Este nevoie de aproximatix de 4 ori
mai
multa caldura pentru a evapora un gram de apa decat pentru a-l topi.
Aceasta este reprezentata de grafic prin lungimile relative ale
portiunilor orizintale. Pantele liniilor inclinate indica numarul de
grade cu care se schimba temperatura pentru fiecare calorie de caldura
adaugata unui gram. Reciprocul acestui numar este cantitatea de Q
care
trebuie adaugata pentru a modifica temperatura unui gram cu un grad.
Aceasta este numita caldura specifica.
III. Efectele temperaturii
Temperatura are un rol important in determinarea
conditiilor in
care viata poate exista. Astfel, pasarile si mamiferele cer un restrans
sir de temperaturi ale corpului pentru supravietuire si trebuie
protejate impotriva caldurii extreme sau a frigului. Speciile acvatice
pot exista doar in apa cu o anumita temperatura care difera de la
specie la specie. De exemplu, cresterea temperaturii apei unui rau cu
doar cateva grade ca rezultat al eliberarii de caldura de uzine poate
omori majoritatea pestilor indigeni. Caldura este energia aflata in
procesul de transfer; intotdeauna ea se revarsa de la o substanta cu
temperature mai mare la una cu o temperatura mai scazuta, radicand-o pe
cea a ultimei si micsorand-o pe a primei, cu conditia ca volumele celor
doua sa ramana constante. Caldura nu se transmite de la o substanta mai
rece la un calda decat daca un alt tip de transfer al energiei, forta,
este de asemenea prezenta.
Pana la inceputul secolului al XIX-lea, efectul
caldurii asupra
temperaturii corpului a fost explicata prin presupunerea
existentei
unei substante invizibile.
Conform teoriei calorice a caldurii, un corp la o
temperature mai
mare contine mai multe calorii decat unul la o temperature mai scazuta.
Primul corp cedeaza cateva calorii celui de-al doilea corp aflat in
contact, radicand temperatura acestuia si scazand-o pe a sa. Desi
teoria calorica a explicat cu succes cateva fenomene a transferului de
caldura, dovezi experimentale au fost presentate de fizicianul britanic
de origine americana pe nume Benjamin Thomphson in 1798 si de chimistul
englez Sir Humphry Davy in 1799 sugerand ca precum forta, caldura
este
o forma de energie in tranzit si ca poate produce aceleasi schimbari
intr-un corp ca si forta.
|