Toplota

Toplota ili toplotna energija je fizička veličina koja se obično označava sa Q. Osnovna jedinica za toplotnu energiju u Međunarodnom sistemu jedinica jeste džul, dok se u nutricionizmu koristi jedinica kalorija (1 cal = 4,186 J). Ona se meri kalorimetrom i nije osobina tela, već procesa. Toplota se može prenositi između tela i sistema usled razlike u temperaturi i zavisi od mase m tela, specifičnog toplotnog kapaciteta c materije od koje se telo sastoji, te od temperaturne razlike Δt: $\Delta Q=c\cdot m\cdot \Delta t$. Prenos se odvija na više načina, kao što su kondukcija, radijacija i konvekcija.

Temperatura Sunčeve površina (fotosfera) je 5 778 K (5 505 °C)). Toplota se od Sunca do Zemlje prenosi toplotnim zračenjem (Sunčeva svetlost).

Subjektivni osećaj toplote dobiva se dodirom s telima kojima je temperatura viša (toplo) ili niža (hladno) od temperature ljudskoga tela. Toplota se objektivno meri posmatranjem delovanja ugrejanih tela na druga tela (kalorimetrija).

Pojam toplote i temperature

Temperatura idealnog gasa je mera prosečne kinetičke energije molekula

Sunčeva svetlost svetli kroz oblake.

Toplotne vibracije delova belančevine: amplituda vibracija raste s temperaturom.

Linearni tok toplote kod provođenja ili kondukcije toplote.

Iz vrućeg tela rasprostire se toplota na sve strane nevidljivim toplotnim zracima.

Džulov uređaj iz 1845.

Prvi svetski ledeni kalorimetar, koji se počeo upotrebljavati 1782, a napravili su ga Antoan Loren de Lavoazje i Pjer Simon Laplas, da bi odredili količinu toplote koja prati određene hemijske procese, a konstrukcija se zasniva na prethodnim proračunima Džozefa Bleka kada je otkrio latentnu toplotu.

Piranometar je merni instrument koji meri ukupno Sunčevo zračenje (sa svim talasnim dužinama), koje pada na neku vodoravnu ravan.

Prema unutrašnjosti Zemlja je sve toplija, a u dubinama većim od 18 metara ispod površine spoljne toplotne promene temperature nemaju uticaja. Znači, ovde toplota ne dolazi spolja nego iz unutrašnjosti Zemlje.

Ogrevna vrednost je svojstvena za svaku hemijsku materiju.

Ako se stavi ruka u posudu s vrućom vodom i zadrži nekoliko sekundi, a zatim je stavimo u posudu s toplom vodom, učiniće se kao da je ta voda hladna. Stavimo li ruku u hladnu vodu i držimo je nekoliko sekundi, a onda je uronimo u toplu vodu, osećaj će biti kao da je stavljena u vruću vodu. Odatle se vidi da ljudski osećaj nije merodavan za prosuđivanje stanja nekoga fizičkog tela, to jest njegove temperature.

Toplota i temperatura nisu isto. To se može uočiti iz primera. U dve po veličini različite prostorije loži se peć iste veličine tako da troši ista količinu goriva na sat. Ishodišne temperature prostorija su različite. Veća prostorija imaće nižu temperaturu, a manja višu, iako je svaka prostorija, to jest vazduh u prostoriji, primio istu količinu toplote izgaranjem jednake količine goriva. Dva fizička tela mogu imati istu količinu toplote, a različitu temperaturu. Da bi veća prostorija imala istu temperaturu kao manja, mora se većoj dati veća količina toplote, to jest mora se potrošiti veću količinu goriva. Odatle se vidi da dva fizička tela mogu imati istu temperaturu, ali različitu količinu toplote.

Molekularno-kinetička teorija toplote definiše toplotu. Molekuli u telima ne miruju, nego se nalaze u stalnom kretanju, čija brzina može biti veća ili manja. Bušenjem, glodanjem, struganjem i rezanjem pomoću alatnih mašina, kao i kod svake obrade materijala alatom, oslobađa se toplota. Toplota nastaje na osnovu utrošenog mehaničkog rada, a i na račun kinetičke energije. Udarom čekića, koji ima kinetičku energiju, o nakovanj stvara se toplota. Tu se kinetička energija ne pretvara samo u toplotu nego i u energiju zvuka i u mehanički rad potreban za deformaciju tela. Pri sudaru dva tela prenosi se kretanje, to jest kinetička energija s jednog tela na drugo. To ne vredi samo za velika tela nego i za sitne čestice, to jest molekule. Kinetička energija čekića pretvara se u kinetičku energiju molekula, to jest u njihovo nevidljivo kretanje. Toplota je, dakle, kinetička energija molekularnog kretanje.

Što se telo više greje, molekuli se sve brže kreću i imaju sve veću kinetičku energiju. Zbog toga se molekuli međusobno udaljavaju, pa čvrsto telo topljenjem prelazi u tečno agregatno stanje. Tečno telo zagrejavanjem prelazi u gasovito agregatno stanje. Molekuli vode daljim zagrejavanjem kod vrelišta odlaze u vazduh. Voda prelazi u vodenu paru. Para ima toliku kinetičku energiju da pokreće parnu mašinu. Koliki je stupanj toga molekularnog kretanja, iskazuje temperatura. Temperatura je stupanj toplotnog stanja tela i o njoj zavisi agregatno stanje tela.

Onaj deo nauke o toploti koji se bavi toplotom kao jednim oblikom energije i proučava pretvaranje toplotne energije u mehaničku radnju zove se termodinamika. Budući da je to pretvaranje naročito važno kod gasova, to se termodinamika bavi u prvom redu toplotnim promenama kod gasova.

Količina toplote

Da bi se masa od 1 kilograma vode ugrejala na plameniku od 10 °C na 20 °C, potrebno je izvesno vreme. Za grejanje 1 kilograma vode na tom plameniku od 10 °C na 30 °C biće potrebno duže vremena. Za grejanje 2 kilograma vode trebaće dvostruko duže vremena nego za grejanje 1 kilograma vode. Dakle potrebna količina toplote za zagrejavanje vode je to veća što je veća masa vode i što se zagrejava na višu temperaturu. Prema tome je:

$Q=m\cdot (t_{2}-t_{1})$

gde je: Q - količina toplote izražena u džulima (J), m - masa vode u kilogramima (kg) i t₂ - t₁ - razlika temperature u celzijusima (°C).

Količina toplote se meri kao i svaku energiju u džulima. Međutim, još se upotrebljava kao jedinica toplote kilokalorija (kcal). 1 kcal je ona količina toplote koja je potrebna da se 1 kilogram vode, kod normalnog pritiska vazduha od 760 tora (1 atm), zagreje od 14,5 °C na 15,5 °C. To je zbog toga što količine toplote za zagrejavanje 1 kilograma vode, na primer od 12 na 13 °C ili od 20 na 21 °C, nisu jednake. Međutim razlike su tako male da se u praksi uzima da je za zagrejavanje 1 kilograma vode za 1 °C potrebna 1 kcal, bez obzira kod koje se to temperature vrši. Kod grejanja se mora toplota dovoditi, a kod hlađenja odvoditi. Kilokalorija (kcal), određena pri 15 °C, približno je jednaka 4,1855 kilodžula (kJ).

Za zagrejavanje 1 kilograma željeza trebaće manje vremena nego za zagrejavanje 1 kilograma opeke. Za različite materije je potrebna različita količina toplote da bi se 1 kilogram te materije ugrejao za 1 °C. Količina toplote u J ili kcal koja je potrebna da se 1 kg neke materije ugreje za 1 °C zove se specifična toplota ili specifični toplotni kapacitet, a označuje se malim slovom c.

Prema tome, ako je za zagrejavanje 1 kg neke materije potrebna specifična toplota c, onda je za zagrevanje m kg te materije potrebno c ∙ m. Za zagrevanje m kg materije od temperature t₁ na temperaturu t₂ potrebna je toplota:

$Q=c\cdot m\cdot (t_{2}-t_{1})=c\cdot m\cdot \Delta t$

Specifični toplotni kapacitet

Specifični toplotni kapacitet nekih materija:

Materija	c (J kg−1 K−1)
voda	4 816
ulje	3 800
alkohol	2 500
led	2 100
aluminijum	900
staklo	800
željezo	460
cink	390
bakar	380
živa	140

Produkt c ∙ m, to jest količina toplote koja je potrebna telu mase m kg da se zagreje za 1 °C, zove se toplotni kapacitet fizičkog tela.

Kako voda ima veliku specifičnu toplotu, teško se zagreva. Zagrejana voda sadrži veliku količinu toplote, što se nalazi veliku primenu u tehnici. Voda se upotrebljava kao nosilac toplote kod centralnog grejanja i u parnim kotlovima (generatorima pare).

Prenošenje toplote

Dva fizička tela koja imaju istu temperaturu su u toplotnoj ravnoteži. Tada između njih ne postoji transfer toplotne energije. Kada je jedno telo toplije (ima višu temperaturu), javlja se transfer toplotne energije od toplijeg ka hladnijem. Prema drugom zakonu termodinamike, prenos toplote sa hladnijeg tela na toplije nije moguće.

Prenos toplote se može izvršiti na tri moguća načina:

• kondukcijom kada su dva fizička tela u direktnom kontaktu
• konvekcijom kada se toplota prenosi preko nekog posrednika, npr. fluida koji strujanjem prenosi toplotu
• zračenjem kada se toplota prenosi između dva udaljena fizička tela bez posredstva nekog medijuma

Literatura

• Daintith, John (2005). Oxford Dictionary of Physics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-280628-4. 
• Adkins, C.J. (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics, (1st edition 1968), third edition 1983, Cambridge University Press, Cambridge UK, ISBN 0-521-25445-0.
• Atkins, P., de Paula, J. (1978/2010). Physical Chemistry, (first edition 1978), ninth edition 2010, Oxford University Press, Oxford UK, ISBN 978-0-19-954337-3.
• Bacon, F. (1620). Novum Organum Scientiarum, translated by Devey, J., P.F. Collier & Son, New York, 1902.
• Baierlein, R. (1999). Thermal Physics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-65838-6. 
• Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3.
• Born, M. (1949). Natural Philosophy of Cause and Chance, Oxford University Press, London.
• Bryan, G.H. (1907). Thermodynamics. An Introductory Treatise dealing mainly with First Principles and their Direct Applications, B.G. Teubner, Leipzig.
• Buchdahl, H.A. (1966). The Concepts of Classical Thermodynamics, Cambridge University Press, Cambridge UK.
• Callen, H.B. (1960/1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, (1st edition 1960) 2nd edition 1985, Wiley, New York, ISBN 0-471-86256-8.
• Carathéodory, C. (1909). „Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik”. Mathematische Annalen. 67 (3): 355—386. S2CID 118230148. doi:10.1007/BF01450409.  A translation may be found here. A mostly reliable translation is to be found at Kestin, J. (1976). The Second Law of Thermodynamics, Dowden, Hutchinson & Ross, Stroudsburg PA.
• Chandrasekhar, S. (1961). Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability, Oxford University Press, Oxford UK.
• Clark, J.O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN 978-0-7607-4616-5. 
• Clausius, R. (1854). Annalen der Physik (Poggendoff's Annalen), Dec. 1854, vol. xciii. p. 481; translated in the Journal de Mathematiques, vol. xx. Paris, 1855, and in the Philosophical Magazine, August 1856, s. 4. vol. xii, p. 81.
• Clausius, R. (1865/1867). The Mechanical Theory of Heat – with its Applications to the Steam Engine and to Physical Properties of Bodies, London: John van Voorst. 1867. Also the second edition translated into English by W.R. Browne (1879) here and here.
• De Groot, S.R., Mazur, P. (1962). Non-equilibrium Thermodynamics, North-Holland, Amsterdam. Reprinted (1984), Dover Publications Inc., New York, ISBN 0486647412.
• Denbigh, K. (1955/1981). The Principles of Chemical Equilibrium, Cambridge University Press, Cambridge ISBN 0-521-23682-7.
• Greven, A., Keller, G., Warnecke (editors) (2003). Entropy, Princeton University Press, Princeton NJ, ISBN 0-691-11338-6.
• Guggenheim, E.A. (1967) [1949], Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists (fifth izd.), Amsterdam: North-Holland Publishing Company. 
• Jensen, W.B. (2010). „Why Are q and Q Used to Symbolize Heat?” (PDF). J. Chem. Educ. 87 (11): 1142. Bibcode:2010JChEd..87.1142J. doi:10.1021/ed100769d. Arhivirano iz originala (PDF) 2. 4. 2015. g. Pristupljeno 23. 3. 2015. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• J.P. Joule (1884), The Scientific Papers of James Prescott Joule, The Physical Society of London, str. 274 , Lecture on Matter, Living Force, and Heat. 5 and 12 May 1847.
• Kittel, C. Kroemer, H. (1980). Thermal Physics, second edition, W.H. Freeman, San Francisco, ISBN 0-7167-1088-9.
• Kondepudi, D. (2008), Introduction to Modern Thermodynamics, Chichester UK: Wiley, ISBN 978-0-470-01598-8 
• Kondepudi, D., Prigogine, I. (1998). Modern Thermodynamics: From Heat Engines to Dissipative Structures, John Wiley & Sons, Chichester, ISBN 0-471-97393-9.
• Landau, L., Lifshitz, E.M. (1958/1969). Statistical Physics, volume 5 of Course of Theoretical Physics, translated from the Russian by J.B. Sykes, M.J. Kearsley, Pergamon, Oxford.
• Lebon, G., Jou, D., Casas-Vázquez, J. (2008). Understanding Non-equilibrium Thermodynamics: Foundations, Applications, Frontiers, Springer-Verlag, Berlin, e-ISBN 978-3-540-74252-4.
• Lieb, E.H., Yngvason, J. (2003). The Entropy of Classical Thermodynamics, Chapter 8 of Entropy, Greven, A., Keller, G., Warnecke (editors) (2003).
• Maxwell, J.C. (1871), Theory of Heat (first izd.), London: Longmans, Green and Co. 
• Partington, J.R. (1949), An Advanced Treatise on Physical Chemistry., 1, Fundamental Principles. The Properties of Gases, London: Longmans, Green and Co. 
• Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9. 
• Pippard, A.B. (1957/1966). Elements of Classical Thermodynamics for Advanced Students of Physics, original publication 1957, reprint 1966, Cambridge University Press, Cambridge.
• Planck, M., (1897/1903). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, first English edition, Longmans, Green and Co., London.
• Planck. M. (1914). The Theory of Heat Radiation, a translation by Masius, M. of the second German edition, P. Blakiston's Son & Co., Philadelphia.
• Planck, M., (1923/1927). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, third English edition, Longmans, Green and Co., London.
• Reif, F. (1965). Fundamentals of Statistical and Thermal Physics. New York: McGraw-Hlll, Inc. 
• Shavit, A., Gutfinger, C. (1995). Thermodynamics. From Concepts to Applications, Prentice Hall, London, ISBN 0-13-288267-1.
• Truesdell, C. (1969). Rational Thermodynamics: a Course of Lectures on Selected Topics, McGraw-Hill Book Company, New York.
• Truesdell, C. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics 1822–1854, Springer, New York, ISBN 0-387-90403-4.
• Beretta, G.P.; E.P. Gyftopoulos (1990). „What is heat?” (PDF). Education in Thermodynamics and Energy Systems. AES. 20. 
• Gyftopoulos, E.P., & Beretta, G.P. (1991). Thermodynamics: foundations and applications. (Dover Publications)
• Hatsopoulos, G.N., & Keenan, J.H. (1981). Principles of general thermodynamics. RE Krieger Publishing Company.

Spoljašnje veze

• Plasma heat at 2 gigakelvins – Article about extremely high temperature generated by scientists (Foxnews.com)
• Correlations for Convective Heat Transfer – ChE Online Resources