Wikipedista:Kychot/test/MedFyz

Termika (přednáška)

Přednáška o termice pro přípravný kurs fyziky – viz http://cs.wikiversity.org/wiki/MedFyz

Termika

= "nauka o teple a o teplotě"

• Termometrie = měření teploty, definování teplotních stupnic (teploměry) – Galileo Galilei 1597
• Kalorimetrie = určování tepelného obsahu, měření (tepla)
• Šíření tepla = jak se různé formy tepla šíří prostředím.
• Termodynamika – termodynamické systémy, vztah tepelných jevů k dalším oblastem fyziky a biofyziky
  • Rovnovážná termodynamika – systémy směřující k rovnovážnému stavu
    • Klasická termodynamika – makroskopické hledisko, fenomenologický popis
    • Statistická termodynamika – mikroskopické hledisko, kinetická teorie látek
  • Nerovnovážná termodynamika – systémy v nerovnovážném stavu, biologické systémy

Termometrie

Fyzikální veličiny

• extenzivní = veličiny množství, jsou aditivní (teplo)
• intenzivní = veličiny kvality, nejsou aditivní (teplota);
  lze je měřit pouze prostřednictvím jiných fyzikálních veličin
• protenzivní = veličiny času

Pojmy teplo a teplota rozlišil až skotský chemik Joseph Black (~1800)

Teploměry

• 
• 

• → změna hustoty kapaliny
• plynové
  • → objem plynu: termobaroskop: Galileo Galilei 1597; teploměry z Florencie nejlepší po celé 17. století
  • → tlak plynu: Guillaume Amontons 1695: konstrukce barometrů, vlhkoměrů a teploměrů: tlakový plynový teploměr
• kapalinové → objem kapaliny:
  • 1631 ? francouzský lékař Jean Rey (voda)
  • 1641 Ferdinand II. (líh)
  • Gabriel Daniel Fahrenheit: vyráběl lihové teploměry, 1717 rtuťové
• parní → tlak (tenze) nasycených par
• bimetalové → rozdílá délková roztažnost dvou kovů
• odporové → teplotní závislost měrného elektrického odporu
• termoelektrické → vznik elektrického napětí na termočlánku
• termistorové → změna vodivosti PN přechodu polovodiče
• radiační → spektrum infračerveného záření tělesa; termovize
• kapalné krystaly → barevné změny kapalných krystalů

Teplotní stupnice

• zpočátku: žádná stupnice (termoskop)
• později mnoho různých stupnic:
  • každý teploměr má svůj průběh stupnice
  • mnoho teplotních bodů, mezi nimi interpolace
  • dva teplotní body, lineární interpolace a extrapolace
  • jeden teplotní bod a definovaný přírůstek (tj. derivace v bodě)
• termodynamická stupnice = bez ohledu na druh teploměru

Jednotka "stupeň"

• úhlový stupeň
• různé další veličiny: cukernatost, stupňovitost piva atd.
• 1 teplotní stupeň
• teplotní rozdíl ∆ 1° = 1 deg (už se moc neužívá)
• jednotka teploty může znamenat absolutní teplotu, ale i rozdíl teplot

Teplotní stupně dle vynálezců

• °F Gabriel Daniel Fahrenheit, zač. 18. stol
  • 1709 V Gdaňsku nejnižší teplota 0 °F; později (1724) směs choridu amonného, vody a ledu
  • 96 °F = teplota lidského těla
• °R 1730 René Réaumur
  • 0° R = bod mrazu (rovnovážná směs ledu a vody)
  • ∆ 1° R ≙ zvětšení objemu 80% lihu o 1/1000 → tání ledu = 0°R. var vody 80°R
• °C 1724 švédský astronom Anders Celsius:
  • tání ledu 100°, var vody 0°
  • později to někdo (Carl von Linné anebo jeho žák Martin Strömer obrátil), takže dnes:
  • tání ledu 0° C, var vody 100° C
• °K skotský matematik a fyzik William Thomson → 1892 Lord Kelvin
  • 0 °K = teplota absolutní nuly
  • ∆ 1 °K = ∆ 1 °C

Soustava SI

• za základ termodynamické stupnice posloužil stupeň Kelvina
• definice:
  • 0 K = teplota absolutní nuly
  • 273,16 K = teplota trojného bodu vody (tj. rovnovážný stav, při tlaku 610,6 Pa) = 0.01 °C

Převody teplotních stupnic

• K je teplota v kelvinech
• C je teplota ve stupních Celsia
• R je teplota ve stupních Réamura
• F je teplota ve stupních Fahrenheita

°C

• 0°C = 273,15 K
• ∆ 1 K = ∆ 1 °C

°R

• 0 °R = bod marazu = 0 °C
• 80 °R = bod varu vody při normálním tlaku = 100 °C

$K={\frac {5}{4}}\cdot R+273{,}15$

$R={\frac {4(K-273{,}15)}{5}}$

°F

32 °F = bod marazu = 0 °C, 212 °F bod varu vody = 100 °C

$K={\frac {5(F+459{,}67)}{9}}$

$F={\frac {9K}{5}}-459{,}67$

Kalorimetrie

• stará představa: tepelné fluidum = calorikum
• čím více obsahuje těleso calorika, tím má vyšší teplotu, obsahuje více tepla
• to je hlavní důvod, proč se dlouho nerozlišovalo mezi teplem a teplotou
• kupodivu tento jednoduchý model v praxi často funguje

Příklad

Kolik litrů studené a horké vody (10°C a 70°C) musíme smíchat, abychom dostali 120 l vlažné vody 30°C?

Můžeme počítat stejně, jako by se jednalo o roztok nějaké chemické látky (v našem případě "calorika"), např. křížovým pravidlem:

• 70 - 30 = 40 = 2 díly → 80 l vody 10 °C
• 30 - 10 = 20 = 1 díl → 40 l vody 70 °C

Specifické teplo

Výše uvedený příklad by selhal, kdybychom míchali různé látky, např. různě teplou vodu a líh – mají různě velké specifické teplo.

měrná tepelná kapacita c (= specifické teplo) = množství tepla, kterým se ohřeje jednotkové množství látky (tj. 1 kg) o 1 K.

Z toho dříve odvozena jednotka tepla:

• "malá kalorie": 1 kalorie = 1 cal = množství tepla, kterým se ohřeje 1 g vody o 1 °C.
• "velká kalorie": 1 kilokalorie = 1 kcal = množství tepla, kterým se ohřeje 1 kg vody o 1 °C.

Teplo

Soustava SI: Teplo je forma energie, tudíž základní jednotky jsou stejné: 1 joule = 1 J.

Příklad

Měrné teplo vody je 4 184 J K^-1 kg^-1(kapalina při 20 °C). Jaký je převodní vztah mezi jednotkami cal a J ?

Tepelná kapacita

Vidíme, že různě velká množství vody pojmou různě velké množství tepla, které se opět uvolní, když se dané množství vody ochladí o 1 K. A to platí i pro různá tělesa:

tepelná kapacita C = množství tepla, které těleso pojme při zvýšení teploty o 1 K

• C ∼ hmotnosti tělesa m
• C ∼ měrné tepelné kapacitě c
• → C = m . c

Šíření tepla

• kondukce = vedení
• konvekce = proudění
• radiace = vyzařování

Ochlazování: to samo, k tomu ještě:

• evaporace = odpařování

šíření tepla = šíření energie prostorem v průběhu času (tok energie)

jednotka: W . m>sup>-2

Teplo se ztrácí povrchem těles – přestupuje z teplejších těles na chladnější.

Stavová rovnice ideálního plynu

p . V =  n . R . T

Termodynamické izoprocesy (děje):

• izotermický: T = konst
• izochorický: V = konst
• izobarický: p = konst

Stavová rovnice vznikla sloučením tří zákonů:

• izotermický děj: Boyleův-Mariottův: pV = konst
• izobarický děj: Gay-Lussacův zákon: V / T = konst
• izochorický děj: Charlesův zákon: p / T = konst