Teplo a měrná tepelná kapacita

Teplo

Teplo je fyzikální veličina (značená Q) udávající energii, kterou si vyměňují tělesa o různých teplotách. Teplo se přenáší vždy z teplejšího tělesa na chladnější, např. horký sporák předá teplo hrnci, lžička ponořená do horké tekutiny se také rozpálí. V obou případech teplejší těleso odevzdá část svého tepla chladnějšímu, čímž ho zahřeje. Stejně jako energii a práci měříme teplo v joulech (J).

Měrná tepelná kapacita látky

Pokud dvě tělesa z různých látek o stejné hmotnosti přijmou stejné teplo, jejich teplota se zvedne. Ne však o stejnou hodnotu, neboť každá látka se zahřívá/ochlazuje s jinou "ochotou". Množství tepla, které musíme dodat/odebrat homogennímu tělesu (tělesu z jedné látky), aby se ochladilo/zahřálo o jeden stupeň, označujeme jako tepelná kapacita C. Jednotkou je J/°C nebo J/K (píšeme také J×°C⁻¹ nebo J×K⁻¹).

Δt je rozdíl teplot, tj. o kolik stupňů se zvedla teplota tělesa.

Aby byly výpočty jednodušší a také z důvodu, že každá látka se zahřívá jinak, zavádí se veličina měrná tepelná kapacita c. Měrná proto, že udává, kolik joulů tepla musíme dodat/odebrat 1 kilogramu dané látky, aby se ohřála/ochladila o jeden stupeň.

Její jednotkou je ${kJ}/{kg×°C}$ nebo ${kJ}/{kg×K}$, kde K je Kelvinův stupeň. Zapisujeme také kJ×kg⁻¹×°C⁻¹ a kJ×kg⁻¹×K⁻¹.

Měrnou tepelnou kapacitu jednotlivých látek lze najít v tabulkách. Měrná tepelná kapacita pevných a kapalných látek se také mění s teplotou, proto v tabulkách MFChT najdeme hodnoty při pokojové teplotě. Též u výpočtů pracujeme pro zjednodušení jenom s jednou hodnotou pro danou látku. U plynů a par dokonce měrná tepelná kapacita závisí nejen na teplotě, ale také na tlaku a dalších podmínkách. Obecně pro všechny látky platí, že s klesající teplotou se měrná tepelná kapacita zmenšuje a při teplotách blízkých absolutní nule má velmi malou hodnotu (tj. teplota látky při zahřívání stoupá rychle).

U výpočtů nás nejčastěji bude zajímat, kolik tepla Q potřebujeme dodat, abychom mohli určité množství nějaké látky ohřát:

Příklad: Kolik tepla musíme dodat 5 litrům vody, aby se ohřály z 20 °C na 50 °C? Víme, že litr vody váží jeden kilogram. Měrná tepelná kapacita vody je 4.18 kJ×kg⁻¹×°C⁻¹ (při výpočtech někdy používáme hodnotu 4.2).

Rozdíl teplot Δt.... 50−20=30 °C
Hmotnost m.... 5 kg
Měrná tepelná kapacita c.... 4.18 kJ×kg⁻¹×°C⁻¹

Voda musí přijmout teplo 627 kJ.

Pozor, tyto vzorce výpočtů platí jenom, pokud zahříváme/ochlazujeme látku v rámci jednoho skupenství. Jestliže by mělo docházet kromě zahřívání i ke změně skupenství (např. var a tání), používáme jiné veličiny a vzorce. Graf dole ukazuje, jak se teplota látky mění s rostoucím množstvím dodávaného tepla. Jak můžeme vidět, při změnách skupenství se růst teploty látky zastavuje.

Z běžně známých látek má největší měrnou tepelnou kapacitu právě voda. Proto se voda zahřívá dlouho, např. v bazénu, ale také vydrží docela dlouho teplá. Z tohoto důvodu se používá k chlazení motorů a jaderných reaktorů nebo slouží k přenosu energie např. v radiátorech. Její vysoká tepelná kapacita a dobrá dostupnost/nízká cena z ní činí vhodné chladící/teplonosné médium. Ale pozor, vodní pára a led mají poloviční měrnou tepelnou kapacitu než voda (2.09 kJ×kg⁻¹×°C⁻¹), ačkoli se jedná o stejnou látku. Příčina této další vodní anomálie je zatím neznámá.

Kalorimetr

Zahříváme-li vodu na sporáku, dochází k velkým tepelným ztrátám. Část tepla se odevzdá hrnci, část vzduchu, část okolí plotýnky. Pro fyzikální experimenty se proto používá kalorimetr, což je laboratorní zařízení zaizolované natolik, že ztráty při výměně tepla u vložených těles jsou naprosto minimální. Obvykle je to nádoba s dvojitou, tepelně zaizolovanou stěnou a víčkem, aby teplo neunikalo do vnějšího prostředí. Pozor, názvem kalorimetr se také označují měřiče tepla (ne teploty).

Jouleův pokus

Anglický fyzik James Prescott Joule v roce 1845 prováděl pokusy, kterými se snažil prokázat, že mezi prací a teplem existuje souvislost. Na základě pozorování zjistil, že při vykonávání práce, (např. vrtání) dochází také k zahřívání. Joule proto do zaizolované nádoby s vodou vložil soustavu lopatek. Ty se otáčely ve vodě - vykonávaly práci. Množství vložené energie měřil Joule pomocí závaží, které svým poklesem soustavu roztáčelo. Na teploměru pozoroval, o kolik narostla teplota, a tak vypočítal, že měrná tepelná kapacita vody je 4180 J×kg⁻¹×K⁻¹. Joule experimentem prokázal, že práci lze přeměnit na teplo/vnitřní energii. Po Jouleovi byla následně pojmenovaná jednotka joule (jednotka nejen tepla, ale také energie a práce).