Podsumowanie
1.1 Temperatura i równowaga termiczna
- Temperatura zdefiniowana jest operacyjnie jako wielkość mierzona za pomocą termometru. Jest proporcjonalna do średniej energii kinetycznej atomów i cząsteczek w układzie.
- Równowaga termiczna występuje, gdy dwa ciała stykają się ze sobą i mogą swobodnie wymieniać energię między sobą. Układy są w równowadze termicznej wtedy, gdy mają tę samą temperaturę.
- Zerowa zasada termodynamiki mówi, że gdy dwa układy: A i B, są w równowadze termicznej ze sobą, a B jest w równowadze termicznej z trzecim układem C, to A jest także w równowadze termicznej z C.
1.2 Termometry i skale temperatur
- Trzy przykładowe typy termometrów to: alkoholowy, ciekłokrystaliczny oraz czuły na podczerwień (pirometr).
- Trzy główne skale temperatury to: Celsjusza, Fahrenheita i Kelvina. Można przeliczać wartości temperatury z jednej skali na inną za pomocą odpowiednich równań.
- Trzy fazy wody (lód, woda w stanie ciekłym i para wodna) mogą współistnieć w jednej temperaturze i przy jednym ciśnieniu w tzw. punkcie potrójnym.
1.3 Rozszerzalność cieplna
- Rozszerzalność cieplna polega na zwiększeniu rozmiarów (długości, powierzchni czy objętości) ciała na skutek zmiany jego temperatury. Przez pojęcie kurczenia cieplnego rozumiemy zmniejszenie rozmiaru wywołane zmianą temperatury, zazwyczaj jej spadkiem.
- Naprężenie cieplne powstaje, gdy ciało nie może swobodnie się rozszerzać bądź kurczyć na skutek jakiegoś ograniczenia przestrzeni, w której się znajduje.
1.4 Przekazywanie ciepła, ciepło właściwe i kalorymetria
- Ciepło i praca są dwiema różnymi metodami przekazywania energii.
- Ilość ciepła przekazanego do lub z ciała, gdy zmienia się jego temperatura, można opisać równaniem , gdzie to masa ciała, a to jego ciepło właściwe.
1.5 Przemiany fazowe
- Większość substancji ma trzy różne fazy – stany skupienia (w normalnych warunkach na Ziemi); zależą one od temperatury i ciśnienia.
- Istnieje zbiór wartości ciśnienia i odpowiadających im wartości temperatury, dla których dwie fazy mogą współistnieć (to znaczy znajdować się w równowadze cieplnej).
- Zmiany fazy pojawiają się przy pewnych stałych wartościach temperatury i odpowiadających im wartościach ciśnienia. Nazywamy je temperaturami wrzenia, zamarzania (lub topnienia) i sublimacji.
1.6 Mechanizmy przekazywania ciepła
- Istnieją trzy mechanizmy wymiany ciepła: przewodnictwo, konwekcja i promieniowanie.
- Przewodnictwo cieplne jest to wymiana ciepła pomiędzy dwoma ciałami będącymi w bezpośrednim kontakcie.
- Szybkość wymiany ciepła przez przewodnictwo (energia na jednostkę czasu) jest proporcjonalna do różnicy temperatur i pola powierzchni kontaktu ciał , a odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy nimi.
- Konwekcja jest to wymiana ciepła przez makroskopowy ruch materii. Konwekcja może być naturalna lub wymuszona i generalnie przekazuje energię cieplną szybciej niż przewodnictwo cieplne. Konwekcja, która występuje razem ze zmianą fazy, może przekazywać energię z zimnych obszarów do ciepłych.
- Promieniowanie jest to wymiana ciepła poprzez emisję i absorpcję fal elektromagnetycznych.
- Szybkość wymiany ciepła przez promieniowanie jest proporcjonalna do zdolności emisyjnej . Dla ciała doskonale czarnego , a dla ciała doskonale białego, przezroczystego lub odbijającego promieniowanie . W przypadku realnych ciał fizycznych wartości zawarte są w przedziale pomiędzy 0 a 1.
- Szybkość przepływu ciepła przez promieniowanie zależy od pola powierzchni i czwartej potęgi temperatury bezwzględnej gdzie jest stałą Stefana-Boltzmanna, a jest zdolnością emisyjną ciała. Wypadkowa szybkość wymiany ciepła z ciała przez promieniowanie wyrażona jest wzorem gdzie jest temperaturą ciała znajdującego się w otoczeniu o jednorodnej temperaturze , a jest zdolnością emisyjną tego ciała.