William Moebs; Samuel J. Ling; Jeff Sanny

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 $\prefop{\Delta} Q = mc\prefop{\Delta}T$ , gdzie $m$ to masa ciała, a $c$ 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 $P$ (energia na jednostkę czasu) jest proporcjonalna do różnicy temperatur $T_{c} - T_{z}$ i pola powierzchni kontaktu ciał $S$ , a odwrotnie proporcjonalna do odległości $d$ 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 $e$ . Dla ciała doskonale czarnego $e = 1$ , a dla ciała doskonale białego, przezroczystego lub odbijającego promieniowanie $e = 0$ . W przypadku realnych ciał fizycznych wartości $e$ zawarte są w przedziale pomiędzy 0 a 1.
Szybkość przepływu ciepła przez promieniowanie zależy od pola powierzchni i czwartej potęgi temperatury bezwzględnej
$P = σ S e T^{4},$
gdzie $σ = 5,67 \cdot 10^{- 8} J ∕ (s m^{2} K^{4})$ jest stałą Stefana-Boltzmanna, a $e$ jest zdolnością emisyjną ciała. Wypadkowa szybkość wymiany ciepła z ciała przez promieniowanie wyrażona jest wzorem
$P_{\text{wyp}} = \frac{Q_{\text{wyp}}}{t} = \sigma e S (T_2^4 - T_1^4) \text{,}$
gdzie $T_{1}$ jest temperaturą ciała znajdującego się w otoczeniu o jednorodnej temperaturze $T_{2}$ , a $e$ jest zdolnością emisyjną tego ciała.