Teplo
História skúmania tepla, predstavy o teple
Fyzici, ktorí sa v histórii zaoberali skúmaním a meraním tepelných javov, spočiatku dobre nerozlišovali medzi teplom a teplotou. Neustále si však kládli otázku – čo vlastne meria teplomer? Francúz Guillaume Amontons (1663 – 1705), ktorý sa zaoberal meraním teploty a zostrojil jeden druh teplomera, už v 17. storočí tvrdil, že teplomer neudáva množstvo tepla, ale stupeň zohriatia telesa. Teplomer udáva akýsi okamžitý „vnútorný“ stav telesa. Dnes túto teóriu považujeme za správnu, hoci vtedy ju odborný svet neprijal.
Odpoveď na otázku, čo je to teplo, sa vyvíjala postupne. Spočiatku sa myslelo, že teplo a chlad sú dve rozdiene látky, ktoré sa navzájom obmieňajú. Dnes vieme, že toto nebola správna teória a že chlad je len nedostatok tepla. Neskôr vznikla teória, že teplo je jemná, nevážiteľná, neviditeľná, pružná tekutina zvaná calorikum (podľa toho je dnes pomenovaná jedna z jednotiek tepla - kalória), ktorá preniká všetkými možnými druhmi hmoty a drží sa v medzerách medzi časticami. Táto teória dokázala podať uspokojivé vysvetlenie na niektoré tepelné javy (napríklad prečo sa jedno teleso dokáže zohriať od druhého).
Avšak Benjamin Thomson (neskoršie zvaný gróf Rumford) urobil pokus, ktorý dokazoval neexistenciu calorika. Robil ho v mníchovských delostreleckých dielňach, kde vŕtal delové hlavne tupými oceľovými nebožiecmi. Hlavne sa rozžeravili dočervena a po určitom čase začala vrieť voda použitá na ich chladenie. Ak by v dôsledku vŕtania unikalo z delovej hlavne calorikum, musela by sa jeho zásoba napokon vyčerpať. Ale to sa nestalo ani po týždňoch. Rumord teda dospel k záveru, že teplo je pohyb a nie látka. Charakterizoval ho ako určitý spôsob pohybu častíc, ktorý závisí od teploty, a preto mu hovoríme tepelný pohyb.
Čo je to teplo
Teplo je osobitný spôsob prenosu vnútornej energie medzi telesami, ktorého podstatou nie je práca (čiže keď plynu v balóne dodávame energiu stláčaním, konáme prácu, a ak sa aj v dôsledku toho zvýši teplota plynu, my sme žiadne teplo nepreniesli) ani chemická práca. Treba poznamenať, že teplo je len prenos energie zabezpečený pohybom častíc, nie energia samotná. Nemôžeme teda povedať, ž nejaké teleso ,,má teplo", ale len to, že nejaké teplo odovzdalo alebo prijalo.
Šírenie (výmena) tepla
Teplo sa dokáže vymieňať (šíriť) medzi telesami. Druhý zákon termodynamiky hovorí, že teplo prechádza z teplejšieho telesa na chladnejšie (čiže teplejšie teleso odovzdáva teplo chladnejšiemu), nikdy nie naopak. Teplo sa dokáže šíriť 3 rôznymi spôsobmi: vedením, prúdením a žiarením (sálaním).
Vedenie tepla funguje tak, že atómy v časti telesa s vyššou teplotou rýchlejšie kmitajú a tak narážajú do atómov časti telesa s nižšou teplotou. Tým časť svojej energie odovzdajú a kmitajú pomalšie ako predtým, ale atómy, ktoré energiu prijali, kmitajú rýchlejšie ako predtým. Kmitaním sa energia šíri do celého telesa, až dokiaľ sa teploty nevyrovnajú. Vedenie tepla nastáva aj medzi telesami, ktoré sa dotýkajú. Teplejšie teleso odovzdáva teplo chladnejšiemu, až dokiaľ sa teploty nevyrovnajú. Niektoré látky (predovšetkým kovy) vedú teplo veľmi dobre, a preto im hovoríme tepelné vodiče. Niektoré látky (drevo, sklo, plasty, vzduch) vedú teplo zle, a preto im hovoríme tepelné izolanty. Nádoba obložená izolantom (ktorý zabezpečuje čo najmenší únik tepla z nej) sa nazýva kalorimeter. Kalorimeter vo fyzike používame na pokusy s teplom. Príkladom kalorimetra je termoska.
Prúdením sa teplo šíry v tekutinách, čiže v kvapalinách a plynoch. Príkladom je prúdenie vody z kotla ústredného kúrenia do radiátorov. V menších domoch sa môže využiť samovoľné prúdenie (teplá tekutina vďaka menšej hustote stúpa hore a studená klesá dole), ale pri dopravovaní teplej vody do väčšieho počtu radiátorov je potrebné použiť čerpadlo. Ak zmiešame rovnaké množstvo dvoch rovnakých kvapalín s rôznou teplotou, výsledná teplota sa bude približne rovnať aritmetickému priemeru teplôt pôvodných kvapalín. Len približne preto, lebo časť tepla unikne do okolia, a teda výsledná teplota bude trochu nižšia. Ak chceme zistiť výslednú teplotu po zmiešaní rôzneho množstva kvapalín, môžeme využiť tzv. zmiešavaciu rovnicu, ktorú rozoberám aj v príspevku Lineárne rovnice a slovné úlohy riešené pomocou nich.
Teplo sa dokáže šíriť aj žiarením. Na šírenie tepla žiarením nie je potrebné žiadne médium, takýmto spôsobom sa dokáže šíriť aj vo vákuu. Žiarením sa k nám teplo šíri zo slnka, keďže medzi ním a Zemou je vákuum. Slnko k nám vyžaruje tri druhy žiarenia viditeľné (ktoré vidíme ako klasické svetlo, tvorí 48% slnečného žiarenia), infračervené (ktoré pociťujeme ako teplo, tvorí 45% slnečného žiarenia) a ultrafialové (ktoré spôsobuje zhnednutie pokožky - opálenie, v nadmernej dávke môže poškodiť pokožku, oči a vyvolať rakovinu, tvorí 7% slnečného žiarenia). O viditeľnom svetle sa učí v 8. ročníku, o ultrafialovom a infračervenom žiarení až na strednej škole.
Teplo ako fyzikálna veličina a výpočet tepla
Teplo je fyzikálna veličina so značkou Q a jednotokou Joule [džaul], značka joulu je J.
Pokúsme sa odvodiť, ako teplo vypočítať: Zo skúseností vieme, že čím väčšie množstvo látky potrebujeme zohriať, tým viac energie spotrebujeme. Množstvo látky si nemôžeme vyjadriť objemom, lebo ten sa s teplotou mení, a tak si ho vyjadríme hmotnosťou (m). Ďalej vieme, že minieme tým viac energie, čím viac potrebujeme látku zohriať a to si vyjadríme teplotným rozdielom resp. teplotnou zmenou (Δt).
Každá látka však na zohriatie istého svojho množstva o istú teplotu potrebuje iné množstvo tepla. Táto vlastnosť látok je fyzikálna veličina s názvom hmotnostná tepelná kapacita, jej značka je c a jednotka J/kg•°C resp. J•kg-1•°C-1 (joule na kilogram krát stupeň celzia). Hodnoty hmotnostnej tepelnej kapacity daných látok vieme nájsť v tabuľkách.
Vzorec na výpočet tepla teda je Q=m•c•Δt.
Energetická hodnota potravín
Všetko živé pre zachovanie činností ako je rast, pohyb, či udržiavanie telesnej teploty, si vyžaduje energiu. Niektoré rastliny a živočíchy sú zdrojom potravy pre ľudí, sú teda pre nich zdrojom energie. Je niekoľko metód, ktorými sa dá zistiť energetická hodnota potravín. Laboratórnymi metódami vieme zistiť množstvo energie v potravine tým, že ju spálime a vyprodukované teplo udáva jej energetickú hodnotu. Množstvo energie obsiahnutej v potravinách sa udáva jouloch resp. kilojouloch (J, kJ) alebo aj v starších jednotkách kalóriách resp. kilokalóriách (cal, kcal). Väčšinou sa udáva na 100 gramov (čiže akú energetickú hodnotu má 100g danej potraviny).
Čo vyjadruje staršia jednotka kalória? Je definovaná ako množstvo energie potrebnej na 1g vody zo 14,5°C na 15,5°C (nestačí napísať len že o 1°C, lebo s teplotou sa aj hmotnostná tepelná kapacita mierne mení). Jedna kalória je približne 4,185J.