Wiemy, że materia składa się z maleńkich cząstek zwanych atomami i cząsteczkami. Cząsteczki mogą swobodnie istnieć w przyrodzie i posiadać wszystkie właściwości materii. Cząsteczki są w ruchu i mają między sobą siłę przyciągania. Dzięki ruchowi cząsteczki mają energię kinetyczną, a dzięki sile przyciągania mają energię potencjalną. Kiedy substancja jest podgrzewana (lub gdy substancja pochłania ciepło), cząsteczki zaczynają wibrować szybciej, więc energia kinetyczna wzrasta. Gdy substancja ochładza się, ruch cząsteczek zwalnia, a tym samym maleje energia kinetyczna. Całkowita energia kinetyczna cząsteczek substancji nazywana jest jej wewnętrzną energią kinetyczną, a całkowita energia potencjalna cząsteczek nazywana jest jej wewnętrzną energią potencjalną. Suma wewnętrznej energii kinetycznej i wewnętrznej energii potencjalnej nazywana jest całkowitą energią wewnętrzną lub energią cieplną substancji. Jest mierzony w jednostkach dżul.
Na tej lekcji nauczymy się:
Kiedy dwa ciała o różnych temperaturach pozostają w kontakcie, ciepło przepływa od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze . Średnia energia kinetyczna substancji jest miarą temperatury ciała. Gdy następuje wzrost średniej energii kinetycznej cząsteczek substancji, jej temperatura wzrasta, a jeśli następuje spadek średniej energii kinetycznej cząsteczek substancji, jej temperatura spada.
Trzymaj patelnię na ogniu. Patelnia szybko się nagrzewa, ponieważ ciepło przechodzi z płomienia na patelnię. Teraz zdejmij patelnię z ognia. Stopniowo patelnia ostygnie, ponieważ ciepło jest przenoszone z patelni do otoczenia. W obu przypadkach ciepło przepływa od cieplejszego obiektu do zimniejszego.
Eksperyment 1: Powiedzmy, że mamy dwa obiekty. Przedmiot A ma temperaturę 100 o C, a przedmiot B ma temperaturę 10 o C. Utrzymuj oba przedmioty w kontakcie ze sobą.
Wynik: Ciepło będzie się przenosić z obiektu A do obiektu B, aż temperatura w obu obiektach będzie taka sama. Załóżmy, że temperatura obiektu A spada do 50 o C, a temperatura zimnego obiektu B wzrasta do 50 o C. Ten stan jest znany jako równowaga termiczna. W stanie równowagi termicznej energia cieplna jest nadal przenoszona między tymi dwoma obiektami, ale przepływ netto energii cieplnej wynosi zero.
Eksperyment 2: Podgrzej wodę w małym rondlu. Po pięciu minutach spróbuj przytrzymać patelnię za uchwyt, aby zdjąć ją z ognia. Jak myślisz, co stanie się z twoimi rękami? Od razu zdejmiesz rękę ze stalowej rękojeści. 
Twoja ręka poczuje ciepło patelni. Powodem jest to, że część energii cieplnej jest przekazywana z patelni do dłoni. Ciepło przenosi się z gorącego przedmiotu na zimny przedmiot, jeśli istnieje między nimi kontakt. W fizyce mówimy, że przenoszenie ciepła wymaga medium. Przewodnictwo cieplne to ruch ciepła z jednego obiektu do drugiego, który ma inną temperaturę, gdy się stykają. W ciałach stałych na ogół ciepło jest przenoszone w procesie przewodzenia.
Przykłady:
Przewodniki i izolatory
Czy wszystkie substancje łatwo przewodzą ciepło? Na pewno zauważyłeś, że metalowa patelnia do gotowania ma plastikowy lub drewniany uchwyt. Możesz podnieść gorącą patelnię, trzymając ją za uchwyt, bez zranienia. Powodem jest to, że różne przedmioty przewodzą różne ilości energii cieplnej ze względu na charakter materiału, z którego są wykonane.
Eksperyment 3:
Podgrzej wodę w małym rondelku lub zlewce. Zbierz kilka artykułów, takich jak stalowa łyżka, plastikowa waga, ołówek i przekładka. Zanurz jeden koniec każdego z tych artykułów w gorącej wodzie. Poczekaj kilka minut, a następnie wyjmij te artykuły jeden po drugim, dotykając zanurzonego końca. Wpisz swoją obserwację do tabeli:
| Artykuł | Zrobione z | Czy drugi koniec się nagrzewa T/N? |
| Łyżka stalowa | Metal | Y |
| Rozdzielacz | Metal | Y |
| Skala | Plastikowy | N |
| Ołówek | Drewno | N |
Materiałem, który umożliwia łatwe przenikanie ciepła, są przewodniki ciepła. Na przykład żelazo, stal, aluminium, miedź. Materiały, które nie przepuszczają łatwo ciepła, są słabymi przewodnikami ciepła, takimi jak tworzywa sztuczne i drewno. Słabe przewodniki są znane jako izolatory.
Woda i powietrze są słabymi przewodnikami ciepła. Jak zatem zachodzi wymiana ciepła w tych substancjach? Pozwól nam się dowiedzieć!
Eksperyment 4: Umieść dłoń nieco nad ogniem. Bądź ostrożny. Trzymaj ręce w bezpiecznej odległości od płomienia, aby się nie oparzyły.
Wynik: Poczujesz żar ognia. Do tej pory nauczyliśmy się, że ciepło przenosi się między przedmiotami, gdy się ze sobą stykają, więc co powoduje, że nasze ręce czują ciepło ognia, nie dotykając go? Powód: Cząsteczki płynów (cieczy i gazów) posiadają energię kinetyczną, a jak wiemy energia kinetyczna gazu zależy od energii cieplnej lub temperatury. Cząsteczki gazu, które stykają się z ogniem, pochłaniają energię cieplną z ognia, w wyniku czego energia kinetyczna cząsteczek gazu wzrasta, więc unoszą się i uderzają w rękę. Ręce pochłaniają energię cieplną z tych cząsteczek i czujesz się gorąco.
Zobaczmy teraz, jak zachodzi wymiana ciepła w przypadku cieczy:
Eksperyment 5: Weź zlewkę, napełnij ją wodą i umieść nad płomieniem.
Wynik: Gdy woda jest podgrzewana, woda w pobliżu płomienia nagrzewa się. Gorąca woda unosi się, gdy cząsteczki wody stają się mniej gęste, ponieważ pochłaniają energię cieplną. Zimna woda z boków przesuwa się w dół w kierunku źródła ciepła. Ta woda również się nagrzewa i unosi, a woda z boków opada. Proces ten trwa do momentu ogrzania całej wody.
Ten sposób przenoszenia ciepła w wyniku masowego ruchu płynów jest znany jako konwekcja.
Przykłady:
Kiedy wychodzimy na słońce, jest nam ciepło. Jak dociera do nas ciepło ze słońca? Nie może do nas dotrzeć przez przewodzenie lub konwekcję, ponieważ w większości obszarów między Ziemią a Słońcem nie ma ośrodka takiego jak powietrze. Ze słońca ciepło dociera do nas w innym procesie zwanym promieniowaniem . Przenoszenie ciepła przez promieniowanie nie wymaga żadnego medium. Może mieć miejsce niezależnie od tego, czy medium jest obecne, czy nie.
Każdy przedmiot emituje ciepło. Nasze ciało również oddaje ciepło otoczeniu i odbiera je przez promieniowanie. Kiedy to ciepło pada na jakiś przedmiot, część tego ciepła jest odbijana, część pochłaniana, a część może być przekazywana. Temperatura obiektu wzrasta z powodu pochłoniętej części ciepła.
Eksperyment 6: Weź dwa identyczne metalowe pojemniki, jeden w kolorze czarnym, a drugi w kolorze białym. Wlej równe ilości wody do każdego i pozostaw je w południowym słońcu na około godzinę.
Wynik: Zmierz temperaturę wody w obu pojemnikach. Temperatura wody w czarnym pojemniku jest wyższa niż w białym pojemniku. Czarne obiekty są dobrymi pochłaniaczami promieniowania, podczas gdy białe obiekty są złymi pochłaniaczami lub dobrymi reflektorami promieniowania.
Przykłady:
