Materija, tvar od koje se sastoje svi fizički objekti, pokazuje niz toplinskih svojstava koja su ključna za razumijevanje svijeta oko nas. Ova svojstva - kao što su temperatura, toplina i toplinsko širenje - regulirana su principima prijenosa energije i zakonima fizike.
Temperatura je mjera prosječne kinetičke energije čestica u tvari, koja se često mjeri u stupnjevima Celzija (°C), Fahrenheita (°F) ili Kelvina (K). Toplina je, s druge strane, oblik prijenosa energije između dva objekta ili sustava zbog temperaturne razlike. Jedinica za toplinu u Međunarodnom sustavu jedinica (SI) je džul (J). Odnos između topline ( \(Q\) ), mase ( \(m\) ), specifičnog toplinskog kapaciteta ( \(c\) ) i promjene temperature ( \(\Delta T\) ) opisan je jednadžbom: \(Q = mc\Delta T\) Specifični toplinski kapacitet je mjera količine toplinske energije potrebne da se temperatura jednog kilograma tvari promijeni za jedan stupanj Celzijusa.
Kada se materijali zagrijavaju, obično se šire. Ovaj fenomen je poznat kao toplinska ekspanzija i može se uočiti u čvrstim tvarima, tekućinama i plinovima. Do toplinskog širenja dolazi jer povećanje temperature rezultira povećanjem kinetičke energije čestica, uzrokujući njihovo razmicanje. Opseg toplinskog širenja može se opisati koeficijentom linearnog širenja ( \(\alpha\) ), za čvrste tvari, koji pokazuje promjenu duljine ( \(\Delta L\) ) po jedinici duljine ( \(L\) ) po stupnju promjene temperature ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) Za tekućine i plinove, ekspanzija volumena je relevantnija od linearne ekspanzije, a opisuje se koeficijentom volumetrijskog širenja.
Fazne promjene su transformacije između čvrste, tekuće i plinovite faze tvari i uključuju apsorpciju ili oslobađanje energije bez promjene temperature. Glavne vrste faznih promjena uključuju taljenje, smrzavanje, isparavanje, kondenzaciju, sublimaciju i taloženje. Toplina povezana s promjenom faze poznata je kao latentna toplina. Na primjer, energija potrebna za pretvaranje 1 kg leda u vodu bez promjene temperature naziva se latentna toplina taljenja ( \(L f\) ), dok se energija potrebna za pretvaranje 1 kg vode u paru bez promjene temperature naziva latentna toplina isparavanja ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) za taljenje ili smrzavanje, \(Q = mL_v\) za isparavanje ili kondenzaciju.
Toplinska energija može se prenositi kroz materiju kondukcijom, konvekcijom i zračenjem. Kondukcija je prijenos topline između tvari koje su u međusobnom izravnom dodiru. Toplinska vodljivost ( \(k\) ) materijala je mjera njegove sposobnosti provođenja topline. Fourierov zakon toplinske vodljivosti pokazuje odnos između brzine prijenosa topline ( \(Q/t\) ), toplinske vodljivosti ( \(k\) ), površine ( \(A\) ), temperaturnog gradijenta ( \(\Delta T/L\) ), a debljina materijala ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) Konvekcija je prijenos topline kretanjem tekućina (tekućina ili plinova) ) uzrokovan temperaturnim razlikama. Uključuje masovno kretanje tekućine. Zračenje je prijenos energije putem elektromagnetskih valova i ne zahtijeva medij za širenje. Svi objekti emitiraju toplinsko zračenje, a količina emitiranog zračenja raste s četvrtom potencijom temperature objekta, kao što je opisano Stefan-Boltzmannovim zakonom: \(P = \sigma AT^4\) gdje \(P\) je emitirana snaga, \(\sigma\) je Stefan-Boltzmannova konstanta, \(A\) je površina, a \(T\) je temperatura u Kelvinima.
Voda ima neka jedinstvena svojstva povezana s njezinim specifičnim toplinskim kapacitetom i ponašanjem blizu 4°C. Specifični toplinski kapacitet vode izrazito je visok, što znači da joj je potrebno mnogo toplinske energije za povećanje temperature, što doprinosi njenoj ulozi toplinskog tampona u ekosustavima. Dodatno, voda postiže najveću gustoću na 4°C; kako se hladi ispod te temperature, širi se. Ovo neuobičajeno širenje ključno je za opstanak vodenog života u hladnim klimama, jer se na površini vodenih tijela stvara led koji izolira vodu ispod.
Toplinska svojstva tvari imaju široku primjenu u svakodnevnom životu i industriji. Na primjer, toplinsko širenje se uzima u obzir u projektiranju mostova i željeznica kako bi se omogućilo širenje i skupljanje s promjenama temperature. Visoki specifični toplinski kapacitet vode čini je izvrsnim rashladnim sredstvom u industrijskim procesima i elektranama.
U eksperimentu za demonstraciju specifičnog toplinskog kapaciteta vode, koristi se grijač za prijenos poznate količine energije na izmjerenu količinu vode. Promatrajući promjenu temperature, učenici mogu izračunati specifični toplinski kapacitet vode pomoću formule \(Q = mc\Delta T\) .
Druga uobičajena demonstracija uključuje stavljanje balona iznad tikvice s vodom. Kako se voda zagrijava i pretvara u paru, balon se napuhuje zahvaljujući vodenoj pari koja gura zrak. Ovo pokazuje širenje vode kada se pretvori u plin, vidljiv učinak toplinskog širenja materije.
Razumijevanje toplinskih svojstava materije ne samo da poboljšava naše razumijevanje temeljne fizike, već i obogaćuje našu sposobnost inženjeringa rješenja za razne praktične izazove.
