Materia, z której zbudowane są wszystkie obiekty fizyczne, wykazuje szereg właściwości termicznych kluczowych dla zrozumienia otaczającego nas świata. Właściwości te — takie jak temperatura, ciepło i rozszerzalność cieplna — podlegają zasadom przenoszenia energii i prawom fizyki.
Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząstek substancji, często mierzonej w stopniach Celsjusza (°C), Fahrenheita (°F) lub Kelvina (K). Z drugiej strony ciepło jest formą transferu energii między dwoma obiektami lub systemami w wyniku różnicy temperatur. Jednostką ciepła w Międzynarodowym Układzie Jednostek Jednostek (SI) jest dżul (J). Zależność pomiędzy ciepłem ( \(Q\) ), masą ( \(m\) ), ciepłem właściwym ( \(c\) ) i zmianą temperatury ( \(\Delta T\) ) opisuje równanie: \(Q = mc\Delta T\) Ciepło właściwe to miara ilości energii cieplnej potrzebnej do zmiany temperatury jednego kilograma substancji o jeden stopień Celsjusza.
Materiały podgrzane zwykle rozszerzają się. Zjawisko to znane jest jako rozszerzalność cieplna i można je zaobserwować w ciałach stałych, cieczach i gazach. Rozszerzalność cieplna zachodzi, ponieważ wzrost temperatury powoduje wzrost energii kinetycznej cząstek, powodując ich oddalanie się od siebie. Zakres rozszerzalności cieplnej można opisać współczynnikiem rozszerzalności liniowej ( \(\alpha\) ), dla ciał stałych, który pokazuje zmianę długości ( \(\Delta L\) ) na jednostkę długości ( \(L\) ) na stopień zmiany temperatury ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) W przypadku cieczy i gazów rozszerzalność objętościowa jest bardziej istotna niż rozszerzalność liniowa i jest opisana współczynnikiem ekspansji objętościowej.
Zmiany fazowe to przemiany pomiędzy fazami stałą, ciekłą i gazową substancji, które obejmują absorpcję lub uwalnianie energii bez zmiany temperatury. Główne rodzaje przemian fazowych obejmują topienie, zamrażanie, parowanie, kondensację, sublimację i osadzanie. Ciepło związane ze zmianą fazy nazywa się ciepłem utajonym. Na przykład energię potrzebną do zamiany 1 kg lodu w wodę bez zmiany temperatury nazywa się utajonym ciepłem topnienia ( \(L f\) ), natomiast energię potrzebną do przekształcenia 1 kg wody w parę bez zmiany temperatury nazywa się utajone ciepło parowania ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) dla topnienia lub zamarzania, \(Q = mL_v\) dla parowania lub kondensacji.
Energia cieplna może być przenoszona przez materię poprzez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie. Przewodnictwo to przenoszenie ciepła pomiędzy substancjami, które pozostają ze sobą w bezpośrednim kontakcie. Przewodność cieplna ( \(k\) ) materiału jest miarą jego zdolności do przewodzenia ciepła. Prawo Fouriera przewodnictwa cieplnego pokazuje zależność pomiędzy szybkością wymiany ciepła ( \(Q/t\) ), przewodnością cieplną ( \(k\) ), powierzchnią ( \(A\) ), gradientem temperatury ( \(\Delta T/L\) ) i grubość materiału ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) Konwekcja to przenoszenie ciepła w wyniku ruchu płynów (cieczy lub gazów ) spowodowane różnicami temperatur. Polega na masowym ruchu płynu. Promieniowanie to przenoszenie energii za pomocą fal elektromagnetycznych i do rozprzestrzeniania się nie wymaga ośrodka. Wszystkie obiekty emitują promieniowanie cieplne, a ilość emitowanego promieniowania rośnie wraz z czwartą potęgą temperatury obiektu, zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna: \(P = \sigma AT^4\) gdzie \(P\) to emitowana moc, \(\sigma\) to stała Stefana-Boltzmanna, \(A\) to powierzchnia, a \(T\) to temperatura w Kelvinach.
Woda ma pewne unikalne właściwości związane z jej ciepłem właściwym i zachowaniem w pobliżu 4°C. Ciepło właściwe wody jest wyraźnie wysokie, co oznacza, że potrzebuje ona dużo energii cieplnej, aby podnieść swoją temperaturę, co przyczynia się do jej roli bufora termicznego w ekosystemach. Dodatkowo woda osiąga maksymalną gęstość w temperaturze 4°C; gdy ochładza się poniżej tej temperatury, rozszerza się. Ta anomalna ekspansja ma kluczowe znaczenie dla przetrwania organizmów wodnych w zimnym klimacie, ponieważ na powierzchni zbiorników wodnych tworzy się lód, izolując wodę znajdującą się poniżej.
Właściwości termiczne materii mają szerokie zastosowanie w życiu codziennym i przemyśle. Na przykład rozszerzalność cieplna jest brana pod uwagę przy projektowaniu mostów i linii kolejowych, aby umożliwić rozszerzanie i kurczenie się wraz ze zmianami temperatury. Wysoka pojemność cieplna właściwa wody sprawia, że jest ona doskonałym chłodziwem w procesach przemysłowych i elektrowniach.
W eksperymencie mającym na celu wykazanie ciepła właściwego wody, za pomocą grzejnika przekazuje się znaną ilość energii do odmierzonej ilości wody. Obserwując zmianę temperatury, uczniowie mogą obliczyć ciepło właściwe wody, korzystając ze wzoru \(Q = mc\Delta T\) .
Inna popularna demonstracja polega na umieszczeniu balonu nad kolbą z wodą. Gdy woda jest podgrzewana i zamienia się w parę, balon napełnia się pod wpływem pary wodnej wypychającej powietrze. Pokazuje to rozszerzanie się wody, gdy zamienia się ona w gaz, co jest widocznym efektem rozszerzalności cieplnej materii.
Zrozumienie właściwości termicznych materii nie tylko zwiększa naszą wiedzę o podstawowej fizyce, ale także wzbogaca nasze możliwości opracowywania rozwiązań dla różnych praktycznych wyzwań.
