Zelená výstava - Energie - Tepelná energie

Energie - Tepelná energie

Teplo (Q - calorique - Kalorika) dříve nebo v pozměněném smyslu tepelná energie je termodynamická veličina vyjadřující míru změny vnitřní energie, jejíž podstatou není ani práce, ani tzv. chemická práce. Teplo systém vyměňuje (tj. přijímá nebo odevzdává) s jiným systémem jiné teploty, se kterým je v tepelném styku (tedy rozhraní mezi nimi je diatermického charakteru, tj. nepředstavuje tepelnou izolaci); hovoříme o tepelné výměně.

Teplo popisuje procesy, v nichž se odehrává spousta chaotických „mikroprací“, tj. srážek jednotlivých částic, které přímo nemůžeme sledovat ani měřit. O práci mluvíme, když způsobenou změnu energie můžeme vyjádřit jako součin veličin: síla krát posunutí, např. tlak krát změna objemu, napětí krát přenesený náboj (náboj = proud krát doba) apod. U tepla se změna energie jako součin jiných přímo měřitelných veličin vyjádřit nedá; pro systém v rovnováze jde o součin teplota krát přírůstek entropie. Teplo je dějovou fyzikální veličinou popisující termodynamický děj (posloupnost stavů systému), nikoli veličinou stavovou, popisující stav jediný.

Jednotky tepla jsou shodné s jednotkami energie a práce. Měřením tepla se zabývá kalorimetrie; teplo se měří kalorimetrem.

Šířením tepla bez konání práce se zabývá termokinetika, tepelnými ději obecně termodynamika.

Termodynamika je obor fyziky, který se zabývá procesy a vlastnostmi látek a polí spojených s teplem a tepelnými jevy; je součástí termiky. Vychází přitom z obecných principů přeměny energie, které jsou popsány čtyřmi termodynamickými zákony (z historických důvodů číslovány nultý až třetí). Termodynamika se dále dělí na studium rovnovážných a nerovnovážných procesů. Historicky byl vývoj termodynamiky veden touhou zvýšit efektivitu prvních parních strojů, čímž se zabývala klíčová práce Úvahy o hybné síle ohně francouzského fyzika Sadiho Carnota, často nazývaného otcem termodynamiky. O další rozvoj termodynamiky se zasadila formulace prvního a druhého zákona termodynamiky, na nichž se podíleli především William Thomson, pozdější lord Kelvin, Rudolf Clausius a William Rankine. Samotný termín termodynamika je prvně doložen v roce 1849 v práci lorda Kelvina.

Podle kinetické teorie se při tepelné výměně předává energie pohybu částic, z nichž se skládá jak systém teplo odevzdávající, tak systém teplo přijímající, a to neuspořádaně. Zejména u látek v kondenzovaném stavu je nutno uvažovat vedle kinetické energie částic i energii jejich vzájemných interakcí a vazeb. Tepelná výměna nemusí být spojena se změnou teploty, mění-li se fáze látky - hovoříme pak o latentním teple.

Tepelná výměna přímo nesouvisí s předáváním částic mezi systémy, změnou jejich chemické podstaty, ani změnami pohybového stavu systémů či "vnější" potenciální energie systémů. Změny tepla mohou být sice formálně ekvivalentní určité mechanické práci nebo kinetické energii částic (vibrační, translační, rotační), atp., nejsou však s nimi identické a fyzikálně se od nich fundamentálně liší. Tento rozdíl se zvláště názorně projevuje ve spektroskopii.

Definice tepla však nevylučuje tepelné děje při současném konání práce. V souladu s 1. termodynamickým zákonem je teplo (systémem přijaté) při tepelné výměně rovno změně (zvýšení) vnitřní energie systému zvýšené o (systémem vykonanou) práci (kurzívou je v předchozí větě vyznačeno, kdy se daná změna bere za kladnou).

Přeměnu mechanické práce na teplo a naopak vysvětluje kinetická teorie jako přeměnu kinetické energie uspořádaného pohybu na kinetickou energii neuspořádaného pohybu částic a naopak. Fyzikálně se fundamentální rozdíl mezi "neuspořádaným" a "uspořádaným" pohybem částic projevuje např. ve spektroskopii. Zatímco tepelnému pohybu odpovídá šum, charakterizovaný určitou (širokospektrální) distribuční funkcí, mechanickému pohybu (např. vibračnímu) odpovídají určité ostré spektrální čáry.

Podle překonané fluidové teorie tepla byla podstatou tepla substance - fluidum (zvané calor, calorique apod.) a teplo bylo množství tohoto fluida v látce. Tato představa plně vyhovuje tam, kde neprobíhají chemické reakce a nevyměňuje se práce s okolím (např. v kalorimetrii). Pro tepelné stroje vyhovuje jen kvalitativně, nikoli však kvantitativně: práce se podle ní koná tím, že tepelné fluidum přechází z místa s vyšší teplotou do místa s nižší teplotou, podobně jako voda v řece může konat práci tím, že přechází z vyšší polohy do nižší. Podle fluidové teorie však přitom fluida neubývá, zatímco měření ukazuje, že "fluida ubude" právě tolik, kolik práce se vykoná. Toto vyjadřuje první zákon termodynamiky. S tímto vědomím je fluidová teorie cenná i dnes svou názorností. Názorně vystihuje zejména přenos tepla (kalorimetrická rovnice) a objasňuje přirozenou roli Laplaceovy rovnice a Poissonovy rovnice v těchto dějích, v analogii s teorií tekutin.

Zdůrazněme, že

o teple i práci má smysl mluvit zejména v souvislosti se změnami těchto veličin, a zpravidla nikoli při popisu stavu. Přesný fyzikální smysl tedy nemají výroky typu "Po zahřátí je v tělese více tepla" (obvykle správněji lze říci, že "těleso má po zahřátí více vnitřní energie");
pojem práce (a tím i tepla) má přesný smysl jen pro systém v rovnováze (není-li v rovnováze, nemusí jít např. definovat všude stejný tlak, a tím ani práci p dV).

Matematicky i fyzikálně přesněji se jedná o otázku, zda teplo lze v dané situaci považovat za úplný diferenciál (totální), nebo jen tzv. parciální diferenciál. Parciální diferenciál tepla lze převést v diferenciál totální pomocí vynásobení určitým, tzv. integračním faktorem, toto tvrzení je součástí 2. principu termodynamiky. V případě tepla je tímto integračním faktorem reciproká teplota (1/T).

Je třeba rozlišovat dvě různé veličiny: teplo, které popisuje změnu energie tělesa provedenou jistým konkrétním způsobem (dějová veličina), a teplota, která popisuje stav tělesa (stavová veličina). Stavovou veličinou popisující tepelnou výměnu je entropie.

Zákon zachování energie je jeden ze základních a nejčastěji používaných fyzikálních zákonů. Tento zákon (zjednodušeně řečeno) konstatuje, že energii nelze vyrobit ani zničit, ale pouze přeměnit na jiný druh energie.

Tato (popř. jí podobné - viz níže) elementární "definice" zákona zachování energie jsou sice intuitivní, mají však pro práci ve fyzice celou řadu nedostatků. Zejména "vysvětlují" zákon zachování energie pomocí značně nefyzikálních, nedefinovaných a vágních pojmů, jako "vyrobit", "zničit", či "přeměnit", které navíc mají antropomorfní charakter. Proto jsou nepřesné.

Soudobá, mnohem obecnější a přesnější definice zákona zachování energie v teoretické fyzice se opírá o pojem symetrie vůči časovému posunutí. Nechť je obecný systém symetrický vůči operaci časového posunutí. Pak se v tomto systému zachovává aditivní fyzikální veličina, která se nazývá energie. Jde o zvláštní případ vztahu mezi symetriemi a zákony zachování, což obecněji popisuje ve fyzice důležitý teorém Emmy Noetherové.

Teplo potřebné k ohřátí předmětu o jeden teplotní stupeň se nazývá tepelná kapacita C tohoto předmětu. Teplo potřebné k ohřátí jednoho kilogramu látky o jeden teplotní stupeň se nazývá měrná tepelná kapacita (měrné teplo) c této láky. Teplo potřebné k ohřátí jednoho molu látky o jeden teplotní stupeň se nazývá molární tepelná kapacita (molární teplo) této látky. Vždy je potřeba ještě upřesnit děj, při jakém se látka ohřívá (např. měrná tepelná kapacita plynu za stálého objemu cV či za stálého tlaku cp).

Šíření tepelné energie z jednoho místa na druhé může probíhat vedením, prouděním nebo zářením (sáláním).

A máme zde malé zopakování.

Jak je cizím slovem označeno teplo?
Je termodynamika vědní obor, který se zaobírá teplem a tepelnými jevy?
Čím se zabývá termokinetika?