Ciepło.

W rozumieniu pojęcia ciepła istotną jest definicja energii wewnętrznej ciała. Nie ma między fizykami rozbieżności w definiowaniu tej wielkości fizycznej:

wniosek 1:

energia wewnętrzna ciała jest to suma energii:

- cieplnej,

- potencjalnych sił międzycząsteczkowych,

- stanów elektronowych w atomach (energii wzbudzenia atomów),

- chemicznych związanych z możliwością zmian budowy cząsteczek,

- jądrowej związanej z możliwością zmian budowy jąder atomów.

Fizycy podkreślają, że:

[6] str.29: [6] - S. Wiśniewski, Termodynamika techniczna, WNT, W-wa 1980 - „Do energii wewnętrznej układu nie wlicza się energii makroskopowej pól grawitacyjnych, ektrycznych, magnetycznych,wytworzonych                    wewnątrz układu zarówno przez działania zewnętrzne jak i wewnętrzne.”
[6] str.29: [6] - S. Wiśniewski, Termodynamika techniczna, WNT, W-wa 1980 - W energii wewnętrznej: „Nie uwzględnia się energii chemicznej i jądrowej, gdy zmiany ich nie występują.”

Podczas definiowania energii wewnętrznej u wielu autorów pojawiają się podobne określenia:

[3] str.20: [3] - D. Elwell, A.J. Pointon, Termodynamika klasyczna, WNT, W-wa 1976 - „Do ważniejszych pojęć termodynamiki należy pojęcie równowagi cieplnej.”
[4] str.178: [4] - B. M. Jaworski, A.A. Piński, Elementy fizyki, t.1, PWN, W-wa 1977 - „Procesami cieplnymi nazywamy te procesy, które są związane ze zmianą temperatury ciała, a także ze zmianą jego stanu skupienia....”
[8] str.120: [8] - W. A. Łobodiuk, K.P. Riaboszapka... Fizyka elementarna, PWN,
W-wa 1981
- „Nieuporządkowany ruch atomów i cząsteczek nosi nazwę ruchu cieplnego.”
[10] str.170: [10] - J. Blinowski, J.Trylski, Fizyka dla kandydatów..., PWN, W-wa, 1983 - „O układach..., które mogą... wpływać na swój stan fizyczny bez pośrednictwa pracy, mówimy,że znajdują się w kontakcie cieplnym.”
[10] str.244: [10] - J. Blinowski, J.Trylski, Fizyka dla kandydatów..., PWN, W-wa, 1983 - „Energia cieplna jest to ta część całkowitej energii wewnętrznej ciał, która związana jest z ruchem na szczeblu mikroskopowym.”

Z powyższego wynika

wniosek 2:

energia cieplna jest to suma energii: kinetycznych ruchu
postępowego, obrotowego i drgającego atomów i cząsteczek.


Energia cieplna jest częścią energii wewnętrznej.

Termodynamika w gimnazjum i liceum dotyczy przekazywania energii cieplnej oraz zamiany jej w inne formy i na odwrót. Prowadzi to do zmian temperatur ciał (z zastrzeżeniem dotyczącym przemian fazowych). Ciekawe są poglądy fizyków na ciepło. Dają się zauważyć dwa podejścia.

Dla jednych ciepło jest energią:

[1] str.186: [1] - A. Kitajgorodskij, Fizyka, PWN, W-wa 1965 - „...przy wymianie cieplnej energia jest dostarczana...”
[3] str.29: [3] - D. Elwell, A.J. Pointon, Termodynamika klasyczna, WNT, W-wa 1976 - „...ciepło ma charakter energii...”
[4] str.183:[4] - B. M. Jaworski, A.A. Piński, Elementy fizyki, t.1, PWN, W-wa 1977 - „Ilością ciepła nazywamy energię przekazywaną...”
[5] str.63: [5] - S. Dymus, Termodynamika, WSiP, W-wa 1979 - „Przyrost energii wewnętrznej układu w procesie oddziaływania termicznego,nazywamy ciepłem...”
[8] str.120: [8] - W. A. Łobodiuk, K.P. Riaboszapka... Fizyka elementarna,
PWN, W-wa 1981
- „...cząsteczki z bardziej gorącej części ciała przekazują określoną część swojej energii kinetycznej do chłodniejszej części ciała.”
[9] str.554: [9] - D. Halliday, R. Resnick, Fizyka 1, PWN, W-wa 1983 - „...ciepło jest energią, która przepływa z jednego ciała do drugiego w wyniku istnienia różnicy temperatur między nimi.”
[10] str.174: [10] - J. Blinowski, J.Trylski, Fizyka dla kandydatów..., PWN, W-wa, 1983 - „Ciepło jest to energia, jaką układ o wyższej temperaturze przekazuje... układowi o niższej temperaturze...”
[13] str.304: [13] - I.W. Sawieliew, Kurs fizyki tom 1, PWN W-wa 1987 - „Ilość energii, przekazywanej przez jedno ciało drugiemu, określamy ... ilością ciepła ...”
[15] str.541: [15] - M. Herman, A. Kaletyński, L. Widomski, Podstawy fizyki..., PWN, W-wa 1991 - „...ciepło jest pewnym określonym rodzajem energii...”
[19] str.31:[19] - V.Lank, M.Vondra, Fizyka-matura ..., Podsiedlik, Raniowski..., Poznań 2003 - „Ciepło Q jest określone przy pomocy energii, która zostanie przekazana podczas wymiany cieplnej z ciała cieplejszego do zimniejszego.”

Dla innych ciepło nie jest energią:

[7] str.27:[7] - J. Szargut, Termodynamika, PWN, W-wa 1980 - „... i ciepło nie są postaciami energii...”
[11] str.10:[11] - S. Mac Termodynamika,WSiP, W-wa, 1984 - „Przekazywanie energii przez oddziaływanie cieplne ... jest to przekazywanie w postaci wkładu ciepła...”
[12] str.174:[12] - J.I. Butikow, A.A. Bykow, A.S. Kondratiew, Fizyka cz. 1,
PWN, W-wa 1987
- „...oraz ciepło nie są formami energii, lecz tylko różnymi sposobami jej zmiany i przekazu od jednego ciała do drugiego.”
[14] str.208:[14] - J. Orear, Fizyka 1, WNT, W-wa 1990 - Tłumacząca z angielskiego „poprawia” J. Oreara informując w przypisie: „...ciepło nie jest energią...”
[15] str.541:[15] - M. Herman, A. Kaletyński, L. Widomski, Podstawy fizyki..., PWN, W-wa 1991 - „...ciepłem nazywamy tylko pewien mikroskopowy sposób przekazywania energii...”
[16] str.190:[16]- Ch. Von Rhoeneck, Kompedium fizyki, WSiP, W-wa 1995 - „Ciepło jest procesem wymiany energii układu z otoczeniem pod wpływem różnicy temperatur.”

Analiza obu poglądów i wcześniejsze zdefiniowanie energii cieplnej nakazuje przyjąć

wniosek 3:

ciepło Q jest to ta część energii cieplnej, która podczas zetknięcia
jest przekazywana od ciała cieplejszego do chłodniejszego.


Mówimy, że następuje wtedy przekazywanie ciepła. Inne określenia tego procesu to cieplny przepływ energii lub przepływ energii cieplnej. Warunkiem zajścia tego zjawiska jest różnica temperatur. Wtedy część energii wewnętrznej (cieplna) samorzutnie przechodzi od jednego ciała do drugiego. Cząsteczki ciała o temperaturze wyższej (posiadają większe średnie energie kinetyczne) podczas kontaktu z cząsteczkami ciała chłodniejszego (posiadającymi mniejsze średnie energie kinetyczne) przekazują im część swojej energii kinetycznej). Dzieje się to tak długo, aż średnie energie kinetyczne obu ciał wyrównają się (wyrównają się ich temperatury).

Niechęć do określenia ciepła jak we wniosku 3 bierze się u części fizyków stąd, że nie chcą oni być posądzeni o utożsamianie energii z ciepłem lub pracą. Energia jest przecież różniczką zupełną a ciepło i praca nią nie są:

[1] str.189:[1] - A. Kitajgorodskij, Fizyka, PWN, W-awa 1965 - „Praca i ciepło nie są różniczkami zupełnymi.”
[4] str.250:[4] - B. M. Jaworski, A.A. Piński, Elementy fizyki, t.1, PWN, W-wa 1977 - „...ilość ciepła i praca są wielkościami charakteryzującymi nie tyle stan układu, co procesy zachodzące w gazie.”
[10] str.174:[10] - J. Blinowski, J.Trylski, Fizyka dla kandydatów..., PWN, W-wa, 1983 - „...ciepło (podobnie jak praca) nie charakteryzuje ani stanu początkowego, ani... końcowego układu, a tylko sam proces zmian energii.”
[13] str.303:[13] - I.W. Sawieliew, Kurs fizyki tom 1, PWN, W-wa 1987 - „Energia wewnętrzna jest funkcją stanu układu.”
[13] str.305:[13] - I.W. Sawieliew, Kurs fizyki tom 1, PWN, W-wa 1987 - „Zatem wielkości Q i W nie są funkcjami stanu...”
[14] str.208:[14] - J. Orear, Fizyka 1, WNT, W-wa 1990 - „...a ciepłem czy pracą, które różniczkami zupełnymi nie są.”

Definicja ciepła podana we wniosku 3 czyni zbytecznymi rozważania o tym czy jest ona różniczką zupełną czy też nie. W dalszej części dowiemy się, że tak samo będzie z pracą w termodynamice.

Fizycy są zgodni, że energię wewnętrzną można zmienić poprzez pobranie lub oddanie ciepła:

[1] str.186:[1] - A. Kitajgorodskij, Fizyka, PWN, W-wa 1965 - „...przy wymianie cieplnej energia jest dostarczana przez... drogą przypadkowych impulsów,... od jednej do drugiej cząsteczki
[5] str.64:[5] - S. Dymus, Termodynamika, WSiP, W-wa 1979 - „Energię wewnętrzną ... możemy zmienić .. .przez wymianę ciepła pomiędzy układem i otoczeniem.”
[8] str.129:[8] - W. A. Łobodiuk, K.P. Riaboszapka... Fizyka elementarna, PWN, W-wa 1981 - „... energię wewnętrzną ciała można zmienić poprzez ogrzanie...”
[10] str.177:[10] - J. Blinowski, J.Trylski, Fizyka dla kandydatów..., PWN, W-wa, 1983 - „...można uzyskać ... zmianę stanu układu ... przy dostarczaniu ciepła.”
[12] str.174:[12] - J.I. Butikow, A.A. Bykow, A.S. Kondratiew, Fizyka cz. 1, PWN, W-wa 1987 - „...termiczne oddziaływanie..., podczas którego zmiana energii układu zachodzi na poziomie cząsteczkowym...”
[13] str.303:[13] - I.W. Sawieliew, Kurs fizyki tom 1, PWN W-wa 1987 - Energia wewnętrzna może się zmieniać w wyniku „...dostarczania do układu ciepła...”
[14] str.209:[14] - J. Orear, Fizyka 1, WNT, W-wa 1990 - „Energia wewnętrzna ... może wzrastać dzięki zetknięciu go z drugim cieplejszym ciałem.”
[15] str.541:[15] - M. Herman, A. Kaletyński, L. Widomski, Podstawy fizyki..., PWN, W-wa 1991 - „...ciepło jest jednym ze sposobów przekazywania energii wewnętrznej ciała...”

Powyższe uwagi pozwalają sformułować

wniosek 4:

U = Q

Zmiana energii wewnętrznej układu U jest równa pobranemu od otoczenia lub oddanemu do niego ciepłu Q,

gdzie:

Q = mct + mL.


Stykają się wtedy dwa ciała o różnych temperaturach i następuje samorzutne przekazanie ciepła od cieplejszego z nich do chłodniejszego.

Każde ciało, w każdej temperaturze, promieniuje wysyłając fale elektromagnetyczne. Większość fizyków ustosunkowuje się do tego zjawiska i ... pojawiają się rozbieżności:

[1] str.191:[1] - A. Kitajgorodskij, Fizyka, PWN, W-wa 1965 - „Energia jest przekazywana w postaci promieniowania.”
[3] str.126:[3] - D. Elwell, A.J. Pointon, Termodynamika klasyczna, WNT, W-wa 1976 - „Każda powierzchnia ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego wypromieniowuje ciepło w postaci fal                       elektromagnetycznych.”
[4] str.182:[4] - B. M. Jaworski, A.A. Piński, Elementy fizyki, t.1, PWN, W-wa 1977 - „Zjawisko przekazywania energii za pomocą fal elektromagnetycznych ... nazywa się wymianą ciepła przez promieniowanie.”
[6] str.29:[6] - S. Wiśniewski, Termodynamika techniczna, WNT, W-wa 1980 - „Do energii wewnętrznej układu nie wlicza się energii makroskopowej pól grawitacyjnych, elektrycznych, magnetycznych, wytworzonych                     wewnątrz układu zarówno przez działania zewnętrzne jak i wewnętrzne.”
[6] str.255:[6] - S. Wiśniewski, Termodynamika techniczna, WNT, W-wa 1980 - „Promieniowanie termiczne polega na wysyłaniu przez ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego fal                     ;elektromagnetycznych. W wyniku promieniowania termicznego energia wewnętrzna ciała przekształca się w energię fal                    ;elektromagnetycznych, które ... są pochłaniane i przekształcane w energię wewnętrzną.”
[7] str.73:[7] - J. Szargut, Termodynamika, PWN, W-wa 1980 - „Przepływ ciepła może wystąpić ... bez zetknięcia, przez promieniowanie.”
[8] str.282:[8] - W. A. Łobodiuk, K.P. Riaboszapka... Fizyka elementarna, PWN, W-wa 1981 - „...ciało ogrzane promieniuje fale elektromagnetyczne. Energia promieniowania powstaje wówczas kosztem części zaabsorbowanej ilości                      ciepła.”

Porządkując powinniśmy przyjąć

wniosek 5:

Za pomocą fal elektromagnetycznych nie jest przekazywane ciepło
ani inne rodzaje energii wewnętrznej.


Za pomocą fal elektromagnetycznych dokonuje się zmiana energii wewnętrznej (cieplnej) ciała wysyłającego i absorbującego promieniowanie (a więc i zmiana ich temperatur), ale mechanizm jest inny niż w przypadku przekazywania ciepła. W ciele promieniującym następuje bezpromieniste wzbudzenie atomów, czyli zamiana części energii cieplnej na energię wzbudzenia atomów (wzajemne zderzenia atomów i cząsteczek powodują przejście elektronów w atomach na orbity wyższe energetycznie). Po pewnym czasie, część wzbudzonych atomów wraca promieniście do stanów niższych energetycznie zamieniając swoje energie wzbudzenia na energie fotonów promieniowania elektromagnetycznego. Energia fotonów nie jest energią wewnętrzną ciała. Fotony nie są już związane z ciałem. Po dotarciu do drugiego ciała, fotony oddają mu swoje energie wzbudzając jego atomy (wzbudzenie promieniste). Następuje wtedy zamiana energii elektromagnetycznej na wewnętrzną ciała (na energię wzbudzenia atomów). Po pewnym czasie, część wzbudzonych atomów, przechodzi bezpromieniście do stanów energetycznie niższych zamieniając swoje energie wzbudzenia na energię cieplną. Ostatecznie ustala się pewien stan równowagi dynamicznej i część zaabsorbowanej energii elektromagnetycznej pozostaje w ciele jako energia wzbudzenia jego atomów (wewnętrzna) a część jako ich energia cieplna (też wewnętrzna). Emisja i absorpcja energii elektromagnetycznej nie wymagają różnicy temperatur ciała promieniującego i absorbującego. Każde ciało, w każdej temperaturze wyższej od zera bezwzględnego, promieniuje niezależnie od temperatury otoczenia. Tylko od temperatury bezwzględnej ciała zależy ile i jakie promieniowanie ono wysyła.

Wielu fizyków omawia zjawisko konwekcji:

[4] str.182:[4] - B. M. Jaworski, A.A. Piński, Elementy fizyki, t.1, PWN, W-wa 1977 - „Wymiana ciepła może zachodzić także dzięki konwekcji...”
[6] str.255:[6] - S. Wiśniewski, Termodynamika techniczna, WNT, W-wa 1980 - „Przewodzenie ciepła w płynach połączone jest najczęściej z konwekcją, czyli ruchem makroskopowych części płynu o różnych                                            temperaturach i różnych gęstościach.”
[7] str.267:7] - J. Szargut, Termodynamika, PWN, W-wa 1980 - „Konwekcja... polega na przenoszeniu energii ... przez przepływ drobin i mieszanie się strug o różnej temperaturze, czemu towarzyszy...                         przewodzenie ciepła.”
[15] str.538:[15] - M. Herman, A. Kaletyński, L. Widomski, Podstawy fizyki..., PWN, W-wa 1991 - „Gdy ... w gazie lub cieczy występują ... różnice ... temperatury ... wówczas ... mogą wystąpić również makroskopowe zjawiska                         wyrównywania... Zjawisko to nosi nazwę unoszenia (konwekcji)...”

Możemy przyjąć

wniosek 6:

konwekcja to unoszenie fragmentów cieczy lub gazu o mniejszych gęstościach od otoczenia.
W termodynamice, różnica gęstości jest wynikiem różnicy temperatur.
Podczas konwekcji zachodzi przekazywanie ciepła między przemieszczającymi się
względem siebie fragmentami substancji.

Konwekcja nie jest nowym sposobem przekazywania energii wewnętrznej, chyba że za nowy sposób przekazywania energii wewnętrznej uznamy przekazywanie ciepła między przemieszczającymi się względem siebie fragmentami substancji.