Θερμοκρασία, Θερμότητα, Θερμική Ισορροπία, Θερμική Ενέργεια, Θερμότητα
Θερμοκρασία είναι μια έννοια που μας βοηθά να περιγράψουμε πόσο θερμό ή ψυχρό είναι ένα σώμα. Είναι φυσικό μέγεθος που το μετράμε με ειδικά όργανα που λέγονται θερμόμετρα.
Στη διπλανή προσομοίωση παρακολουθήστε την κίνηση των μορίων του νερού καθώς το θερμαίνουμε και αυτό περνά από την στερεά φάση (πάγου) στην υγρή και στη συνέχεια στην αέρια (υδρατμού).
Παρατηρούμε σε όλες τις φάσεις "κίνηση των μορίων" του νερού;
Πως μεταβάλλεται η κίνηση των μορίων με την πάροδο του χρόνου ενώ θερμαίνουμε το δοχείο με το νερό;
Παρατηρούμε ότι όσο πιο έντονες, γρήγορες και με μεγαλύτερη ελευθερία είναι οι κινήσεις των μορίων του νερού (δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι η κινητική ενέργεια που έχουν τα μόρια του νερού) τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του νερού.
Συνεπώς μπορούμε να πούμε ότι θερμοκρασία είναι φυσικό μέγεθος που (έχει σχέση) συνδέεται με την κινητική ενέργεια των μορίων του σώματος, και χαρακτηρίζει το πόσο θερμό ή ψυχρό είναι το σώμα αυτό.
Θερμική ενέργεια ενός σώματος ονομάζουμε τη συνολική κινητική ενέργεια των μορίων του λόγω των συνεχών και τυχαίων κινήσεών τους
Όλα τα σώματα έχουν θερμική ενέργεια ανεξάρτητα από την θερμοκρασία τους (ακόμα και τα πολύ ψυχρά) απλώς το ίδιο σώμα όταν έχει διαφορετική θερμική ενέργεια έχει και διαφορετική θερμοκρασία.
Όπως είδαμε στο προηγούμενο βίντεο, η θέρμανση του νερού στο δοχείο αυξάνει την κινητική ενέργεια των μορίων του δηλαδή αυξάνει την θερμική ενέργεια του νερού. Η επιπλέον θερμική ενέργεια που αποκτά το νερό είναι η θερμική ενέργεια που μεταφέρουμε στο νερό (με την φλόγα) και την λέμε θερμότητα.
Γενικότερα θερμότητα ονομάζουμε την θερμική ενέργεια που μεταφέρεται (ρέει) από ένα θερμότερο σώμα προς ένα άλλο ψυχρότερο λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας που έχουν.
Έτσι για παράδειγμα
Ένα παγάκι λιώνει (συνεπώς αυξάνεται η θερμοκρασία του και η θερμική του ενέργεια) επειδή απορροφά θερμότητα από το θερμότερο περιβάλλον
Μια κρύα μέρα του χειμώνα το ζεστό μας τσάι κρυώνει επειδή έχουμε ροή θερμότητας από το θερμότερο τσάι προς το ψυχρότερο περιβάλλον.
Οι έννοιες θερμική ενέργεια και θερμοκρασία είναι διαφορετικές έννοιες.
Στην προηγούμενη προσομοίωση η θέρμανση του νερού αυξάνει την θερμική του ενέργεια αλλά ταυτόχρονα αυξάνει και την θερμοκρασία του. Συνεπώς η αύξηση της θερμικής ενέργειας ενός σώματος επιφέρει άνοδο της θερμοκρασίας του ενώ μείωση της θερμικής ενέργειας έχει ως αποτέλεσμα την ελάττωση της θερμοκρασίας του σώματος.
Από την εμπειρία μας γνωρίζουμε ότι για να ζεστάνουμε νερό για δύο κούπες τσάι (πχ σε ένα γκαζάκι), χρειαζόμαστε περισσότερο χρόνο από ότι για να ζεστάνουμε το νερό για ένα τσάι. Αυτό σημαίνει ότι στην πρώτη περίπτωση προσφέρουμε περισσότερη θερμότητα. Επομένως για να φθάσουμε και στις δύο περιπτώσεις στους 100 βαθμούς Κελσίου που βράζει το νερό (και να ρίξουμε τα φακελάκια με το τσάι) απαιτούνται διαφορετικά ποσά θερμότητας, πράγμα που δείχνει ότι θερμότητα και θερμοκρασία δεν εκφράζουν το ίδιο φυσικό μέγεθος
Παρατήρηση
Μεγαλύτερη μάζα σημαίνει μεγαλύτερος αριθμός μορίων δηλαδή μεγαλύτερη θερμική ενέργεια στην ίδια θερμοκρασία.
Τα δύο διπλανά μπουκάλια (0,5 και 1,5 L) περιέχουν νερό στην ίδια θερμοκρασία (θερμοκρασία περιβάλλοντος)
Με βάση την προηγούμενη παρατήρηση το νερό με την τριπλάσια μάζα έχει περισσότερη θερμική ενέργεια.
Απάντηση στα ερωτήματα αυτά δίνει το διπλανο βίντεο
Σε αυτό το βίντεο παρακολουθείστε δύο πειράματα στα οποία φέρνουμε σε θερμική επαφή δύο υγρά διαφορετικής θερμοκρασίας. Από το υγρό με την υψηλότερη θερμοκρασία έχουμε ροή θερμότητας προς το ψυχρότερο υγρό. Αυτή η ροή συμβαίνει μέχρις ότου τα δύο υγρά αποκτήσουν την ίδια θερμοκρασία. Λέμε τότε ότι τα δύο υγρά βρίσκονται σε θερμική ισορροπία.
Στο διπλανό βίντεο παρακολουθήστε ένα πείραμα όπου δύο διαφορετικά δοχεία περιέχουν νερό διαφορετικής θερμοκρασίας. Το μικρότερο δοχείο (με το θερμότερο νερό) είναι τοποθετημένο μέσα στο μεγαλύτερο (με το ψυχρότερο νερό). Λέμε ότι τα δύο αυτά δοχεία βρίσκονται σε θερμική επαφή.
Στο διπλανό βίντεο παρακολουθήστε το προηγούμενο εικονικό πείραμα χωρίς αφήγηση και απαντήστε στις παρακάτω ερωτήσεις
1) Συμπληρώστε τα κενά στο παρακάτω κείμενο
Με την πάροδο του χρόνου παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία του νερού στο μικρότερο δοχείο -------------------- ενώ η θερμοκρασία του ψυχρότερου νερού στο μεγαλύτερο δοχείο ...............................
Κατά την διάρκεια αυτού του φαινομένου έχουμε μεταφορά / ροή ........................................... από το θερμότερο νερό προς το ψυχρότερο
Αυτή η μεταβολή των θερμοκρασιών δεν γίνεται επ' άπειρον. Οι θερμοκρασίες θα παύσουν να μεταβάλλονται όταν τα σώματα αποκτήσουν την ίδια ......................................
Λέμε τότε ότι τα σώματα έχουν έλθει/ φθάσει σε κατάσταση ............................. ..............................
2) Συμπληρώστε τα κενά στο παρακάτω κείμενο
Η αρχική θερμοκρασία του θερμότερου υγρού είναι ............ βαθμοί Κελσίου ενώ του ψυχρότερου είναι .............βαθμοί Κελσίου.
Μετά από 1 min (λεπτό) η θερμοκρασία του θερμότερου νερού είναι περίπου ............................... βαθμοί Κελσίου ενώ του ψυχρότερου νερού είναι ................. βαθμοί Κελσίου.
Το νερά στα δύο δοχεία φθάνουν σε θερμική ισορροπία όταν αποκτούν θερμοκρασία ............................ βαθμών Κελσίου.
Η θερμική ισορροπία επέρχεται σε χρόνο περίπου .............. min
3) Ελέγξτε τις παρακάτω προτάσεις ως προς το αν είναι σωστές ή λανθασμένες.
Η μεταβολή της θερμοκρασίας των υγρών είναι μικρότερη στην αρχή (Σωστό -Λάθος)
Η κοινή θερμοκρασία που αποκτούν τα υγρά (νερά) όταν φθάσουν σε θερμική ισορροπία ισούται με τον μέσο όρο των αρχικών θερμοκρασιών των δύο υγρών (Σωστό -Λάθος)
Κατεβάστε το σώμα των ερωτήσεων εδώ ή δείτε τις απαντήσεις εδώ
Παρακολουθήστε το διπλανό βίντεο και απαντήστε στα ερωτήματα
Σε ποια θερμοκρασία ισορροπούν θερμικά τα δύο σώματα;
Πότε σταματά η ροή θερμότητας από το ένα σώμα προς το άλλο;
Από ποιο προς ποιο σώμα έχουμε ροή θερμότητας;
Οι απαντήσεις εδώ
Δείτε ε δ ώ την κατασκευή ενός διαγράμματος θερμοκρασίας - χρόνου