Θερμοκρασία, θερμότητα, θερμική ενέργεια, εσωτερική ενέργεια

Δευτέρα 12 Ιανουαρίου 2009

Θερμοκρασία, θερμότητα, θερμική ενέργεια, εσωτερική ενέργεια

- Θερμοκρασία ονομάζουμε αυτό που μετράμε με τα θερμόμετρα.

- Θερμότητα ονομάζουμε την ενέργεια που μεταφέρεται από ένα θερμότερο σε ένα ψυχρότερο σώμα, εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας τους. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί, κυρίως, με τρεις μηχανισμούς με επαφή των σωμάτων, με ρεύματα μεταφοράς σωματιδίων και με ακτινοβολία.

- Θερμική ενέργεια ονομάζουμε την κινητική ενέργεια των μικροσκοπικών σωματιδίων από τα οποία αποτελείται το σώμα.

- Εσωτερική ενέργεια ονομάζουμε το άθροισμα των ενεργειών των σωματιδίων που το απαρτίζουν ως αποτέλεσμα της σχετικής τους κίνησης ως προς το κέντρο μάζας του σώματος και των αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους. Σε ένα ιδανικό αέριο (και όχι σε ένα πραγματικό) αποδεικνύεται πειραματικά ότι αποτελεί συνάρτηση μόνο της θερμοκρασίας.

Είναι λάθος να λέμε ότι ένα σώμα έχει θερμότητα. Αν ορίσουμε ως Q_A τη « θερμότητα που εμπεριέχεται στο σώμα » σε μια κατάσταση Α, δεν μπορεί να οριστεί η θερμότητα σε μια άλλη κατάσταση Β ως Q_B = Q_A + Q, καθώς υπάρχουν άπειροι τρόποι μετάβασης από την Α στην Β με διαφορετικό Q ο καθένας. Επίσης, σε έναν αντιστάτη δεν παράγεται θερμότητα. Ένας αντιστάτης θερμαίνεται χωρίς θερμότητα, αν και μεταβιβάζεται από αυτόν θερμότητα στο περιβάλλον, κυρίως με μορφή ακτινοβολίας. Η λανθασμένη χρήση αυτού του όρου ίσως οφείλεται στο ότι το 18^ο αιώνα υπήρχε η αντίληψη ότι τα σώματα που υφίστανται θερμικές μεταβολές ανταλλάσσουν μια ουσία που λεγόταν φλογιστόν (phlogiston ή caloric). Σήμερα ξέρουμε ότι η θερμότητα δεν είναι ουσία.

Πολλά βιβλία επίσης γράφουν εσωτερική θερμική ενέργεια (internal thermal energy) εννοώντας τη θερμική ενέργεια (το εσωτερική αποτελεί εδώ όχι όρο αλλά διευκρίνιση με την έννοια ότι η ενέργεια αυτή εμπεριέχεται στο σώμα). Κάποια άλλα ονομάζουν εσωτερική μορφές ενέργειας όπως η χημική και η ενέργεια ενός τεντωμένου ελατηρίου και θερμική το μέρος της εσωτερικής ενέργειας που αλλάζει αντιστρεπτά με τις αλλαγές της θερμοκρασίας. Τότε βέβαια το U στην εξίσωση του 1^ου νόμου δεν παριστάνει την εσωτερική ενέργεια και συμβολίζεται με Ε. Επίσης, κάποια βιβλία μπερδεύουν τους ορισμούς π.χ. το βιβλίο κατεύθυνσης της Β Λυκείου, που ορίζει τη θερμότητα όπως παραπάνω, και λέει ότι η πρόταση « με την τριβή δεν αυξάνεται η θερμότητα των σωμάτων που τρίβονται, αλλά η εσωτερική τους ενέργεια », είναι σωστή ενώ το αντίστοιχο της Γ Λυκείου των ίδιων συγγραφέων γράφει για « θερμότητα που παράγεται από τριβές ή πλαστικές κρούσεις », πράγμα που είναι ασύμβατο με τον παραπάνω ορισμό. Επίσης, πολλά βιβλία θεωρούν ότι η ενέργεια από το έργο της τριβής είναι αποκλειστικά θερμική, λες και δεν μπορεί να έχω εξαιτίας του φαινομένου της τριβής μεταβολή, όχι μόνο της μικροσκοπικής κινητικής, αλλά και της μικροσκοπικής δυναμικής ενέργειας των σωματιδίων που αποτελούν το σώμα. Τέλος, σε κάποια βιβλία π.χ. προετοιμασίας για Α – Level, ακόμα και ο όρος «θερμική ενέργεια» δεν υπάρχει (το οποίο είναι παιδαγωγικά προτιμότερο κατά τη γνώμη μου για σχολικά βιβλία).

Εκφράζει πάντα η εξίσωση Q = ΔU + W τον 1^ο θερμοδυναμικό νόμο;

Σχεδόν όλοι οι συγγραφείς ταυτίζουν τον 1^ο θερμοδυναμικό νόμο με την αρχή διατήρησης της ενέργειας. Όση εσωτερική ενέργεια χάνει το σύστημα, κερδίζει το περιβάλλον. Η προηγούμενη πρόταση αναφέρεται ως « η πιο γενική διατύπωση της αρχής διατήρησης της ενέργειας». Αυτό επιτυγχάνεται, δίνοντας τους κατάλληλους ορισμούς, ώστε τα μεγέθη Q και W να έχουν αντίθετο πρόσημο για το σύστημα και το περιβάλλον αντίστοιχα. Ορίζονται, όμως, πάντα τα Q και W; Και αν ναι, αποτελούν το μόνο τρόπο μεταφοράς ενέργειας; Σίγουρα όχι. Π.χ. δεν ορίζονται, όταν έχουμε φαινόμενα τριβής, εξάτμισης κ.α.. Μόνο αν οι δυνάμεις που ασκούνται στο σύστημα έχουν την ίδια μετατόπιση με το κέντρο μάζας του συστήματος, η μεταβολή της κινητικής ενέργειας είναι σίγουρα ίση με το έργο που γίνεται στο σύστημα. Επίσης, η ενέργεια από τη μεταφορά ακτινοβολίας από ένα πεδίο σε ένα αντικείμενο, το οποίο ΔΕΝ είναι σε ισορροπία με το πεδίο, όπως π.χ. ηλιακή ακτινοβολία σε φωτοβολταϊκή επιφάνεια ή εκπομπή λέιζερ, μπορεί να είναι όχι Q ή W αλλά ένας αδιαχώριστος συνδυασμός τους. Συμπέρασμα: Αν ο 1^ο θερμοδυναμικός νόμος ισοδυναμεί με την αρχή διατήρησης της ενέργειας η εξίσωση Q = ΔU + W αποτελεί ειδική περίπτωση εφαρμογής του 1^ου θερμοδυναμικού νόμου.