Fenomene termice

Elevii descoperă noțiunile de temperatură, căldură și efectele căldurii asupra corpurilor.

Starea termică și temperatura

Spunem despre corpuri că sunt calde sau reci, dar simțurile noastre sunt un instrument nesigur. Un experiment simplu o dovedește: ține o mână în apă rece și cealaltă în apă caldă, apoi bagă-le pe amândouă în apă călduță. Aceeași apă îți va părea caldă cu o mână și rece cu cealaltă.

De aceea fizica folosește o mărime măsurabilă: temperatura, mărimea fizică ce caracterizează starea termică a unui corp.

Explicația la nivel microscopic: toate corpurile sunt formate din particule aflate într-o mișcare continuă și dezordonată, numită agitație termică. Cu cât particulele se mișcă mai repede, cu atât temperatura corpului este mai mare. Temperatura nu măsoară deci „cât de multă căldură are” corpul, ci cât de agitate sunt particulele lui.

Când două corpuri cu temperaturi diferite sunt puse în contact, apare un transfer de energie de la corpul mai cald către cel mai rece, numit căldură. Transferul continuă până când temperaturile se egalizează, moment în care spunem că s-a atins echilibrul termic. Cana de ceai lăsată pe masă se răcește, iar aerul din cameră se încălzește imperceptibil, până ajung la aceeași temperatură.

Atenție la o distincție care revine mereu în subiecte: temperatura este o stare a corpului, iar căldura este energia care trece de la un corp la altul. Un corp nu „conține căldură”; el are o anumită temperatură și primește sau cedează căldură.

Termometrul și scările de temperatură

Termometrul este instrumentul folosit pentru măsurarea temperaturii. Cele mai cunoscute funcționează pe baza dilatării unui lichid – alcool colorat sau, în modelele vechi, mercur – închis într-un tub subțire, numit capilar. Când temperatura crește, lichidul se dilată și urcă în tub, în dreptul unei scale gradate.

Scara folosită în viața de zi cu zi este scara Celsius, construită pe două repere ușor de reprodus, la presiune atmosferică normală:

• 0 °C – temperatura de topire a gheții;
• 100 °C – temperatura de fierbere a apei.

Intervalul dintre ele a fost împărțit în 100 de părți egale, fiecare parte fiind un grad Celsius.

În Sistemul Internațional, unitatea de măsură a temperaturii este însă kelvinul (K), iar scara respectivă pornește de la zero absolut, temperatura la care agitația termică a particulelor este minimă. Legătura dintre cele două scări se face cu relația:

T(K) = t(°C) + 273

Astfel, 0 °C înseamnă 273 K, iar 27 °C înseamnă 300 K. Observă că o variație de un grad Celsius este egală cu o variație de un kelvin – doar punctul de pornire diferă.

Reguli de folosire corectă a termometrului: se alege un termometru al cărui domeniu cuprinde temperatura măsurată, se așteaptă stabilirea echilibrului termic cu corpul măsurat, iar citirea se face fără a scoate termometrul din mediul respectiv și privind perpendicular pe scală.

Dilatarea termică a solidelor

Dilatarea este fenomenul de mărire a dimensiunilor unui corp la creșterea temperaturii, iar contracția este fenomenul invers, la răcire. Explicația microscopică: particulele mai agitate se depărtează una de alta, deci corpul ocupă mai mult loc.

La solide deosebim:

• dilatarea liniară – creșterea lungimii, importantă la corpuri lungi și subțiri: șine, cabluri, țevi;
• dilatarea volumică – creșterea volumului corpului, în toate direcțiile.

Dilatarea este cu atât mai mare cu cât lungimea inițială este mai mare, variația de temperatură este mai mare și materialul se dilată mai ușor. Metalele se dilată mult, sticla obișnuită puțin, iar sticla termorezistentă și mai puțin – de aceea vasele Jena nu crapă la temperaturi ridicate.

O capcană de examen aproape sigură: ce se întâmplă cu gaura dintr-o placă metalică atunci când placa este încălzită? Răspunsul corect este că gaura se mărește, nu se micșorează. Toate dimensiunile cresc proporțional, ca într-o fotografie mărită. Pe această idee se bazează trucul practic al capacului metalic înțepenit, care se desface după ce a fost ținut sub apă fierbinte.

În tehnică, dilatarea trebuie luată în calcul: se lasă rosturi între șinele de cale ferată și între plăcile de beton ale șoselelor, cablurile electrice se montează ușor lăsate, iar podurile se sprijină pe role sau pe reazeme mobile.

Două metale diferite lipite formează o lamă bimetalică: la încălzire ele se dilată inegal, iar lama se curbează. Așa funcționează termostatele fiarelor de călcat și ale caloriferelor electrice.

Dilatarea lichidelor și anomalia apei

Lichidele nu au formă proprie, deci la ele vorbim doar despre dilatare volumică. În general, lichidele se dilată mai mult decât solidele la aceeași creștere de temperatură – tocmai de aceea sunt folosite în termometre.

Un detaliu care apare în experimente: când încălzești un balon cu apă, la început nivelul din tub coboară puțin, apoi urcă. Explicația e că vasul de sticlă primește primul căldura și se dilată înaintea lichidului.

Anomalia apei este excepția pe care trebuie să o știi pe de rost. Între 0 °C și 4 °C, apa se comportă invers față de toate celelalte lichide: la încălzire se contractă, iar la răcire se dilată. La 4 °C apa are volumul minim, deci densitatea maximă, de aproximativ 1000 kg/m³.

Consecințele sunt uriașe pentru viață:

• iarna, apa de la suprafața lacului se răcește, devine mai densă și coboară; la 4 °C acest circuit se oprește. Apa cea mai rece rămâne la suprafață, unde îngheață, iar la fundul lacului apa rămâne la 4 °C, deci lichidă. Astfel peștii și plantele supraviețuiesc iernii;
• gheața are densitatea mai mică decât apa lichidă (aproximativ 900 kg/m³), motiv pentru care plutește, iar aisbergurile stau cu cea mai mare parte sub apă;
• apa care îngheață își mărește volumul și poate sparge sticlele uitate în congelator, țevile neizolate sau stânca în care s-a infiltrat.

Atenție la formularea corectă: apa nu se contractă la orice încălzire, ci doar în intervalul 0–4 °C. Peste 4 °C ea se comportă absolut normal, adică se dilată.

Dilatarea gazelor

Gazele se dilată mult mai mult decât lichidele și solidele și, spre deosebire de acestea, toate gazele se dilată la fel la aceeași creștere de temperatură, indiferent de natura lor.

Experiențe simple care arată fenomenul:

• un balon umflat, pus lângă calorifer, se umflă și mai tare; băgat în frigider, se strânge;
• o sticlă goală, astupată cu un balon la gură și pusă în apă fierbinte, umflă balonul – deși în sticlă nu am pus nimic;
• o minge de ping-pong ușor turtită își revine dacă este ținută în apă fierbinte, pentru că aerul dinăuntru se dilată și împinge pereții.

La gaze trebuie precizat mereu în ce condiții are loc încălzirea:

• dacă gazul este liber să-și mărească volumul, ca în balon, el se dilată, iar densitatea lui scade;
• dacă gazul este închis într-un vas rigid, care nu-i permite să se dilate, atunci creșterea temperaturii duce la creșterea presiunii. De aceea buteliile și recipientele sub presiune nu se lasă la soare și nu se aruncă în foc.

O consecință folositoare: aerul cald, fiind mai puțin dens decât cel rece, urcă. Așa se explică funcționarea baloanelor cu aer cald, tirajul unui coș de fum și faptul că într-o cameră aerul cald se adună lângă tavan, în timp ce lângă podea rămâne rece. Tot de aici vine și regula practică de a monta caloriferele sub ferestre, jos, ca aerul încălzit să circule prin toată încăperea.

Test — 6 întrebări ca la examen