Temperatura și căldura

Elevii studiază noțiunile de temperatură, scări de temperatură și efectele căldurii asupra corpurilor.

Temperatura și scările de temperatură

Toate corpurile sunt formate din particule (atomi și molecule) aflate într-o continuă mișcare dezordonată, numită agitație termică. Temperatura este mărimea fizică ce măsoară gradul de agitație termică a particulelor unui corp — cu cât particulele se mișcă mai repede, cu atât temperatura este mai mare.

Instrumentul de măsură este termometrul, care funcționează, în varianta clasică, pe baza dilatării unui lichid (alcool colorat sau mercur) închis într-un tub subțire.

În fizică se folosesc două scări:

• scara Celsius, cu unitatea grad Celsius (°C); are ca repere temperatura de topire a gheții (0 °C) și cea de fierbere a apei (100 °C), la presiune normală;
• scara Kelvin, cu unitatea kelvinul (K), care este unitatea din Sistemul Internațional; pornește de la zero absolut, cea mai joasă temperatură posibilă, la care agitația termică ar înceta practic complet.

Relația de transformare, obligatorie la examen:

• T(K) = t(°C) + 273
• t(°C) = T(K) − 273

Astfel, 0 °C înseamnă 273 K, 27 °C înseamnă 300 K, iar zero absolut, 0 K, corespunde la −273 °C.

Două detalii care aduc puncte:

• la kelvin nu se scrie simbolul de grad: se scrie 300 K, nu 300 °K;
• o variație de 1 °C este egală cu o variație de 1 K, pentru că diviziunile celor două scări au aceeași mărime. De aceea, dacă un corp se încălzește cu 20 de grade, poți scrie Δt = 20 °C sau ΔT = 20 K, iar în formule rezultatul este identic. Doar valorile absolute diferă, nu și diferențele.

Dilatarea termică a solidelor

Dilatarea termică este fenomenul de mărire a dimensiunilor unui corp la creșterea temperaturii, iar fenomenul invers, la răcire, se numește contracție termică.

Explicația la nivel microscopic: prin încălzire, particulele se agită mai puternic și se depărtează una de alta, deci corpul ocupă un volum mai mare. Foarte important: numărul particulelor nu se schimbă, deci masa corpului rămâne aceeași — se modifică doar volumul, și odată cu el densitatea scade.

La solide se disting:

• dilatarea liniară — creșterea lungimii, relevantă la bare, șine, cabluri;
• dilatarea în volum — creșterea tuturor dimensiunilor.

Cât se dilată un corp depinde de trei factori: lungimea inițială, creșterea de temperatură și natura substanței (fiecare material are propriul coeficient de dilatare).

Aplicații și consecințe practice, favorite la itemi:

• între șinele de cale ferată se lasă rosturi, altfel vara s-ar încovoia;
• podurile se sprijină pe role sau au rosturi de dilatare;
• cablurile electrice se montează cu joc, mai lăsate vara;
• lama bimetalică — două metale diferite lipite, care la încălzire se curbează spre metalul ce se dilată mai puțin; pe ea se bazează termostatul din fiare de călcat, boilere și centrale termice;
• un capac metalic înțepenit se desface mai ușor după ce este ținut sub apă caldă.

Capcană clasică: la o placă metalică cu un orificiu, prin încălzire orificiul se mărește, nu se micșorează. Gaura se dilată la fel ca restul materialului, ca și cum ar fi făcută din același metal.

Dilatarea lichidelor și a gazelor. Anomalia apei

Lichidele se dilată în general mai mult decât solidele la aceeași creștere de temperatură. Pe această proprietate se bazează termometrul cu lichid: coloana de alcool sau mercur urcă vizibil în tubul subțire, chiar dacă variația de volum este mică.

De aceea recipientele cu lichide nu se umplu niciodată complet: sticlele de băuturi au un gol la gât, iar rezervoarele de combustibil se umplu doar parțial, ca lichidul dilatat vara să aibă unde se extinde.

Gazele se dilată cel mai mult dintre toate — și, spre deosebire de solide și lichide, toate gazele se dilată la fel, indiferent de natura lor. Un balon lăsat la soare se umflă, iar mingea ținută în frig se dezumflă. Pe acest fenomen se bazează și balonul cu aer cald: aerul încălzit din interior se dilată, o parte iese, densitatea aerului rămas scade, iar balonul urcă.

Ordinea de reținut: gaze > lichide > solide.

Anomalia apei este excepția cea mai importantă a capitolului. Apa se comportă neobișnuit între 0 °C și 4 °C:

• încălzită de la 0 °C la 4 °C, apa se contractă în loc să se dilate;
• la 4 °C apa are volumul minim și deci densitatea maximă (aproximativ 1000 kg/m³);
• peste 4 °C se dilată normal, ca orice lichid.

Consecința are un rol vital: iarna, apa de la 4 °C, fiind cea mai densă, coboară la fundul lacului, iar la suprafață rămâne apa mai rece, care îngheață. Gheața plutește pentru că are densitate mai mică decât apa lichidă, iar stratul de gheață izolează termic apa de dedesubt. Astfel lacurile nu îngheață până la fund și peștii supraviețuiesc. Tot din același motiv, o sticlă cu apă uitată în congelator crapă: apa care îngheață își mărește volumul.

Căldura — energie în tranzit

Când pui o lingură rece într-un ceai fierbinte, lingura se încălzește, iar ceaiul se răcește, până când amândouă ajung la aceeași temperatură — spunem că s-a atins echilibrul termic.

Ceea ce trece de la ceai la lingură se numește căldură.

Definiția de examen: căldura este energia transferată între două corpuri aflate la temperaturi diferite, transferul făcându-se întotdeauna de la corpul cu temperatura mai mare către cel cu temperatura mai mică.

Se notează cu Q și se măsoară în joule (J), aceeași unitate ca energia și lucrul mecanic. Vei mai întâlni și caloria: 1 cal ≈ 4,18 J.

O distincție esențială, sursă de multe greșeli: un corp nu conține căldură. Un corp are energie internă — suma energiilor particulelor sale. Căldura este energie în tranzit, adică denumirea transferului, nu a unei rezerve. Este exact ca la lucrul mecanic: nu spui că un corp „conține lucru mecanic”.

La fel de important: căldura nu este totuna cu temperatura. Temperatura arată cât de intensă este agitația termică, în timp ce căldura este cantitatea de energie transferată. O cană cu apă la 90 °C are temperatură mai mare decât o cadă cu apă la 40 °C, dar cada, având masă mult mai mare, conține mult mai multă energie internă și poate ceda mult mai multă căldură.

Căldura se poate transmite în trei moduri:

• conducție — prin contact direct, tipică solidelor, mai ales metalelor;
• convecție — prin deplasarea unor porțiuni de fluid mai calde, în lichide și gaze (calorifer, curenți de aer);
• radiație — prin unde, fără să fie nevoie de substanță între corpuri; așa ne ajunge căldura Soarelui prin vidul cosmic.

Căldura specifică și ecuația calorimetrică

Ca să încălzești un corp, trebuie să-i dai căldură. Cantitatea necesară depinde de trei lucruri: cât de mult corp ai, cu câte grade vrei să-l încălzești și din ce substanță este făcut.

Formula centrală a capitolului:

• Q = m · c · Δt

unde m este masa în kg, Δt = t_final − t_inițial este variația de temperatură, iar c este căldura specifică a substanței.

Căldura specifică este mărimea fizică numeric egală cu căldura necesară pentru a încălzi 1 kg de substanță cu 1 grad. Unitatea de măsură: J/(kg·K), scrisă și J/(kg·°C).

Este o constantă de material — o proprietate a substanței, la fel ca densitatea. Valorile de reținut:

• apa: c ≈ 4185 J/(kg·K), una dintre cele mai mari din natură;
• fierul: circa 460 J/(kg·K); aluminiul: circa 900 J/(kg·K).

Căldura specifică uriașă a apei explică multe fenomene: apa se încălzește greu și se răcește greu, de aceea marea rămâne caldă seara după apus, iar zonele de coastă au ierni mai blânde și veri mai răcoroase. Din același motiv apa este folosită ca agent de răcire în motoare și în caloriferele instalațiilor de încălzire.

Exemplu complet: câtă căldură trebuie să primească 2 kg de apă pentru a se încălzi de la 20 °C la 60 °C? Δt = 40 °C, deci Q = 2 · 4185 · 40 = 334 800 J, adică aproximativ 335 kJ.

Capacitatea calorică a unui corp este produsul C = m · c și arată câtă căldură îi trebuie acelui corp anume pentru a se încălzi cu un grad; se măsoară în J/K. Spre deosebire de căldura specifică, ea depinde de masă, deci de corpul concret, nu doar de substanță.

Dacă două corpuri cu temperaturi diferite se pun în contact, căldura cedată de corpul cald este egală cu căldura primită de corpul rece — aceasta este ecuația calorimetrică, adică forma pe care o ia legea conservării energiei în fenomenele termice.

Test — 6 întrebări ca la examen