V studený deň chyť do dlaní hrnček horúceho kakaa. Čoskoro cítiš, ako sa ti dlane zohrievajú, a kakao pomaly chladne. Niečo prešlo z hrnčeka do tvojich rúk. Tým niečím je teplo.
Čo je teplo?
Všetko okolo teba sa skladá z drobných čiastočiek: z atómov a z malých skupiniek atómov, ktoré držia pokope. Sú oveľa menšie, než aby sa dali uvidieť. A nikdy nie sú v pokoji: stále sa chvejú a pohybujú sem a tam, dokonca aj vo vnútri pevnej lyžice.
Čím je niečo teplejšie, tým rýchlejšie sa jeho čiastočky chvejú. To, aké teplé alebo studené niečo je, má svoje meno: teplota.
Keď sa teplá vec dotkne studenej, ich čiastočky do seba narážajú. Rýchlo sa chvejúce čiastočky vrážajú do pomalých a zrýchlia ich chvenie. Takto prechádza energia z teplejšej veci na chladnejšiu.
Tejto putujúcej energii hovoríme teplo. Teplo je druh energie a meria sa v jouloch ako každá energia.
Teplo a teplota nie sú to isté
Ľudia si teplo a teplotu často pletú, ale sú to rozdielne veci. Teplota hovorí, aké teplé niečo je. Množstvo tepelnej energie závisí od teploty, ale aj od toho, koľko látky tam je.
Predstav si hrnček horúceho čaju a vaňu plnú teplej vody. Čaj je teplejší: má asi 80 stupňov Celzia (°C). Voda vo vani má len asi 38 °C.
Vo vani je však niekoľkostokrát viac vody a všetka je teplá. Preto má vaňa v sebe oveľa viac tepelnej energie ako čaj.
Hoď do oboch hrsť kociek ľadu. Čaj bude už len vlažný, ale voda vo vani sa takmer nezmení.
Teplo tečie od teplého k studenému
Tu je najdôležitejšie pravidlo o teple. Samo od seba tečie teplo vždy z teplejšej veci do chladnejšej. Nikdy nie naopak.
Horúci nápoj v chladnej izbe odovzdáva teplo vzduchu, a preto chladne. Zmrzlina v horúcom dni berie teplo z teplého vzduchu, a preto sa topí. Teplo tečie dovtedy, kým nemajú obe rovnakú teplotu.
Šálka čaju sa nikdy sama nezohreje tým, že by si zobrala teplo z chladnejšej izby okolo seba. Nikto to ešte nikdy nevidel.
Chlad netečie dnu – teplo uniká von
Keď držíš snehovú guľu, zdá sa ti, že ti do ruky tečie chlad. Chlad však nie je nič, čo by mohlo tiecť. V skutočnosti tečie teplo z tvojej teplej ruky do snehu.
Chlad znamená len to, že sa čiastočky chvejú pomaly. Neexistuje žiadna „studená látka“, ktorá by sa mohla presúvať.
Chladnička nepumpuje do jedla chlad. Teplo z jedla odoberá. Zimná bunda nezadržiava chlad vonku. Zadržiava teplo tvojho tela vo vnútri.
Tri spôsoby, ako sa teplo šíri
Teplo sa môže šíriť tromi rôznymi spôsobmi.
Vedenie: dotykom. Vlož kovovú lyžicu do horúcej polievky a čoskoro sa zohreje aj jej rúčka. Horúce čiastočky na spodku narážajú do susedných a tie zase do svojich susedov – až hore po rúčku.
Kovy vedú teplo veľmi dobre. Dobre vedú aj elektrinu (pozri vodiče a izolanty). Drevo, plast a vzduch vedú teplo zle.
Prúdenie: teplo nesie pohybujúci sa vzduch alebo voda. Vzduch nad radiátorom sa zohreje a stúpa hore. Na jeho miesto prúdi chladnejší vzduch, zohreje sa a tiež stúpa.
Vzduch tak krúži po izbe dookola a roznáša teplo. Polievka v hrnci na sporáku sa pohybuje rovnako.
Žiarenie: teplo, ktoré letí ako neviditeľné svetlo. Slnko ti hreje tvár, hoci priestor medzi Slnkom a Zemou je prázdny. Aj táborák cítiš na tvári z niekoľkých krokov. Toto neviditeľné svetlo sa volá infračervené žiarenie.
Ako udržať teplo: izolácia
Niekedy chceme, aby teplo zostalo tam, kde je. Materiály, ktoré teplo spomaľujú, sa volajú tepelné izolanty. Teplo nevyrábajú. Len spomaľujú, ako rýchlo uniká.
Deka, zimná bunda aj vlnená čiapka zachytávajú veľa nehybného vzduchu. Nehybný vzduch vedie teplo veľmi zle. Preto ti teplo tvojho tela vydrží oveľa dlhšie.
Termoska je ešte šikovnejšia. Má dve steny a medzi nimi takmer nič – ani vzduch. Takému prázdnemu priestoru sa hovorí vákuum.
V medzere nie sú takmer žiadne čiastočky, takže teplo sa cez ňu takmer nedostane. Lesklé steny navyše odrážajú žiarenie späť.
Tu je hádanka. Termoska udrží horúci čaj horúci, ale aj studený džús studený. Ako to?
Spomaľuje teplo oboma smermi. Nepustí teplo von z čaju a nepustí teplo dnu do džúsu.
Môže teplo tiecť od studeného k teplému?
Samo od seba nie. Stroj však dokáže tlačiť teplo „do kopca“, z chladnejšieho miesta na teplejšie. Musí pritom spotrebúvať energiu.
Tvoja chladnička to robí každý deň. Odoberá teplo studenému jedlu vo vnútri a vytláča ho von do teplejšej kuchyne. Dotkni sa bočnej steny chladničky: často je teplá. To je teplo z tvojho jedla a k tomu trochu tepla z motora chladničky.
Tepelné čerpadlo funguje rovnako. V zime zbiera teplo zo studeného vzduchu vonku a tlačí ho do teplého domu. Klimatizácia robí opak. V horúcom dni vynáša teplo z izby von.
Poďme hlbšie: Teplo, či tepelná energia? Presné slová pre dospelých a extra zvedavých
V bežnej reči hovoríme, že vaňa „má viac tepla“. Vedci sú prísnejší. Slovo teplo používajú len pre energiu, ktorá práve prechádza z teplejšej veci na chladnejšiu.
Energia uložená v chvejúcich sa čiastočkách sa volá tepelná energia alebo vnútorná energia. Presne povedané teda vaňa má viac vnútornej energie ako čaj a dokáže odovzdať oveľa viac tepla.
Poďme hlbšie: Druhý termodynamický zákon jednoduchými slovami pre dospelých a extra zvedavých
Pravidlo, že teplo samo od seba tečie len od teplého k studenému, je jedna z podôb druhého termodynamického zákona. Nemecký fyzik Rudolf Clausius ho zapísal v 50. rokoch 19. storočia. Teplo nemôže nikdy prejsť z chladnejšieho telesa na teplejšie, ak sa zároveň nezmení niečo iné – napríklad ak nejaký stroj nespotrebuje energiu.
Fyzici to opisujú veličinou, ktorá sa volá entropia. Meria, ako veľmi je energia rozptýlená. Pri všetkom, čo sa deje samo od seba, celková entropia rastie: energia sa rozptyľuje a rozptýlená energia sa sama nikdy znova nezhromaždí.
Prvý zákon hovorí, že energia sa nikdy nestratí (pozri zákon zachovania energie). Druhý zákon hovorí, ktorým smerom tečie teplo. Preto tepelné čerpadlo potrebuje elektrinu: presunúť teplo od studeného k teplému sa dá len vtedy, keď sa spotrebuje energia.
Poďme hlbšie: Prečo sa voda zohrieva pomaly: merná tepelná kapacita pre dospelých a extra zvedavých
Rôzne látky potrebujú na zohriatie rôzne množstvo tepla. Na zohriatie 1 kg vody o 1 °C treba asi 4 200 joulov, ale na zohriatie 1 kg železa o 1 °C len asi 450 joulov. Toto číslo sa volá merná tepelná kapacita. Potrebné teplo je:
Tu je teplo v jouloch (J), je hmotnosť v kilogramoch (kg), je merná tepelná kapacita v jouloch na kilogram a stupeň a je zmena teploty v °C.
Príklad: na zohriatie 1 litra (1 kg) vody z 20 °C na 100 °C treba joulov. Rýchlovarná kanvica s výkonom 2 000 W dodá každú sekundu 2 000 joulov, takže jej to potrvá asi 170 sekúnd – takmer 3 minúty. Skutočné kanvice potrebujú o niečo dlhšie, pretože časť tepla unikne.
Keďže voda uloží veľa tepla, more sa v lete zohrieva pomaly a na jeseň pomaly chladne. Preto sa voda používa aj v termoforoch a radiátoroch.
Stará jednotka tepla, kalória, je teplo, ktoré zohreje 1 gram vody o 1 °C: asi 4,2 joulu. Kilokalória z obalov potravín je 1 000 kalórií.
Poďme hlbšie: Kde obrázok s kopcom nesedí pre dospelých a extra zvedavých
Voda tečúca dolu kopcom je dobrý obrázok, ale teplo nie je kvapalina. Pri vedení neputuje z horúcej veci na studenú nič okrem samotného chvenia, ktoré si čiastočky odovzdávajú jedna druhej. Pri prúdení sa teplý vzduch alebo voda naozaj pohybuje a berie svoju energiu so sebou.
Over sa
Čo má v sebe viac tepelnej energie: hrnček horúceho čaju, alebo vaňa teplej vody?
Ukáž odpoveď
Vaňa, lebo je v nej oveľa viac teplej vody — Čaj je teplejší, ale vo vani je niekoľkostokrát viac vody. Všetka tá teplá voda má spolu oveľa viac tepelnej energie.
Čaj je teplejší, ale vo vani je niekoľkostokrát viac vody. Všetka tá teplá voda má spolu oveľa viac tepelnej energie.
Over sa
Držíš snehovú guľu a ruka ti chladne. Čo sa v skutočnosti deje?
Ukáž odpoveď
Z tvojej ruky tečie do snehu teplo — Chlad nie je nič, čo by mohlo tiecť. Teplo tečie vždy od teplejšieho k chladnejšiemu, takže odchádza z tvojej teplej ruky do snehu.
Chlad nie je nič, čo by mohlo tiecť. Teplo tečie vždy od teplejšieho k chladnejšiemu, takže odchádza z tvojej teplej ruky do snehu.