4. CIEPŁO I TEMPERATURA

W atmosferze i na Ziemi zachodzi przemiana energii promieniowania w energię cieplną. Powierzchnię, na którą pada promieniowanie i następuje przemiana energii, nazywamy powierzchnią czynną. Ciepło to wielkość fizyczna w postaci ciepła odczuwalnego (jawnego) i utajonego (parowania, topnienia, sublimacji). Może istnieć ich zamiana gdy zostanie wykonana jakaś praca mechaniczna lub przy sprężaniu i rozprężaniu skutkiem zmian ciśnienia.

Ciepło właściwe i pojemność cieplna - na ćwiczeniach

1. ISTOTA TEMPERATURY

Pojęcie temperatury wiązano początkowo z odczuciami. Przedmiot uważano za gorący lub zimny w zależności od tego, jaki wydawał się w dotyku. Temperatura ciała określa więc jego zdolność do przekazywania ciepła lub do pobierania ciepła od innych ciał. W układzie dwóch ciał, o tym, które traci ciepło na rzecz drugiego - mówimy, że ma wyższą temperaturę.

Temperatura nie ma wymiaru i nie może być mierzona w taki sposób jak np. długość. Po złożeniu dwóch prętów o długości 10cm powstaje jeden 20-centymetrowy, lecz po złożeniu dwóch ciał o jednakowych temperaturach, nowy twór nie ma podwojonej temperatury.

W celu określenia temperatury wybiera się dwa ustalone punkty, których temperatura jest powiązana ze szczególnymi właściwościami fizycznymi pewnych substancji - tzw. punkty termometryczne. Między nimi określa się pewną ilość działek zwanych stopniami, co nie jest równoznaczne z jednostkami temperatury. Najpopularniejsze skale termometryczne powstały w latach 1714 - Fahrenheita (topnienie lodu 32 i wrzenie wody 212 dało 180 działek), 1731 - Reaumura i 1742 - Celsjusza. Skala absolutna Kelvina oparta jest na punkcie topnienia lodu (273) i wrzenia wody (373). Stała różnica 273 wynika z tego, że gdy ogrzewamy gaz w zamkniętym naczyniu, utrzymując stałe ciśnienie, to gaz się rozszerza - rośnie objętość. Określonym wzrostom t odpowiada określony wzrost v (przemiana izobaryczna). Mówi się o współczynniku rozszerzalności gazu przy stałym p, który jest równy 1/273. Jeśli v₀ to objętość początkowa, a v_t to objętość w temp. tºC i t = 0ºC, to: v_t = v₀ (1+1/273*t).

4.2. PRZYCZYNY ZMIAN TEMPERATURY POWIETRZA

Każde ciało, również powietrze wykazuje pewną zdolność do przewodzenia ciepła. Zależy ona od właściwości fizycznych ośrodka. Temperatura powietrza i jej ciągłe zmiany zależą od wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią Ziemi i atmosferą - od wymiany między jej warstwami w pionie i między masami w poziomie. Wymiana ciepła odbywa się drogą:

• Promieniowania krótkofalowego Słońca pochłoniętego przez Ziemię i atmosferę oraz długofalowego promieniowania Ziemi i atmosfery,

• Przewodnictwa cieplnego cząsteczkowego między powierzchnią Ziemi a podłożem (woda, grunt),

• Przenoszenia ciepła dzięki adwekcji oraz ruchom turbulencyjnym wewnątrz atmosfery,

• Zmiany faz wody (parowanie, topnienie - utrata ciepła, kondensacja, zamarzanie - pobór i in.),

• Zmianom adiabatycznym wskutek sprężanie lub rozprężania pewnych porcji powietrza w ruchu pionowym.

Jednak w dowolnym okresie czasu z powierzchni Ziemi uchodzi ku górze i ku dołowi łącznie tyle ciepła, ile ta powierzchnia otrzymuje z góry i z dołu. Inaczej nie byłoby spełnione prawo zachowania energii, która powstawałaby lub ginęła na powierzchni Ziemi. Może się jednak zdarzyć, że np. ku górze ujdzie więcej ciepła niż go dojdzie z góry. Wtedy ten nadmiar musi być uzupełniony przychodem ciepła z gruntu (wody).

4.3. BILANS CIEPLNY POWIERZCHNI ZIEMI

Tak więc suma algebraiczna przychodów i rozchodów na powierzchni Ziemi musi być równa zeru, co można wyrazić równaniem bilansu cieplnego [1], w którym łączymy 4 składniki:

1-R - bilans radiacyjny,

2-P - dopływ i odpływ ciepła do i od powietrza drogą przewodnictwa,

3-A - analogiczny przychód i rozchód drogą wymiany między głębszymi warstwami wody lub gruntu,

4-LE - straty na parowanie lub zysk przy kondensacji, gdzie L jest ciepłem właściwym, zaś E-masą wyparowanej lub skondensowanej wody.

Otrzymujemy następującą postać bilansu cieplnego powierzchni Ziemi: R+ P+ A+ LE = 0

Należy dodać, że sens równania polega na tym, że wymiana ciepła przez promieniowanie jest równoważona drogą nieradiacyjną (przewodnictwa, zmian fazowych). Jest prawdziwe dla dowolnego miejsca i dowolnego okresu.

4.4. ROZCHODZENIE SIĘ CIEPŁA W WODZIE I GRUNCIE

Sposób w jaki powierzchnia ziemi przyjmuje i oddaje otrzymaną od Słońca energię zależy od rodzaju tej powierzchni (co ma związek z albedo), ale przede wszystkim od tego, czy są to obszary wodne czy lądowe.

Woda na sutek swojej wielkiej ruchliwości (falowanie i prądy) ulega nieustannemu mieszaniu. Bezładne ruchy turbulencyjne przenoszą ciepło na znaczne głębokości i przekazują je dużej objętości wody. Efektem tego jest szybkie wyrównywanie się temperatury i stosunkowo małe jej zmiany z głębokością zarówno w okresie doby, jak i roku. Ocenia się, że w morzach i oceanach dobowe wahania temperatury sięgają do głębokości 10-20 m, zaś roczne 150-400 m.

Woda odznacza się ogromną pojemnością cieplną, gdyż na ogrzanie 1 cm³ wody o 1°C potrzebna jest 1 kaloria. Wskutek tego nagrzewa się powoli, przekazując równocześnie ciepło w głąb, ale i powoli stygnie, inaczej mówiąc - magazynuje zapas ciepła.

Powierzchnia lądowa przekazuje uzyskaną energię drogą przewodzenia w głąb gruntu, a drogą promieniowania długofalowego oraz ruchów konwekcyjnych i turbulencyjnych - do atmosfery. Grunt pochłania energię słoneczną bardzo cienką warstwa - ok. 1 mm. Wskutek tego w ciągu dnia i latem jego powierzchnia nagrzewa się bardzo silnie i szybko, a w nocy i zimą równie silnie i szybko traci ciepło przez wypromieniowanie.

Pojemność cieplna gruntu zmienia się w zależności od ilości wody w nim zawartej. Na ogrzanie 1 cm³ gruntu o 1°C potrzebne jest 0,5 kalorii, czyli 2 razy mniej niż potrzebuje woda. Zatem grunt suchy w porównaniu do gruntu wilgotnego szybciej się nagrzewa i ochładza.

Przewodnictwo cieplne wody jest blisko 20-krotnie większe od przewodnictwa cieplnego powietrza, a zatem jeśli szczeliny w glebie są wypełnione wodą, taka gleba wykazuje większą zdolność do przewodzenia ciepła. Jak układa się temperatura w gruncie opisuje prawo Fouriera.

Rozchodzenie się ciepła w powietrzu, gruncie i w wodzie (i prawo Fouriera) - na ćwiczeniach

W literaturze często mówi się o bilansie cieplnym układu Ziemia-atmosfera.

---