2.3 Πώς μετράμε τη θερμότητα;

Από τι εξαρτάται άραγε η θερμότητα που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος; Από την πείρα μας ξέρουμε ότι χρειάζεται μεγαλύτερο χρόνο θέρμανσης για να βράσει το νερό μιας κατσαρόλας απ' ότι το νερό σε ένα μπρίκι μα την ίδια φλόγα. Επίσης όταν έχουμε ίσες ποσότητες κρύου και χλιαρού νερού, το κρύο νερό χρειάζεται περισσότερη θερμότητα για να βράσει. Και όταν θερμαίνουμε στην ίδια φλόγα ίσες ποσότητες νερού και γάλατος, το γάλα βράζει γρηγορότερα. Τι σημαίνουν όμως όλες αυτές οι παρατηρήσεις;

Αν ζυγίσουμε ποικίλες ποσότητες νερού και λαδιού τις θερμάνουμε για συγκεκριμένους χρόνους και μετρήσουμε τις αντίστοιχες μεταβολές της θερμοκρασίας τους, (Εικ. 2.10, 11, 12) συμπεραίνουμε ότι η θερμότητα που μεταφέρεται σε ένα σώμα: (α) Είναι ανάλογη με την αύξηση της θερμοκρασίας του. Έτσι για διπλάσια αύξηση της θερμοκρασίας μεταφέρεται διπλάσια θερμότητα κ.ο.κ. Παρόμοια είναι η διαδικασία και κατά την ελάττωση της θερμοκρασίας του σώματος. (β) Είναι ανάλογη της μάζας του σώματος. Για αυτό, για την ίδια μεταβολή της θερμοκρασίας σε νερό διπλάσιας μάζας μεταφέρεται διπλάσια θερμότητα, για τριπλάσια μάζα τριπλάσια θερμότητα κ.ο.κ. (γ) Εξαρτάται από το είδος του υλικού. Για παράδειγμα σε ίσες μάζες λαδιού και νερού για μεταβολή τής θερμοκρασίας τους κατά 1°C, στο λάδι χρειάζεται να μεταφερθεί ή μισή ποσότητα της θερμότητας απ’ όση χρειάζεται να μεταφερθεί στο νερό.

Για να μεταβληθεί η θερμοκρασία 1 kg νερού κατά 1 °C χρειάζεται θερμότητα 4200 J. Λέμε,, ότι η ειδική θερμότητα του νερού είναι 4200 J/kg °C. Γενικά, η ειδική θερμότητα είναι η ποσότητα της θερμότητας που χρειάζεται για να μεταβληθεί η θερμοκρασία 1 kg κάποιου υλικού κατά 1°C (Εικόνα 2.13) .

νερό πάγος ελαιόλαδο χώμα ΑΙ άμμος Fe Cu Hg 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 Εικόνα 2.13

Θερμότητα που πρέπει να μεταφερθεί για να μεταβληθεί κατά 1° C η θερμοκρασία μάζας 1 Kg ορισμένων υλικών. Η θερμότητα αυτή ονομάζεται ειδική θερμότητα και χαρακτηρίζει το κάθε υλικό. Μετριέται σε J/Kg·°C

Εικόνα 2.10 Όταν χρησιμοποιούμε δύο λύχνους στο νερό μεταφέρεται διπλάσια ποσότητα θερμότητας. Σε αυτή την περίπτωση η μεταβολή της θερμοκρασίας είναι διπλάσια.

Εικόνα 2.11 Για να επιτύχουμε την ίδια μεταβολή θερμοκρασίας στη διπλάσια μάζα νερού χρησιμοποιούμε δύο λύχνους. Στη διπλάσια μάζα νερού, μεταφέρεται διπλάσια ποσότητα θερμότητας.

Εικόνα 2.12 Για να επιτύχουμε την ίδια μεταβολή θερμοκρασίας σε ίσες ποσότητες νερό και λάδι, στο νερό χρησιμοποιούμε δύο λύχνους και στο λάδι ένα. Στο νερό, μεταφέρεται διπλάσια ποσότητα θερμότητας.

Ώστε για να υπολογίσουμε τη θερμότητα που μεταφέρεται σε ένα σώμα (ή μεταφέρεται από το σώμα) αρκεί να πολλαπλασιάσουμε μεταξύ τους: - τη μάζα του σώματος - τη μεταβολή της θερμοκρασίας του και - την ειδική θερμότητα του σώματος Συνοπτικά, μπορούμε να γράψουμε θερμότητα = (μάζα) x (μεταβολή θερμοκρασίας) x (ειδική θερμότητα) Συμβολικά : Q = m · Δθ · c Για παράδειγμα όταν η θερμοκρασία 2 kg νερού αυξάνεται από τους 20°C στους 25°C, η θερμότητα που μεταφέρεται στο νερό είναι: Q= 2 kg x (25-20) °C x 4200 J/kg °C = 2 kg x 5 °C x 4200 J/kg = =42000 J=42 kJ Παρόμοια αν η ίδια ποσότητα νερού ψυχθεί από τη θερμοκρασία των 20° C στη θερμοκρασία των 15°C θα μεταφερθεί στο περιβάλλον θερμότητα 42 kJ.

Κατάδυση στη Φυσική Όταν αναμείξουμε ίσες μάζες νερού διαφορετικής θερμοκρασίας προκύπτει τελική θερμοκρασία ίση με το μέσο όρο των θερμοκρασιών τους. Στο παράδειγμα της εικόνας, το κρύο νερό κατά την ανάμειξη θερμάνθηκε κατά 5° C και συγχρόνως το ζεστό νερό ψύχθηκε κατά 5° C. Το μίγμα έχει τελική θερμοκρασία που αντιστοιχεί σε ίσες μεταβολές θερμοκρασίας. Στη θερμική αυτή μεταβολή όση ενέργεια απέβαλε το θερμό νερό τόση ακριβώς μεταφέρθηκε στο ψυχρό νερό. Άρα η ενέργεια διατηρείται.

Δείτε κι αυτό Το νερό έχει τη μεγαλύτερη ειδική θερμότητα από τα συνηθισμένα υλικά. Δηλαδή αν μεταφερθεί το ίδιο ποσό θερμότητας στην ίδια μάζα νερού και ενός άλλου υλικού, η θερμοκρασία του νερού θα μεταβληθεί λιγότερο απ’ ότι η θερμοκρασία του άλλου υλικού. Γι' αυτό χρησιμοποιείται στα συστήματα κεντρικής θέρμανσης και στα συστήματα ψύξης του κινητήρα των αυτοκινήτων για την μεταφορά θερμότητας. Η ξηρά έχει τέσσερις φορές περίπου μικρότερη ειδική θερμότητα από το νερό. Την ημέρα η θερμοκρασία της ξηράς αυξάνεται γρηγορότερα από της θάλασσας. Τη νύχτα η θερμοκρασία της ξηράς ελαττώνεται γρηγορότερα από της θάλασσας. Έτσι το καλοκαίρι την ημέρα το νερό της θάλασσας είναι δροσερό σε σχέση με τη ζεστή άμμο, ενώ τη νύχτα είναι πιο ζεστό από αυτή. Στη μεγάλη ειδική θερμότητα του νερού οφείλεται, επίσης, το γεγονός ότι το χειμώνα οι παραθαλάσσιες περιοχές έχουν υψηλότερες θερμοκρασίες από τις ηπειρωτικές. Στις περιοχές που βρίσκονται κοντά στη θάλασσα το κλίμα είναι περισσότερο ήπιο - παρατηρούνται μικρότερες διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ χειμώνα και καλοκαιριού - από όσο στις περιοχές που βρίσκονται στο ίδιο γεωγραφικό πλάτος μακριά από τη θάλασσα, παρόλο που δέχονται την ίδια ποσότητα θερμότητας. 1.800 θερμίδες

4.800 θερμίδες

1.200 θερμίδες

8.500 θερμίδες

1.800 θερμίδες

9.600 θερμίδες

10.500 θερμίδες

Ο άνθρωπος ξοδεύει ενέργεια για να διατηρεί τη θερμοκρασία του σώματος του σταθερή στους 37° C αλλά και για τις λειτουργίες του οργανισμού: αναπνοή κυκλοφορία κτλ. Επίσης όταν περπατά, τρέχει, εργάζεται χειρονακτικά, διαβάζει, και γενικά σε κάθε δραστηριότητα του, η ενέργεια του ελαττώνεται. Πού τη βρίσκει αυτήν την ενέργεια; Σε παλαιότερες εποχές το λάδι και το λίπος χρησίμευαν και ως καύσιμο. Οι τροφές δίνουν στον οργανισμό την απαιτούμενη ενέργεια. Ο οργανισμός μας διασπά τις τροφές και χρησιμοποιεί την ενέργεια τους. Στη συσκευασία των τροφίμων αναγράφεται συνήθως αυτή η ποσότητα ενέργειας. Λόγου χάρη αναφέρεται - ζάχαρη 383 kcal, δηλαδή αν "καούν" 100g ζάχαρη παράγονται 383 kcal (χιλιοθερμίδες ή διαιτητικέ θερμίδες).

Η ενέργεια που ξοδεύεται τη διάρκεια ενός λεπτού δραστηριότητας. Για κάθε 100 joules ενέργειας στους μύες, τα 3/4 μετατρέπονται σε θερμότητα στο σώμα μας και το υπόλοιπο 1/4 ξοδεύεται με τη μορφή κινητικής ενέργειας. Τα παιδιά αν και τρώνε λιγότερο από τους ενήλικους, χρειάζονται περισσότερη ενέργεια ανά χιλιόγραμμο σώματος. Έτσι, ένα παιδί 12 χρονών χρειάζεται περίπου 70 χιλιοθερμίδες ανά χιλιόγραμμο, ενώ ένας άντρας 25 χρονών περίπου 46 kcal/kg και μία γυναίκα 40 kcal/kg . Στην ηλικία των 65 χρόνων αυτές οι τιμές μειώνονται κατά το 1/3 περίπου. Άρα για τη διατροφή των παιδιών απαιτούνται τροφές με υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο και θρεπτικά συστατικά. Όταν προσλαμβάνουμε περισσότερη τροφή απ' όση διασπά ο οργανισμός μας, προκαλείται παχυσαρκία.

Στη συσκευασία των τροφίμων αναφέρεται το ενεργειακό τους περιεχόμενο σε μονάδες joule και cal ή σωστότερα σε kJ και σε kcal. Μία θερμίδα, 1 cal είναι η θερμότητα που μεταφέρεται σε 1 g νερό για να αυξηθεί η θερμοκρασία κατά 1° C.