Α. Θερμοκρασία – Θερμότητα: Δύο έννοιες διαφορετικές
Θερμοκρασία: είναι ένα μέγεθος που μας βοηθάει να περιγράψουμε πόσο θερμό ή ψυχρό είναι ένα σώμα. Τη θερμοκρασία τη μετράμε με ειδικά όργανα, τα θερμόμετρα. Με τα θερμόμετρα μπορούμε να μετρήσουμε τη θερμοκρασία του σώματος μας, τη θερμοκρασία στο σπίτι κλπ.
Η θερμοκρασία μετριέται σε μια κλίμακα που ονομάζεται Κελσίου C.
Στο θερμόμετρο Κελσίου το 0 της κλίμακας (0 ο C) αντιστοιχεί στη θερμοκρασία που λιώνει ο πάγος ενώ το 100 (100 ο C) στη θερμοκρασία που βράζει το νερό. Η απόσταση από το 0 έως το 100 χωρίζεται σε 100 ίσα μέρη που λέγονται «βαθμοί Κελσίου».
Η ιδανική θερμοκρασία για τον άνθρωπο είναι περίπου 20ο C.
Πού οφείλεται η αλλαγή θερμοκρασίας;
Η αλλαγή της θερμοκρασίας οφείλεται στην ενέργεια. Μία από τις μορφές ενέργειας είναι η θερμική ενέργεια.
Θερμική ενέργεια: ονομάζεται η κινητική ενέργεια των μορίων λόγω των συνεχών και τυχαίων κινήσεών τους. Τη θερμική ενέργεια την αντιλαμβανόμαστε από τη θερμοκρασία του σώματος. Όσο περισσότερη θερμική ενέργεια έχει ένα σώμα, τόσο μεγαλύτερη είναι και η θερμοκρασία του. Η αύξηση ή η μείωση της θερμικής ενέργειας του σώματος, άρα και η αύξηση ή η μείωση της θερμοκρασίας του γίνεται με τη ροή ενέργειας.
- Όταν στο σώμα προσφέρεται ενέργεια, η θερμική ενέργειά του, άρα και η θερμοκρασία του, αυξάνεται.
- Αντίθετα, όταν το σώμα χάνει ενέργεια, η θερμική του ενέργεια, άρα και η θερμοκρασία του, μειώνεται.
Θερμότητα: ονομάζεται η ενέργεια που ρέει από ένα σώμα προς ένα άλλο λόγω διαφορετικής θερμοκρασίας. Η θερμότητα ρέει πάντοτε από τα σώματα με υψηλότερη θερμοκρασία προς τα σώματα με χαμηλότερη θερμοκρασία. Τα σώματα με τη μεγαλύτερη θερμοκρασία προσφέρουν θερμότητα στα σώματα με τη μικρότερη θερμοκρασία ενώ τα σώματα με τη μικρότερη θερμοκρασία απορροφούν θερμότητα από τα σώματα με τη μεγαλύτερη θερμοκρασία.
Αυτή η ροή ενέργειας από το θερμότερο προς το ψυχρότερο σώμα σταματάει, όταν και τα δύο σώματα θα έχουν την ίδια θερμοκρασία, θα βρίσκονται δηλαδή σε θερμική ισορροπία.
Β. Τήξη – Πήξη
Μία από τις ιδιότητες των σωμάτων που μπορούμε να αντιληφθούμε με τις αισθήσεις μας είναι η φυσική τους κατάσταση. Άλλα σώματα είναι στερεά, άλλα υγρά και άλλα αέρια.
Ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν ένα σώμα μπορεί να είναι σε στερεή, σε υγρή ή σε αέρια κατάσταση. Τα πετρώματα και τα μέταλλα στην επιφάνεια της Γης είναι στερεά. Στο εσωτερικό της Γης όμως, όπου οι συνθήκες είναι διαφορετικές, τα ίδια υλικά βρίσκονται σε υγρή φυσική κατάσταση.
π.χ. Όταν επικρατούν χαμηλές θερμοκρασίες το νερό γίνεται από υγρό στερεό (πάγος). Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία, γίνεται πάλι υγρό. Νερό στη φύση υπάρχει και σε αέρια μορφή. Ο αέρας που μας περιβάλλει περιέχει υδρατμούς, νερό σε αέρια μορφή. Η συνεχής αλλαγή της φυσικής κατάστασης του νερού προκαλεί πολλά από τα καιρικά φαινόμενα, τη βροχή, το χιόνι, το χαλάζι.
Τήξη: ονομάζεται η μετατροπή ενός στερεού σώματος σε υγρό. Κάθε στερεό σώμα μετατρέπεται σε υγρό σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, η οποία ονομάζεται θερμοκρασία τήξης. Όση ώρα διαρκεί η τήξη, η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή.
π.χ. Όταν βάζουμε παγάκια στο νερό, ρέει θερμότητα από το νερό προς τα παγάκια επειδή το νερό είναι θερμότερο από τον πάγο. Έτσι, ο πάγος απορροφά θερμότητα και λιώνει, από στερεός γίνεται υγρός.
Πήξη: ονομάζεται η μετατροπή ενός υγρού σώματος σε στερεό. Κάθε υγρό σώμα μετατρέπεται σε στερεό σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, που ονομάζεται θερμοκρασία πήξης. Όση ώρα διαρκεί η πήξη, η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή.
π.χ. Όταν τοποθετούμε την παγοθήκη στην κατάψυξη, από το θερμότερο νερό αποβάλλεται θερμότητα στον πιο ψυχρό αέρα, που βρίσκεται μέσα στην κατάψυξη. Το νερό σταδιακά από υγρό γίνεται στερεό.
Για κάθε σώμα οι θερμοκρασίες τήξης και πήξης είναι ίσες.
Γ. Εξάτμιση – Βρασμός – Υγροποίηση
Η μετατροπή από την υγρή στην αέρια κατάσταση γίνεται με 2 τρόπους, την εξάτμιση και τον βρασμό.
Εξάτμιση: είναι η μετατροπή ενός υγρού σώματος σε αέριο και γίνεται μόνο από την επιφάνεια του υγρού.
π.χ. Όταν ζεσταίνουμε με το πιστολάκι τα βρεγμένα μαλλιά μας, το νερό εξατμίζεται (από υγρό γίνεται αέριο). Έτσι, τα μαλλιά στεγνώνουν.
Όταν ο ήλιος ζεσταίνει τα ρούχα που έχουμε απλώσει, το νερό εξατμίζεται (από υγρό γίνεται αέριο). Έτσι, τα ρούχα στεγνώνουν.
Βρασμός: είναι η μετατροπή ενός υγρού σώματος σε αέριο και γίνεται σε όλη τη μάζα του υγρού. Η θερμοκρασία στην οποία βράζει ένα υγρό ονομάζεται θερμοκρασία βρασμού. Η θερμοκρασία βρασμού αποτελεί χαρακτηριστική ιδιότητα του υγρού και διατηρείται σταθερή σε όλη τη διάρκεια του βρασμού.
π.χ. Όταν βάλουμε μια κατσαρόλα με νερό σε δυνατή φωτιά, το νερό αρχίζει να βράζει (από υγρό γίνεται αέριο). Έτσι, μπορούμε να βράσουμε τα μακαρόνια.
Διαφορές εξάτμισης – βρασμού
- Στον βρασμό, δημιουργούνται φυσαλίδες σε όλη τη μάζα του υγρού ενώ στην εξάτμιση όχι. Έχουμε διαφυγή αερίων μόνο από την ελεύθερη επιφάνειά του.
- Στον βρασμό το υγρό πρέπει να θερμανθεί και να φτάσει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία ενώ η εξάτμιση γίνεται ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία του.
Συμπύκνωση ή υγροποίηση: ονομάζεται η μετατροπή ενός αερίου σώματος σε υγρό. Κατά την υγροποίηση το αέριο αποβάλλει ενέργεια και γίνεται υγρό.
π.χ. Όταν τα σύννεφα χάνουν θερμότητα (ψύχονται) μετατρέπονται σε νερό (βροχή).
Όταν οι υδρατμοί ψύχονται στην κρύα επιφάνεια του τζαμιού συμπυκνώνονται και τα τζάμια θαμπώνουν.
Δ. Διαστολή – Συστολή
Όταν ένα σώμα θερμαίνεται, παίρνει ενέργεια και μεγαλώνει σε όλες του τις διαστάσεις. Τότε λέμε ότι το σώμα διαστέλλεται.
Άρα, διαστολή: είναι η αύξηση του όγκου ενός σώματος όταν θερμαίνεται.
Αντίθετα, όταν ένα ψύχεται, χάνει ενέργεια και μικραίνει σε όλες του τις διαστάσεις. Τότε λέμε ότι συστέλλεται.
Άρα, συστολή: είναι η μείωση του όγκου ενός σώματος όταν ψύχεται.
-
- Στερεά σώματα
π.χ. Όταν η σφαίρα θερμαίνεται, διαστέλλεται και δε χωράει πλέον στο δαχτυλίδι.
π.χ. Τα καλώδια της ΔΕΗ είναι τεντωμένα τον χειμώνα γιατί επικρατούν χαμηλές θερμοκρασίες και τα σύρματα συστέλλονται ενώ το καλοκαίρι μεγαλώνουν σε μήκος και δεν είναι τεντωμένα καθώς τα σύρματα διαστέλλονται.
- Υγρά σώματα
Τα υγρά διαστέλλονται και συστέλλονται πολύ περισσότερο από τα στερεά σώματα.
π.χ. Όταν θερμαίνεται ο καφές στο μπρίκι, διαστέλλεται και μεγαλώνει ο όγκος του.
π.χ. Όταν ψύχεται το λάδι στη μηχανή του αυτοκινήτου, συστέλλεται και μειώνεται ο όγκος του.
- Αέρια σώματα
Τα αέρια διαστέλλονται και συστέλλονται πολύ περισσότερο από τα υγρά και τα στερεά.
π.χ. Όταν ο αέρας θερμαίνεται στο αερόστατο, διαστέλλεται και η πυκνότητα του μειώνεται άρα γίνεται ελαφρύτερος από τον αέρα της ατμόσφαιρας. Έτσι, το αερόστατο ανυψώνεται.
Γιατί;
Αυτό συμβαίνει γιατί τα μόρια ενός στερεού ή υγρού ή αερίου σώματος κινούνται πιο άτακτα όταν η θερμοκρασία του αυξάνεται με αποτέλεσμα να θέλουν περισσότερο χώρο (όγκο) για την κίνησή τους. Άρα, τα μόρια απομακρύνονται το ένα από το άλλο και η πυκνότητα του σώματος μειώνεται. Αντίθετα, στη συστολή, τα μόρια έρχονται πιο κοντά το ένα στο άλλο και η πυκνότητα αυξάνεται.
Νερό: μια ιδιαίτερη περίπτωση
Πάνω από τους 4ο C το νερό συμπεριφέρεται όπως όλα τα υγρά, δηλαδή όταν αυξάνεται η θερμοκρασία του αυξάνεται και ο όγκος του (διαστέλλεται) και όταν μειώνεται η θερμοκρασία του μειώνεται ο όγκος του (συστέλλεται).
Κάτω από τους 4ο C, όμως παρουσιάζει μια ιδιόμορφη συμπεριφορά. Όταν μειώνεται η θερμοκρασία του, ο όγκος του μεγαλώνει (διαστέλλεται αντί να συστέλλεται) και επομένως η πυκνότητά του μειώνεται. Δηλαδή το νερό στους +4 oC παρουσιάζει τον μικρότερο όγκο και επομένως την μεγαλύτερη πυκνότητα.
Η ασυνήθιστη συμπεριφορά του νερού κατά την ψύξη του έχει σημαντικές επιπτώσεις στη φύση. Το νερό π.χ. μιας λίμνης τον χειμώνα ψύχεται μέχρι να αποκτήσει όλο θερμοκρασία +4oC. Όταν η ψύξη συνεχιστεί τα επιφανειακά στρώματα αποκτούν θερμοκρασία π.χ. +3oC, οπότε γίνονται ελαφρότερα από τα βαθύτερα που παραμένουν στους +4oC. Έτσι τα ψυχρότερα παραμένουν στην επιφάνεια.
Αν κάποια στιγμή δημιουργηθεί πάγος στην επιφάνεια, ο πάγος αυτός θα επιπλέει λόγω της μικρότερης πυκνότητας του σε σχέση με το νερό και θα εμποδίσει τα στρώματα του νερού που βρίσκονται κάτω από αυτόν να παγώσουν και αυτά. Έτσι, οι υδρόβιοι οργανισμοί διατηρούνται στη ζωή.
Εκπαιδευτικό βίντεο από Καθημερινή Φυσική για την έννοια της θερμότητας
Εκπαιδευτικό βίντεο από Teacherland Education για τη διαφορά θερμότητας – θερμοκρασίας
Εκπαιδευτικές εφαρμογές από Phet.colorado.edu: