Ciepełko

Lato Proszę Państwa! Już od niemal tygodnia mamy astronomiczne lato, a w pogodzie to już od początku czerwca zaczęło grzać na całego. Słowem jest ciepło. Ale czy zaznając słonecznych kąpieli zastanawialiście się już czym właściwie to ciepło jest?

Pytania o rzeczy (zdawałoby się) najprostsze bywają najtrudniejsze. Doświadczył tego każdy, kto próbował odpowiadać na niekończące się pytania pięciolatków (to ponoć taki wiek, kiedy się zadaje więcej pytań niż podczas pozostałej części życia). Pytanie o ciepło też jest takim pytaniem. Wiemy co to jest niejako instynktownie, ale jak ubrać to w słowa? Trudność jest tym większa, że ciepła nie sposób pokazać. Nie jest żadnym materialnym obiektem, można jedynie próbować wskazać efekty jego działania.

Pierwotnym wobec pojęcia ciepła jest pojęcie energii, które wcale nie jest łatwiejsze do zdefiniowania. Niemniej spróbujmy. Energią jest właściwością danego ciała (obiektu, układu lub materiału) wskazującą, ile to ciało może wykonać pracy. Praca z kolei oznacza ruch (zmianę położenia w przestrzeni) danej masy (czyli ilości materii). Uff… Niby proste a skomplikowane, nieprawdaż? Nie jest to może określenie idealne, ale wydaje mi się, że wystarczające na nasze potrzeby.

Energia może przyjmować różne formy. Znamy energię kinetyczną (ruchu danego ciała), potencjalną (czyli energię jaka wynika z przyciągania danego ciała siłami grawitacji lub elektrostatycznymi), energię elektryczną (ruchu elektronów lub jonów) itd. Znamy także energię cieplną. Zasadniczo to również jest energia kinetyczna, ale w tym wypadku chodzi o energię kinetyczną nie całego ciała, ale tworzących go cząsteczek i atomów.

W tym miejscu muszę Wam wyjawić ważną i brzemienną w konsekwencję informację. Otóż WSZYSTKIE cząsteczki we Wszechświecie są CAŁY CZAS w ruchu. Wszystkie, ale to absolutnie wszystkie. Nie tylko cząsteczki gazów i cieczy, ale ciał stałych także. Nawet najtwardszy kamień tworzą cząsteczki stale drgające i oscylujące wokół pewnego stałego średniego położenia. Wiązania chemiczne wciąż ulegają wydłużaniu i skracaniu zachowując jednak atomy pierwiastków w strefie wzajemnych oddziaływań.

Nie jesteśmy w stanie bezpośrednio mierzyć energii kinetycznej każdej cząsteczki tworzącej dane ciało (część materii), ale możemy wyznaczyć średnią energię cząsteczek danego ciała. Robimy to za każdym razem, kiedy mierzymy… temperaturę. Tak jest! Im wyższa temperatura tym większa średnia energia kinetyczna cząsteczek.

No dobrze, w takim razie obniżając temperaturę spowalniamy ruch cząsteczek. Czy można więc tak schłodzić dane ciało, ze jego cząsteczki zatrzymają się całkowicie i zamrą w bezruchu. Teoretycznie tak. I powiem Wam, że dokładnie wiadomo, jaka to musiała by być temperatura. To tak zwane zero bezwzględne równe –273,15 stopni Celsjusza (czyli zero w skali Kelwina).

Napisałem wcześniej teoretycznie, ponieważ możemy się do tej temperatury zbliżyć, ale praktycznie nie da się jej osiągnąć. Co więcej, we Wszechświecie nie ma miejsca, gdzie temperatura choć minimalnie nie przekraczałaby wartość zera bezwzględnego. Według wielu teorii fizycznych zero bezwzględne jest czymś podobnym do prędkości światła – wartości nieosiągalnej dla materii.

Zostawmy jednak te lodowate klimaty i wróćmy do ciepełka. A dosłownie do ciepła. Bo teraz już mamy stosowne narzędzia (tzn. pojęcia) by móc je zdefiniować. Jeśli dwa ciała o różnej temperaturze (tj. średniej energii kinetycznej ich cząsteczek) wejdą ze sobą interakcję to będą dążyć do tego, aby ich temperatury się wyrównały. A więc ciało cieplejsze będzie oddawać energię ciału zimniejszemu. Ten przepływ energii między ciałami o różnej temperaturze nazywamy właśnie CIEPŁEM.

Wymiana energii może odbywać się na dwa bezpośrednie sposoby. Pierwszy, najbardziej dla nas instynktowny, to wynik bezpośredniego kontaktu. Na przykład cząsteczki gorącej obudowy piekarnika uderzają w cząsteczki powietrza, które potem uderzają w inne cząsteczki powietrza i tak dalej aż uderzają w cząsteczki pizzy, którą właśnie pieczemy.

Dodatkowo dochodzi tu do zjawiska konwekcji, w którym całe większe masy (objętości) płynu, gazu lub cieczy, migrują w oparciu o różnice gęstości. Kiedy bowiem rośnie temperatura rosną odległości między cząsteczkami i maleje gęstość płynu. Ta jego część, która już jest nagrzana jako mniej gęsta unosi się, a w dół opada ta zimniejsza część.

Wielu z Was pewnie już zaczęło dodawać dwa do dwóch i zaczęło kojarzyć, że im gęściej upakowane cząsteczki tym bliżej mają do siebie i łatwiej im jest przekazywać sobie energię. Dlatego (zasadniczo) ciecze słabiej przewodzą ciepło od ciał stałych a gazy słabiej od cieczy. W praktyce absolutna próżnia powinna być idealnym izolatorem ciepła, bo tam nie ma cząsteczek materii, które mogą o siebie uderzać i przekazywać ciepło, tzn. energię. Dlatego na przykład w oknach usuwa się powietrze spomiędzy szyb, aby zmniejszyć straty ciepła.

Dobra, dobra, powiecie. Ale w takim razie skąd się bierze ciepełko, które dociera do nas ze słoneczka? Przecież między nami a nim jest kosmiczna próżnia. Słuszna uwaga, ale tu dochodzimy do drugiego sposobu transportu ciepła, czyli do promieniowania.

Otóż każda zmiana pola elektrycznego i magnetycznego generuje falę elektromagnetyczną, to znaczy emitują specyficzne cząstki elementarne, czyli fotony (ale dlaczego tak się dzieje – to pytajcie fizyków, dla chemika to już za dalekie rewiry). A skoro protony i elektrony tworzące każdą cząsteczkę są w nieustannym ruchu to wynika z tego powodują stałe powstawanie fali elektromagnetycznej. Czyli cała materia o temperaturze powyżej zera bezwzględnego generuje promieniowanie elektromagnetyczne!

I znów podejmijmy logiczne rozumowanie. Im wyższa temperatura tym szybciej ruszają się cząsteczki, im szybszy ruch tym wyższa częstotliwość fali. A więc ciała blisko zera bezwzględnego generują fale radiowe, cieplejsze mikrofale a gdy są dostatecznie gorące świecą światłem widzialnym. Super, nie? Teraz też wiemy dlaczego nagrzane przedmioty (np. kawałek metalu w ogniu) świecą. Na tej zasadzie działają również kamery termowizyjne, które rejestrują promieniowanie podczerwone, niewidoczne dla oka, ale emitowane przez przedmioty o temperaturze

Dla fali elektromagnetycznej próżnia nie stanowi przeszkody. Fotony przelatują przez nią bez problemu. Dlatego też Słońce ogrzewa naszą planetę bez problemu. W naszym otoczeniu (w warunkach ziemskich, że tak powiem) wymiana ciepła najczęściej dokonuje się tymi wspomnianymi metodami jednocześnie, zarówno przez bezpośrednie oddziaływanie cząsteczek, jak i przez promieniowanie.

No dobrze, nie zajmuję Wam więcej czasu. Lato się rozkręca i trzeba z niego korzystać. A przede wszystkim z letniego ciepełka:)

Wojciech Smułek