Θερμότητα και θερμικές μηχανές

Θερμοκρασία δεν είναι θερμότητα

Στην καθημερινή γλώσσα οι δύο λέξεις μπερδεύονται. Στο εργαστήριο δεν επιτρέπεται:

Μια σπίθα από τον τροχό έχει θερμοκρασία πάνω από $1000\;^\circ$C και στο χέρι μόλις που τη νιώθεις. Ένας θερμοσίφωνας στους $60\;^\circ$C μπορεί να ζεστάνει ένα ολόκληρο μπάνιο. Η σπίθα είναι καυτή αλλά ελάχιστη· το νερό του θερμοσίφωνα είναι χλιαρό μπροστά της, αλλά πολύ, και κρατάει πολλή ενέργεια.

Η θερμότητα ρέει πάντα από το θερμότερο στο ψυχρότερο, μέχρι να εξισωθούν οι θερμοκρασίες. Ποτέ ανάποδα από μόνη της.

Πόση θερμότητα χρειάζεται

Για να ζεστάνεις μάζα $m$ ενός υλικού κατά $\Delta T$ βαθμούς:

$$Q = m \cdot c \cdot \Delta T$$

Το $c$ λέγεται ειδική θερμότητα και λέει πόσα joule χρειάζεται $1$ kg του υλικού για να ανέβει $1\;^\circ$C.

Το νερό έχει από τις μεγαλύτερες ειδικές θερμότητες. Απορροφά πολλή θερμότητα χωρίς να ζεσταθεί πολύ — γι' αυτό είναι το υγρό του καλοριφέρ και η βάση του ψυκτικού υγρού στις μηχανές.

Όταν η θερμοκρασία σταματά να ανεβαίνει

Όταν το νερό φτάσει στους $100\;^\circ$C και βράζει, η εστία συνεχίζει να δίνει ενέργεια, αλλά η θερμοκρασία δεν ανεβαίνει. Η ενέργεια πηγαίνει στο να σπάσει τους δεσμούς ανάμεσα στα μόρια και να τα κάνει ατμό.

Για να γίνει ατμός $1$ kg νερού που είναι ήδη στους $100\;^\circ$C χρειάζονται περίπου $2260$ kJ. Για να το φέρεις από τους $0$ στους $100\;^\circ$C χρειάζονται μόλις $420$ kJ.

Ένα κιλό πάγου, από τους −20 °C ως τον ατμό

Δώσε ενέργεια λίγη λίγη. Στα δύο επίπεδα κομμάτια η θερμοκρασία δεν κουνιέται, ενώ η ενέργεια συνεχίζει να μπαίνει. Σύγκρινε το πλάτος του βρασμού με όλη την ανηφόρα του νερού από 0 σε 100 °C.

Θερμοκρασία0 °C

Κατάστασητήξη

Η ενέργεια δεν ανεβάζει τη θερμοκρασία: αλλάζει την κατάσταση του νερού.

Ενέργεια που δόθηκε200 kJ

Η ίδια ενέργεια επιστρέφει όταν ο ατμός ξαναγίνει νερό. Αυτό έχει δύο συνέπειες στη δουλειά:

Από την καύση στην κίνηση

Όταν καίγεται ένα καύσιμο, η χημική του ενέργεια γίνεται θερμότητα. Περίπου:

Ένα λίτρο πετρέλαιο δίνει δηλαδή $36$ MJ, όσο $10$ kWh — όσο ένα κλιματιστικό $1$ kW που δουλεύει δέκα ώρες.

Μια θερμική μηχανή παίρνει θερμότητα από κάτι πολύ ζεστό, μετατρέπει ένα μέρος της σε έργο, και διώχνει το υπόλοιπο σε κάτι πιο κρύο. Στον τετράχρονο κινητήρα αυτοκινήτου αυτό γίνεται σε τέσσερις κινήσεις του εμβόλου:

1. Εισαγωγή — το έμβολο κατεβαίνει και ρουφάει αέρα (με καύσιμο, στη βενζινομηχανή).
2. Συμπίεση — ανεβαίνει και συμπιέζει το μείγμα, που ζεσταίνεται.
3. Καύση και εκτόνωση — το καύσιμο καίγεται, τα καυσαέρια σε πολύ υψηλή θερμοκρασία και πίεση σπρώχνουν το έμβολο κάτω. Αυτή είναι η μόνη κίνηση που δίνει έργο.
4. Εξαγωγή — το έμβολο ανεβαίνει και διώχνει τα ζεστά καυσαέρια στην εξάτμιση.

Ο λογαριασμός της ενέργειας είναι απλός:

$$Q_{in} = W + Q_{out}$$

Η θερμότητα της καύσης $Q_{in}$ μοιράζεται σε χρήσιμο έργο $W$ και σε θερμότητα $Q_{out}$ που φεύγει από την εξάτμιση, από το ψυγείο και από τις τριβές. Η απόδοση είναι:

$$\eta = \frac{W}{Q_{in}}$$

Όσο πιο ζεστό είναι το «ζεστό» σε σχέση με το «κρύο», τόσο μεγαλύτερη απόδοση μπορεί να φτάσει μια μηχανή. Ο πετρελαιοκινητήρας συμπιέζει πολύ περισσότερο, δουλεύει με μεγαλύτερες θερμοκρασίες και πιέσεις, και γι' αυτό αποδίδει καλύτερα από τον βενζινοκινητήρα.

Το κλιματιστικό δεν παραβιάζει τον κανόνα: η θερμότητα δεν πηγαίνει από το κρύο στο ζεστό από μόνη της, αλλά επειδή ο συμπιεστής ξοδεύει ηλεκτρική ενέργεια γι' αυτό.

Λυμένα παραδείγματα

Δοκίμασέ το πρώτα. Μετά δες τη λύση.

Δείξε τη λύση

Δοκίμασέ το πρώτα. Μετά δες τη λύση.

Δείξε τη λύση

Δοκίμασέ το πρώτα. Μετά δες τη λύση.

Δείξε τη λύση