Toplina

Površina (fotosfera) Sunca je na temperaturi 5 778 K. Toplina se od Sunca do Zemlje prenosi zračenjem.

Toplina je energija koja prelazi sa jednog tijela na drugo, ona je dio unutarnje energije tijela koja prelazi s tijela (sustava) više temperature na tijelo niže temperature. Kada se temperature izjednače, toplina je jednaka nuli.
Prenosi se vođenjem (kondukcijom), strujanjem (konvekcijom) i zračenjem (radijacijom).

Stoljećima su se ljudi pitali što je toplina. Do 19. stoljeća mislili su da je toplina tvar, jer kako bi inače protumačili njezin prijelaz iz jednog tijela na drugo. Zašto toplina uvijek prelazi iz toplijeg na hladnije tijelo, to nisu znali objasniti. Tvrdnju da je toplina tvar opovrgnuo je njemački fizičar Rudolf Julius Emenuel Clausius. Toplinu je opisao kao kinetičku energiju čestica tvari.
Rad i toplina oblici su energije u kojima energija prelazi iz jednog sustava na drugi ili iz sustava na okolinu. Zato se energija sustava definira kao mjera koja pokazuje kolika je mogućnost tog sustava da obavi rad (W) ili proizvede toplinu (Q). Kada sustav izmjenjuje energiju s nekim drugim sustavom, njegova se unutarnja energija (U) mijenja. Taj prirast (promjena) unutarnje energije jednoznačno je određen početnim i konačnim stanjem sustava. Ako se unutarnja energija sustava mijenja pri konstantnoj temperaturi, energija se prenosi kao rad, jer je za izmjenu topline potrebna razlika u temperaturi.

Grč. endo = u
Grč. exo = van

T(sustav) < T (okolina) = endotermna reakcija
npr. djeca griju ruke na vatri.

T(sustav) > T(okolina) = egzotermna reakcija
Npr. atletičar koji trči

Zagrijavanjem tijelo prima toplinu od okoline. Hlađenjem predaje toplinu okolini. Tijelo toplinu Q izmjenjuje s okolinom pri promjeni temperature.
Kemijske reakcije koje vežu toplinu iz okoline jesu endotermne reakcije, a reakcije kod kojih se toplina oslobađa i prenosi na okolinu jesu egzotermne reakcije.

Voda ima jedan od najvećih specifičnih toplinskih kapaciteta, čija vrijednost pri sobnoj temperaturi iznosi:

C(H₂O) = 4,2 Kj kg^-1 K^-1 = 4,2 J g^-1 K^-1

Tvar	c/(J kg-1 K-1)
živa	140
željezo	450
bakar	390
cink	390
voda	4200
led	2100
staklo	800

Toplina se označava sa Q, a SI mjerna jedinica topline je džul (J).

Može se izračunati s pomoću:

m - mase tijela, tekućine ili plina (u kilogramima)

ΔT - razlike temperatura (u Kelvinima) i

c - specifičnog toplinskog kapaciteta (mjerna jedinica je džul po kilogramu i kelvinu J/kg K).

$Q=mc\Delta T\,$

Jednadžba se može iskazati riječima kao: Toplina je umnožak mase, promjene temperature i specifičnog toplinskog kapaciteta tvari.

Ako se promatra neki određeni sustav, njegova toplina može biti pozitivna, jednaka nuli i negativna:

$Q>0$ ako je energija predana sustavu,

$Q=0$ ako nema izmjene energije,

$Q<0$ ako je sustav energiju predao okolini.

Toplina se prenosi

• Vođenjem (kondukcijom) prenosi se tako da se dio tijela zagrijava izravnim dodirom s izvorom topline, a susjedni se dijelovi redom dalje zagrijavaju.
  

Ako se, npr. jedan kraj metalnoga štapa stavi u peć, toplina se po štapu širi vođenjem. Brzina prenošenja topline to je veća što je veća temperaturna razlika, a ovisi i o samoj tvari. Budući da su dobri vodiči električnog naboja (metali) ujedno i dobri vodiči topline, toplinska se vodljivost pripisuje ponajprije gibanju slobodnih elektrona.

• Strujanjem (konvekcijom) toplina se prenosi u tvarima koje mogu strujati, tj. u kapljevinama (tekućinama) i plinovima. Strujanje nastaje zbog promjene gustoće zagrijavanjem. Ako se npr. voda grije odozdo, donji se slojevi vode ugriju, rašire i smanji im se gustoća, pa se ugrijana voda diže nad hladnu. Slično nastaju i vjetrovi u atmosferi.

• Zračenjem (radijacijom) toplina se prenosi tako da zagrijano tijelo emitira elektromagnetno zračenje, a hladnije tijelo zagrijava se apsorpcijom energije zračenja. Tako Zemlja prima toplinu od Sunca.

Povijest

Prve teorije o toplini osnivale su se na shvaćanju da je toplina tvar koja se nalazi pohranjena u svakom tijelu, te da dodirom prelazi iz toplijega tijela u hladnije. To se shvaćanje počelo mijenjati kada je pod kraj 18.stoljeća B.T.Rumford uočio da je toplina razvijena pri bušenju topovskih cijevi proporcionalna utrošenomu radu.
J.P.Joule eksperimentalno je 1843.g. pokazao da rad može prelaziti u toplinu.
Sredinom 19.st. razvili su R.E.Clausius, L.Boltzmann i dr. kinetičku teoriju prema kojoj je topina rezultat mehaničkog gibanja molekula. To je gibanje prvi uočio R.Brown (tzv. brownovo molekularno gibanje).
U kinetičkoj teoriji topline temperatura tijela dovodi se u vezu s prosiječnom kinetičkom energijom mehaničkog gibanja molekula. Zagrijavanje tijela zapravo je povećanje kinetičke energije molekula.

Izvori

Nedovršeni članak Toplina koji govori o fizici treba dopuniti. Dopunite ga prema pravilima Wikipedije.