Toplina

Temperatura Sunčeve površine (fotosfera) je 5 778 K (5 505 °C). Toplina se od Sunca do Zemlje prenosi toplinskim zračenjem (Sunčeva svjetlost).

Sunčeva svjetlost svijetli kroz oblake.

Temperatura idealnog plina je mjera prosječne kinetičke energije molekula.

Toplinske vibracije dijelova bjelančevine: amplituda vibracija raste s temperaturom.

Toplina ili količina topline (oznaka Q) je fizikalna veličina kojom se opisuje energija koja prelazi s toplijega tijela na hladnije. Mjerna jedinica topline jest džul (J); stara jedinica bila je kalorija (1 cal = 4,186 J). Toplina koja se izmjenjuje pri dodiru dvaju tijela različitih temperatura ovisi o masi m tijela, specifičnom toplinskom kapacitetu c tvari od koje se tijelo sastoji, te o temperaturnoj razlici ΔT:

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

Subjektivni osjećaj topline dobiva se dodirom s tijelima kojima je temperatura viša (toplo) ili niža (hladno) od temperature ljudskoga tijela. Toplina se objektivno mjeri promatranjem djelovanja ugrijanih tijela na druga tijela (kalorimetrija).

Pojam topline i temperature

Ako stavimo ruku u posudu s vrućom vodom i držimo je nekoliko sekundi, a zatim je stavimo u posudu s toplom vodom, učinit će nam se kao da je ta voda hladna. Stavimo li ruku u hladnu vodu i držimo li je nekoliko sekundi, a onda je uronimo u onu toplu vodu, imat ćemo osjet kao da smo je stavili u vruću vodu. Odatle vidimo da čovječji osjet nije mjerodavan za prosuđivanje stanja nekoga fizikalnog tijela, to jest njegove temperature.

Toplina i temperatura nisu jedno te isto. To najbolje možemo uočiti iz jednog primjera. U dvije po veličini različite prostorije ložimo peć iste veličine tako da trošimo istu količinu goriva na sat; vidjet ćemo da će temperature prostorija biti različite. Veća prostorija imat će manju temperaturu, a manja veću, iako je svaka prostorija, to jest zrak u prostoriji, primio istu količinu topline izgaranjem jednake količine goriva. Dva fizikalna tijela mogu imati istu količinu topline, a različitu temperaturu. Da bi veća prostorija imala istu temperaturu kao manja, morali bismo većoj dati veću količinu topline, to jest morali bismo potrošiti veću količinu goriva. Odatle vidimo da dva fizikalna tijela mogu imati istu temperaturu, ali različitu količinu topline.

Međutim, što je toplina? Na to pitanje odgovara molekularno-kinetička teorija topline. Molekule u tijelima ne miruju, nego se nalaze u stalnom gibanju, čija brzina može biti veća ili manja. Bušenjem, glodanjem, tokarenjem i rezanjem pomoću alatnih strojeva, kao i kod svake obrade materijala alatom, stvara se toplina. Toplina nastaje na osnovu utrošenog mehaničkog rada, a i na račun kinetičke energije. Udarom čekića, koji ima kinetičku energiju, o nakovanj stvara se toplina. Tu se kinetička energija ne pretvara samo u toplinu nego i u energiju zvuka i u mehanički rad potreban za deformaciju tijela. Pri sudaru dvaju tijela prenosi se gibanje, to jest kinetička energija s jednog tijela na drugo. To ne vrijedi samo za velika tijela nego i za sitne čestice, to jest molekule. Kinetička energija čekića pretvara se u kinetičku energiju molekula, to jest u njihovo nevidljivo gibanje. Toplina je, dakle, kinetička energija molekularnog gibanja.

Što tijelo više grijemo, molekule se sve brže gibaju i imaju sve veću kinetičku energiju. Zbog toga se molekule međusobno udaljavaju, pa kruto tijelo taljenjem prelazi u tekuće agregatno stanje. Tekuće tijelo zagrijavanjem prelazi u plinovito agregatno stanje. Molekule vode daljim zagrijavanjem kod vrelišta odlaze u zrak. Voda prelazi u vodenu paru. Para ima toliku kinetičku energiju da tjera parni stroj. Koliki je stupanj toga molekularnog gibanja, kazuje temperatura. Temperatura je, dakle, stupanj toplinskog stanja tijela i o njoj ovisi agregatno stanje tijela.

Onaj dio nauke o toplini koji se bavi toplinom kao jednim oblikom energije i proučava pretvaranje toplinske energije u mehaničku radnju zove se termodinamika. Budući da je to pretvaranje naročito važno kod plinova, to se termodinamika bavi u prvom redu toplinskim promjenama kod plinova.

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.