Căldura și temperatura: cum se transferă energia termică

Temperatura și căldura sunt două noțiuni pe care le folosim în fiecare zi ca și cum ar fi același lucru, dar în fizică înseamnă lucruri diferite. Temperatura spune cât de „fierbinte” este un corp, adică cât de agitate sunt, în medie, particulele din care e făcut. Căldura este energia care se mută de la un corp cu temperatură mai mare la unul cu temperatură mai mică.

Diferența are consecințe practice: de ce un pahar cu apă fierbinte și o ceașcă mică, la aceeași temperatură, nu conțin aceeași energie termică; de ce metalul pare mai rece decât lemnul la temperatura camerei; de ce căldura ajunge la noi de la Soare, deși între noi se află aproape vid. În continuare le iei pe rând, cu exemple din bucătărie, din casă și din natură.

Ce este temperatura

Temperatura este o măsură a energiei medii de mișcare a particulelor unui corp. Într-un gaz, de exemplu, moleculele se mișcă haotic și se ciocnesc; cu cât se mișcă mai repede, cu atât temperatura este mai mare.

Particulele din lichide și solide nu stau pe loc nici ele. În solide vibrează în jurul unor poziții fixe, iar în lichide alunecă unele pe lângă altele. Când încălzești un corp, particulele sale vibrează sau se mișcă mai energic. Despre componentele materiei, de la molecule la atomi, vezi materialul despre atom și particule.

Scările de temperatură

Temperatura se exprimă în mai multe scări, iar fiecare are propriul punct de reper.

Zeroul absolut este cea mai joasă temperatură posibilă teoretic, aproximativ minus 273,15 °C. La această limită, mișcarea termică a particulelor ar fi minimă. Kelvin este unitatea din Sistemul Internațional de Unități și se folosește în fizică, pentru că pornește de la zero absolut și nu are valori negative.

Ce este căldura

Căldura este energia transferată între corpuri din cauza diferenței de temperatură. Un corp nu „conține căldură” ca pe un lichid; el are energie internă, iar căldura este felul în care această energie trece de la un corp la altul.

Poți gândi astfel: temperatura este ca nivelul unei ape, iar căldura este apa care curge de la nivelul mai înalt la cel mai jos. Transferul continuă până când temperaturile se egalizează, adică se ajunge la echilibru termic. Un exemplu de zi cu zi este cafeaua lăsată pe masă: se răcește pentru că cedează căldură aerului, până ajunge la temperatura camerei.

Căldura este o formă de energie, iar legea conservării spune că energia nu dispare, ci se transformă. Principiul acesta este explicat în materialul despre energie și conservare.

Diferența dintre cele două noțiuni

Mărimea unui corp contează: la aceeași temperatură, un volum mare de apă conține mai multă energie termică decât un volum mic. De aceea un lac încălzit de soare se răcește mai încet decât o băltoacă.

Cele trei moduri de transfer al căldurii

Căldura se transferă prin trei mecanisme: conducție, convecție și radiație. În viața reală apar adesea combinate, dar fiecare are caracteristici proprii.

Conducția

Conducția este transferul de căldură prin contact direct, de la particulă la particulă, fără ca materialul să se deplaseze. Când ții o lingură în ceaiul fierbinte, capătul din mână se încălzește treptat, pentru că particulele agitate din partea fierbinte transmit energia vecinelor.

Nu toate materialele conduc la fel. Metalele sunt conductori buni de căldură, pentru că au electroni liberi care transportă energia rapid, iar lemnul, plasticul, lâna și aerul sunt izolatori. Din acest motiv, la aceeași temperatură a camerei, o balustradă de metal pare mai rece decât una de lemn: metalul îți „fură” căldura din mână mai repede.

Convecția

Convecția este transferul de căldură prin mișcarea unui fluid, adică a unui lichid sau a unui gaz. Fluidul încălzit devine mai puțin dens, urcă, iar cel rece coboară în locul lui, creând un curent circular.

Exemple:

• apa dintr-o oală de pe aragaz se învârte, cu apa fierbinte urcând de jos;
• aerul de lângă calorifer se ridică, iar cel rece de la fereastră coboară;
• briza de mare apare ziua pentru că uscatul se încălzește mai repede decât marea;
• în atmosferă, aerul cald care urcă formează nori și furtuni, ca în ghidul despre fulgere, tunete și furtuni.

Convecția nu are loc în solide, pentru că particulele lor nu se pot deplasa liber.

Radiația

Radiația termică este transferul de energie prin unde electromagnetice și nu are nevoie de niciun mediu material. Orice corp cu temperatură peste zero absolut emite radiație, iar cu cât este mai cald, cu atât emite mai mult, la lungimi de undă mai scurte.

Prin radiație ajunge căldura de la Soare la Pământ, prin spațiul aproape gol. O simți și când stai lângă un foc sau lângă o sobă, chiar dacă aerul dintre voi nu se încălzește prea mult. Radiația termică face parte din aceeași familie cu lumina vizibilă, descrisă în ghidul despre lumină și culori; diferența este lungimea de undă. Corpurile calde pot străluci, de exemplu un metal încins devine roșu, apoi galben.

Capacitatea termică și de ce apa se încălzește lent

Substanțele diferite au nevoie de cantități diferite de energie pentru a-și crește temperatura. Mărimea care exprimă asta se numește căldură specifică: energia necesară pentru a încălzi o unitate de masă cu un grad.

Apa are o căldură specifică mare, comparativ cu multe alte substanțe. Asta înseamnă că se încălzește și se răcește lent și poate stoca multă energie. Consecințele se văd peste tot:

• mările și oceanele temperează clima zonelor de coastă, cu veri mai blânde și ierni mai puțin aspre;
• nisipul de pe plajă arde la picioare în amiaza zilei, în timp ce apa rămâne răcoroasă;
• corpul omenesc, format în mare parte din apă, își menține mai ușor temperatura;
• sistemele de încălzire folosesc apa ca agent termic, pentru că transportă mult căldură.

Faptul că la zero grade apa îngheață, iar la peste o sută fierbe, la presiune normală, este legat de modul în care energia termică modifică legăturile dintre molecule, schimbând starea de agregare.

Dilatarea termică și schimbările de stare

Când corpurile se încălzesc, de obicei se dilată, pentru că particulele vibrează mai larg și ocupă mai mult loc. De aceea șinele de tren și podurile au mici spații de dilatare, iar firele electrice atârnă mai lăsate vara decât iarna.

Apa are un comportament special: între aproximativ 0 și 4 °C, ea se contractă la încălzire și își atinge densitatea maximă în jur de 4 °C. Apoi, la îngheț, se dilată și gheața plutește. Fără această anomalie, lacurile ar îngheța de jos în sus, iar viața din ele ar fi în pericol.

Schimbările de stare cer sau eliberează energie fără ca temperatura să se modifice în timpul lor. Când topești gheața, energia primită rupe legăturile dintre molecule, nu încălzește amestecul, până nu se topește tot.

Sfat: Dacă vrei să înțelegi un fenomen termic din casă, întreabă-te întâi care dintre cele trei mecanisme domină: contact, mișcarea unui fluid sau radiația. Răspunsul explică de obicei majoritatea situațiilor.

Aplicații în viața de zi cu zi

Principiile termice stau la baza multor obiecte pe care le folosești zilnic. Le poți observa atent și vei vedea fizica la lucru.

1. Termosul: are pereți dubli cu vid între ei, care limitează conducția și convecția, și o suprafață reflectorizantă care reduce radiația.
2. Izolația clădirilor: materialele cu aer captiv, ca vata minerală sau polistirenul, conduc slab căldura și reduc pierderile.
3. Hainele groase: nu „dau căldură”, ci rețin cea produsă de corp, prin aerul prins între fibre.
4. Frigiderul: mută căldura din interior spre exterior, motiv pentru care spatele lui este cald.
5. Radiatoarele: încălzesc camera mai ales prin convecție, cu aerul care circulă.
6. Oalele cu fund gros: distribuie mai uniform căldura, prin conducție.

Pentru energia electrică transformată în căldură, de pildă la un fier de călcat sau la un fierbător, vezi materialul despre electricitate, curent și rezistență. Pe scurt, un curent care trece printr-un conductor cu rezistență îl încălzește.

Concepții greșite frecvente

Câteva idei intuitive despre căldură sunt incorecte și merită corectate.

• „Frigul intră în casă.” De fapt, căldura iese. Fereastra deschisă lasă căldura să plece, nu frigul să intre.
• „Haina îmi dă căldură.” Ea doar reduce pierderea căldurii produse de corp.
• „Gheața e cea mai rece.” Gheața poate avea orice temperatură sub zero; gheața dintr-un congelator e mai rece decât cea care se topește.
• „Metalul e mai rece decât lemnul.” Ambele au temperatura camerei; metalul doar conduce mai bine căldura.
• „Căldura urcă.” Aerul cald urcă prin convecție, dar căldura în sine merge de la cald la rece în toate direcțiile.

Lămurirea acestor idei ajută la lectura structurii generale a fizicii din ghidul fizica pe înțeles și la înțelegerea altor fenomene, de la vreme la procese industriale.

Ce merită reținut despre căldură și temperatură

Temperatura arată cât de agitate sunt particulele unui corp, iar căldura este energia care trece spontan de la cald la rece. Transferul se petrece prin conducție, convecție sau radiație, iar proprietățile materialelor, ca și căldura specifică, explică multe lucruri din jurul nostru.

De reținut:

• temperatura și căldura sunt noțiuni diferite;
• căldura trece de la corpul mai cald la cel mai rece până la echilibru termic;
• metalele conduc bine căldura, aerul și lâna sunt izolatori;
• convecția cere un fluid în mișcare, radiația nu cere niciun mediu;
• apa se încălzește lent, pentru că are căldură specifică mare;
• zeroul absolut este cea mai joasă temperatură teoretică.