Teplo, teplota a měrná tepelná kapacita

Teplota je stav, teplo je energie, která se předává. Kolik energie je potřeba na ohřátí, říká měrná tepelná kapacita: 

Q = m · c · Δt

c je měrná tepelná kapacita v J/(kg·K) a znamená, kolik joulů je potřeba na ohřátí jednoho kilogramu o jeden stupeň. U vody je to 4180, u železa jen 452, a proto se pánev ohřeje mnohem dřív než voda v ní.

Ve stupních Celsia i v kelvinech vyjde rozdíl stejně

Ve vzorci vystupuje rozdíl teplot, ne teplota samotná. Kelvinova stupnice je posunutá o 273,15, ale dílek má stejně velký, takže rozdíl deseti stupňů Celsia je i rozdíl deseti kelvinů.

Na tom, v čem rozdíl zadáte, tedy nezáleží. Záleží na tom u stavové rovnice plynu, kde se dosazuje absolutní teplota, ale to je jiná kapitola.

Voda je mimořádná

Měrná tepelná kapacita vody je nezvykle vysoká, a to má viditelné důsledky. Voda se špatně ohřívá i špatně chladne, a proto se topí vodou, proto je u moře mírnější podnebí a proto trvá uvařit hrnec déle, než by člověk čekal.

Při změně skupenství se teplota nemění

Led při nule taje a zůstává na nule, dokud neroztaje všechen. Dodané teplo nejde na ohřev, ale na rozbití vazeb mezi molekulami. 

Q = m · l(t)     teplo na roztátí
Q = m · l(v)     teplo na vypaření

Skupenská tepla jsou překvapivě velká. Vypařit kilogram vody stojí 2256 kJ, což je pětkrát víc, než kolik je potřeba na ohřátí téhož kilogramu od nuly do sta stupňů.

Úloha o ledu se musí rozdělit na části

Ohřát led na vodu nejde jedním vzorcem. Mezi jednotlivými fázemi se mění buď teplota, nebo skupenství, ale nikdy obojí naráz, takže se počítají zvlášť: 

1. ohřátí ledu na 0 °C     Q = m · c(led) · Δt
2. roztátí při 0 °C        Q = m · l(t)
3. ohřátí vody             Q = m · c(voda) · Δt

Nejvíc energie spolkne prostřední krok, při kterém se teplota vůbec nemění. Proto led v nápoji chladí tak dobře.

Kalorimetrická rovnice

Teplo odevzdané teplejší látkou se rovná teplu přijatému studenější. U dvou dávek vody se měrná tepelná kapacita na obou stranách vykrátí a zbude vážený průměr teplot podle hmotností.

Výsledná teplota proto leží vždycky mezi oběma zadanými a blíž k té vodě, které je víc. Ve skutečnosti vyjde o něco níž, protože se část tepla spotřebuje na ohřátí nádoby.

Roztažnost vypadá zanedbatelně, a není

Ocel se při ohřátí o jeden stupeň prodlouží asi o dvanáct miliontin původní délky. Na pětadvacetimetrové kolejnici to mezi zimou a létem dělá zhruba centimetr.

Proto mají mosty dilatační spáry a proto se koleje svařují s předpětím. Součinitel objemové roztažnosti je zhruba trojnásobek délkového, protože se těleso roztahuje ve všech třech rozměrech naráz.

Souvisí s dalšími výpočty

Kolik ohřev vody stojí v korunách, spočítá spotřeba energie, na energii obecně je práce, výkon a energie.