Μελίνας Μερκούρη 35, Θέρισσος,

Ηράκλειο Κρήτης 71305

2810 262141

frontistirio.domi@gmail.com

Κλείσε τη πόρτα! Φεύγει η ζέστη...

Γιατί φοράμε βαριά ρούχα τον χειμώνα; Το μέταλλο ειναι πιο κρύο απο το ξύλο; Δεν κρυώνουν οι Εσκιμώοι μέσα στα 'χιονόσπιτά τους; 

      Αρχικά ας προσπαθήσουμε να ξεκαθαρίσουμε τις παρεξηγημένες έννοιες θερμότητα και θερμοκρασία και ακόμα να εισάγουμε μια ακόμα, της θερμικής ενέργειας.  Είναι γνωστό οτι τα πάντα γύρω μας (αυτό που ονομάζεται 'ύλη') αποτελείται απο άτομα και μόρια που κινούνται συνεχώς. Ανάλογα με την ελευθερία κίνησης που έχουν τα άτομα και με τον συνδυασμό τους προκύπτουν τα στερεά, τα υγρά και τα αέρια. Στα στερεά οι θέσεις των μορίων ειναι σχετικά καθορισμένες και (γι' αυτό και το σχήμα τους ειναι 

article 11 a

καθορισμένο), στα υγρά τα μόρια έχουν μεγαλύτερη ελευθερία κίνησης αλλά και πάλι ειναι ενωμένα μεταξύ τους ( τα υγρά έχουν καθορισμένο όγκο αλλά οχι καθορισμένο σχήμα) και τέλος στα αέρια τα μόρια έχουν τη μεγαλύτερη ελευθερία κίνησης απο οποιαδήποτε άλλη μορφή ύλης (τα αέρια δεν έχουν ούτε καθερισμένο σχήμα, ούτε καθορισμένο όγκο). Όπως ήδη αναφέραμε τα μόρια, όποια κατάσταση ύλης και αν σχηματίζουν, κινούνται. Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα των μορίων, όσο πιο έντονη ειναι η κίνησή τους, τόσο θερμότερη ειναι η ουσία. Το μέγεθος που περιγράφει αυτή την ιδιότητα ειναι η θερμική ενέργεια. Επομένως η θερμική ενέργεια ειναι μια έννοια που έχει ενα σώμα. Για παράδειγμα, όταν χτυπάμε ενα κομμάτι σίδερο με ενα σφυρί, αυτό ζεσταίνεται, επειδή το σφυροκόπημα αναγκάζει τα μόρια να κινηθούν ταχύτερα και να συγκρούονται μεταξύ τους εντονότερα. 

       Ακόμα και σχετικά πρόσφατα οι άνθρωποι δεν είχαν τρόπο να προσδιορίσουν με ακρίβεια το πόσο ζεστό ή πόσο κρύο είναι ενα σώμα. Ακόμα και σήμερα για να δούμε αν έχει κάποιος πυρετό, ακουμπάμε με το χέρι μας το μέτωπο του. Αν ειναι κρύο το χέρι μας το συμπέρασμα θα ειναι οτι έχει σίγουρα πυρετό! Το μέγεθος που θα μας πει με ακρίβεια ποιο σώμα ειναι ζεστότερο απο ενα άλλο ειναι η θερμοκρασία. Η θερμοκρασία ειναι η πληροφορία που χρειαζόμαστε για έχουμε μια εικόνα για το πόσο γρήγορα κινούνται τα μόρια ενός σώματος (προσοχή: η θερμοκρασία δεν ταυτίζεται με την ταχύτητα που έχουν τα μόρια, αλλά ειναι μια κλίμακα που μας λέει οτι αν κινούνται γρήγορα τότε το σώμα το οποίο σχηματίζουν ειναι ζεστό ή αντίστροφα, αν ενα σώμα ειναι κρύο, τότε τα μόρια του κινούνται σχετικά αργά. Δεν υπάρχει κανένα φυσικό νόημα να συζητάμε για τη θερμοκρασία ενός μορίου. Η ταχύτητα του μορίου θα μας πληροφορήσει για την θερμοκρασία του σώματος στο οποίο ανήκει).

      Η θερμική ενέργεια δύο λίτρων βραστού νερού ειναι διπλάσια απο τη θερμική ενέργεια που έχει ενα λίτρο, αλλά και οι δύο ποσότητες έχουν την ίδια θερμοκρασία επειδή τα μόρια του νερού και στις δύο περιπτώσεις έχουν την ίδια ταχύτητα, αλλά στην περίπτωση των δύο λίτρων ειναι περισσότερα τα μόρια. Τέλος, αφού η θερμοκρασία σχετίζεται με την κινητική κατάσταση, καταλαβαίνουμε οτι όσο πιο αργά κινούνται τα μόρια τόσο πιο μικρή ειναι η θερμοκρασία. Τι γίνεται στη περίπτωση που η κίνηση των μορίων σταματήσει; Σε αυτή τη περίπτωση λέμε οτι έχουμε την χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία και αυτή ειναι η -273 C. Στη θερμοκρασία αυτή μια ουσία δεν έχει θερμική ενέργεια και ονομάζεται το απόλυτο μηδέν. Προσέξτε στο σημείο αυτό, οτι δεν ειναι τεχνολογική αδυναμία μας να ψύξουμε περισσότερο απο τους -273 C μια ουσία, αλλά ειναι ενα απαγορευτικό που βάζει η ίδια η φύση. Τίποτα στο σύμπαν δεν μπορεί να ψυχθεί σε θερμοκρασία μικρότερη απο το απόλυτο μηδέν!

      Συνηθίζουμε να σκεφτόμαστε τη θερμική ενέργεια σας μια άλλη ονομασία της θερμότητας. Ενα λάθος που κάνουμε στο λόγο μας ειναι να λέμε οτι ενα σώμα έχει θερμότητα. Ένα σώμα έχει θερμική ενέργεια που οφείλεται στην κίνηση των μορίων και οχι θερμότητα. Η έννοια της θερμότητας ειναι η θερμική ενέργεια που μεταφέρεται απο ενα σώμα σε ενα άλλο εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας τους. Η θερμότητα δεν ειναι μέγεθος που έχει ενα σώμα, αλλά μέγεθος που ρέει απο το ενα σώμα σε ενα άλλο. Όταν η θερμότητα μεταφερθεί μια φορά σε ενα σώμα ή σε μια ουσία παύει να ειναι θερμότητα και γίνεται θερμική ενέργεια του σώματος. 

      Σε σώματα που βρίσκονται σε επαφή, η θερμότητα θα μετακινηθεί απο το σώμα με την υψηλότερη θερμοκρασία σε εκείνο με τη χαμηλότερη. Αν βάλετε ενα οχι και τόσο 'έτοιμο΄παγάκι σε ενα ποτήρι με νερό αυτό που θα συμβεί ειναι να λιώσει το παγάκι, να του δώσει δηλαδή θερμική ενέργεια το νερό με τη μορφή θερμότητας. Στο σύμπαν που ζούμε ειναι απίθανο να συμβεί το αντίθετο. Το μισο-έτοιμο παγάκι δηλαδή, να πήξει, να μειώσει τη θερμοκρασία απο μόνο του, αποβάλλοντας θερμότητα στο νερό. Αυτό το φαινόμενο ειναι μια απαράβατη αρχή που μας λέει οτι η θερμότητα ρέει πάντα απο το ζεστό προς το κρύο. Για να πετύχουμε το αντίθετο χρειάζεται δαπάνη ενέργειας. (Για να φτιάξουμε παγάκια πρέπει το ψυγείο να ειναι στην πρίζα!).

       Αν κρατήσουμε στο ένα μας χέρι ενα μεταλλικό αντικείμενο στο άλλο μας χέρι ενα ξύλινο νιώθουμε το μεταλλικό πιο κρύο απο το ξύλινο. Αισθανόμαστε πιο κρύο το πάτωμα που έχει πλακάκια απο το ξύλινο πάτωμα. Όμως τα και στις δύο περιπτώσεις η θερμοκρασία των σωμάτων είναι η ίδια αφού και τα δύο υλικά βρίσκονται στο ίδιο περιβάλλον. Πως εξαπατούμαστε και πιστεύουμε οτι τα μεταλλικά αντικείμενα είναι πιο κρύα απο τα ξύλινα? Η εξήγηση βρίσκεται στον τρόπο που επιτρέπουν ή δεν επιτρέπουν τα υλικά να διαδοθεί η θερμότητα: στο αν ειναι δηλαδή καλοί ή κακοί αγωγοί της. Τα μέταλλικά αντικείμενα ειναι καλοί αγωγοί και έτσι με την επαφή τους με το χέρι μας (που βρίσκεται σε υψηλότερη θερμοκρασία), θερμότητα φεύγει απο το χέρι μας και μεταφέρεται σε αυτά, με αποτέλεσμα να τα νιώθουμε πιο κρύα. Απο την άλλη το ξύλο δεν ειναι καλός αγωγός της θερμότητας με αποτέλεσμα να μην ειναι εύκολο να χάσουμε θερμότητα απο το χέρι μας. Το χειμώνα ντυνόμαστε με πολλά ρούχα ή σκεπαζόμαστε όταν κοιμόμαστε με βαριές κουβέρτες για να εμποδίσουμε τη διαρροή θερμότητας απο το σώμα μας στο κρύο περιβάλλον. Το καλοκαίρι αντίθετα επιδιώκουμε την αγωγή της θερμότητας απο το σώμα μας στο περιβάλλον, για να δροσιστούμε. Ο μηχανισμός που έχει το σώμα μας για να το πετυχαίνει αυτό ειναι ο ιδρώτας. Για να περάσει απο την υγρή φύση ο ιδρώτας του στην αέρια, πρέπει να πάρει θερμότητα, την οποία τη παρέχει το σώμα μας. Όταν ο καιρός ειναι υγρός και έχει υγρασία, ειναι δυσκολότερο να εξατμιστεί ο ιδρώτας και η αίσθηση της ζέστης ειναι ακόμα πιο δυσάρεστη. Ίσως ακόμα, να έχετε παρατηρήσει ότι όταν ξεκινάει να βρέχει (και πολύ περισσότερο όταν αρχίσει να χιονίζει) το κρύο στην ατμόσφαιρα μειώνεται κάπως, ο καιρός 'γλυκαίνει' σε σχέση με πριν αρχίσει να βρέχει. Αυτό συμβαίνει επειδή για να υγροποιηθεί ο υδρατμός και να γίνει βροχή, πρέπει να αποβάλλει θερμότητα στο περιβάλλον και έτσι η θερμοκρασία του αέρα ανεβαίνει λιγάκι.

article 11 b

      Το χιόνι ειναι κακός αγωγός της θερμότητας. Οι νιφάδες χιονιού που συσσωρεύνται πάνω στη γη εμποδίζουν τη θερμότητα να διαφύγει απο την επιφάνειά της. Οι χειμερινές κατοικίες των Εσκιμώων προστατεύονται απο το κρύο επειδή σκεπάζονται με χιόνι. Το χιόνι δεν  προσφέρει θερμότητα αλλά εμποδίζει να χάσουν τη θερμότητα που παραγέται μέσα στο σπίτι. Η λογική ειναι ακριβώς η ίδια με την 'ζεστη κουβερτούλα' μας τον χειμώνα: το χιόνι και η κουβέρτα μας δεν μας ζεσταίνουν, αλλά μας 'σφραγίζουν', μας αποκλείουν απο το κρύο περιβάλλον μας και έτσι εμποδίζεται η διάδοση της θερμότητας που παράγουμε. Αν είμαστε αυστηροί θα πούμε οτι ειναι λάθος η φράση 'Κλείσε τη πόρτα, μπαίνει κρύο', γιατί μέγεθος που ονομάζεται 'ψυχρότητα' δεν υπάρχει (τουλάχιστον στην επιστήμη!). Κρυώνουμε επειδή ο κρύος αέρας μας παίρνει τη θερμότητά μας. Μέσα σε ενα ζεστό σπίτι δεν 'μπαίνει κρύο'. Το σπίτι κρυώνει επειδή η θερμότητα φεύγει στο εξωτερικό του.

      

 

 Ζάρας Γιάννης

Πηγή: Paul Hewitt - Conceptual Physics