Teplota termodynamiky, absolútna nula; viac

Teplo pôsobí detonačne, zvyšuje prietok krvi, má analgetický účinok a v prípade chronického neaktívneho zápalu pôsobí často protizápalovo. Svalový tonus sa znižuje teplom a dlhodobým chladom. Termoterapia je aplikácia rôznych horúčav na pacienta. Čo však presne znamená „teplo“? Ako sa telo zahrieva, ako sa teplo prenáša?

teplota

Teplota je fyzikálna veličina, z ktorej je možné robiť tvrdenia o nasledujúcich vlastnostiach látok:

• Tepelná rovnováha - Ak majú dve telesá rovnakú teplotu, nedochádza medzi nimi k výmene tepla. Ak sa teploty líšia, teplo prúdi z teplejšieho do chladnejšieho telesa, kým sa nedosiahne rovnováha.)

• Meranie strednej kinetickej energie v plynoch
• Vlastnosti látok závislých od teploty - príklady: tepelná rozťažnosť látok, hustota, elektrický odpor

Základná jednotka (jednotka Si) teploty je uvedená v Kelvinoch [K]. ° C je však bežná aj v európskych krajinách. To zodpovedá 1 ° C = 274,15 K..

Keď bola vytvorená stupnica Celzia, astronóm Anders Celsius definoval pevné body. Povedal, že pri 0 ° C je teplota varu čistej vody a pri 100 ° C je teplota topenia čistého ľadu. Zvrat bodu mrazu a bodu varu sa zistil až po jeho smrti a poskytuje základ pre dnešné merania teploty.

Absolútna nula

Podľa definície je absolútny nulový bod najnižšou merateľnou teplotou a je nulový Kelvin (= -273,15 ° C). Teória hovorí, že čím pomalšie sa v ňom častice pohybujú, tým je plyn chladnejší. Pri absolútnej nule je pohyb častíc nulový. Takže na stupnici absolútnej teploty (Kelvinova stupnica) nemožno dosiahnuť záporné teploty.

Tepelné stavové rovnice pre plyny

Pri ideálnych plynoch existuje proporcionalita medzi tlakom a teplotou. Nasledujúce zákony popisujú vzťahy medzi dvoma veličinami, zatiaľ čo ostatné zúčastnené veličiny zostávajú konštantné:

Boyle-Mariottov zákon

Ak sa tlak zvýši na ideálny plyn, objem plynu klesá s konštantnou teplotou a množstvom látky alebo je tlak nepriamo úmerný objemu:

Gayle-Lussacov zákon

Objem ideálnych plynov je úmerný teplote, za predpokladu, že množstvo látky a tlak sú konštantné.

Amontonov zákon

Pri zahrievaní ideálneho plynu sa zvyšuje tlak, pri ochladení tlak klesá.

Súčiniteľ tepelnej rozťažnosti

Rôzne látky sa rozdielne rozširujú, keď teplota stúpa. Zodpovedným účinkom je tepelná rozťažnosť. Nie vždy to prebehne jednotne a rozdelí sa to na:

Lineárny koeficient tepelnej rozťažnosti

Toto naznačuje zmenu dĺžky, o ktorú sa tkanina mení vo vzťahu k svojej celkovej dĺžke.

α	Koeficient lineárnej rozťažnosti [10 -6/K] pri 20 ° C
Ľ	Dĺžka [m]
ΔL	Zmena dĺžky [m]
ΔT	Zmena teploty [K]

Koeficient expanzie špecifický pre objem/kubický koeficient expanzie

Indikuje zmenu objemu tela v porovnaní s celkovým objemom, keď je zahrievaný o jeden Kelvin.

y	Koeficient kubickej rozťažnosti [10 -3/K] pri 20 ° C
V0	Objem pred zahriatím [m³]
5V	Zmena objemu [m³]
δT	Zmena teploty [K]

Meranie teploty

Z dôvodu teplotnej závislosti rôznych vlastností materiálu je možné na meranie teploty použiť tieto závislé premenné:

Tekutý teplomer

Kvapalina - zvyčajne ortuť alebo sfarbený alkohol - je v tenkej trubici s pripevnenou mierkou. Teplota sa môže merať pomocou expanzie a zmenšenia objemu, keď sa kvapalina zahrieva alebo ochladzuje. Voda nie je vhodná kvôli takzvanej anomálii vody.

Plynový teplomer

V tenkej trubici, podobne ako v prípade kvapalinového teplomera, je kvapka ortuti, ktorá uzatvára priestor, v ktorom sa nachádza plyn. Tento plyn sa pri zahrievaní rozširuje alebo pri ochladení klesá jeho objem.

Bimetalový teplomer

Expanzia po zahriatí sa líši od látky k látke. Na ukazovateľ je pripevnený špirálový bimetalový pásik pozostávajúci z dvoch rôznych kovov. Pri zahrievaní sa dva kovy rozťahujú odlišne, čo spôsobuje vychýlenie ukazovateľa.)

Elektronický teplomer/odporový teplomer

Teplotná závislosť elektrických odporov, najmä u polovodičových materiálov, je veľmi vysoká. Platí nasledujúce: Odpor termistora NTC klesá so zvyšovaním teploty. Zníženie odporu zvyšuje prúdový prúd, ktorý poskytuje mieru zmeny teploty.

Termálne atramenty

Takzvané tepelné farby menia farbu alebo vyžarujú svetlo pri určitých teplotných zmenách.

teplo

Zvýšenie teploty spôsobuje zvýšenie kinetickej energie jeho najmenších častíc. Otepľovanie znamená pridávanie energie, ochladenie odstránenie energie.
Teplo je zvláštna forma energie. Podľa zákona o zachovaní energie možno vnútornú energiu získať iba konverziou z iných druhov energie. Napríklad z mechanickej, elektrickej, chemickej alebo jadrovej energie.

Poznámka: Energia sa nemôže stratiť, môže sa premieňať iba z jednej formy energie na inú. (Pozri článok Mechanika I)

Teplo a vnútorná energia sa považujú za rovnocenné s ostatnými formami energie a aspoň čiastočne sa dajú navzájom meniť.

Teplo, ktoré telo absorbuje, je úmerné hmotnosti a zmene teploty tela. Merná tepelná kapacita všeobecne označuje množstvo tepla potrebné na zahriatie jedného kilogramu tejto látky o jeden Kelvin. Kalorimeter sa môže použiť na určenie špecifickej tepelnej kapacity, t. J. Zmeny tepla v tele, a tým zmeny jeho vnútornej kinetickej energie (kalorimeter tepelného toku, kalorimeter tepelnej bilancie, adiabatický kalorimeter).

Výpočet tepla je definovaný takto:

Teplo absorbované alebo emitované telesom sa rovná súčinu špecifickej tepelnej kapacity, hmotnosti tela a teplotného rozdielu.

Tepelný výkon

Ak zdroj tepla dodáva určité množstvo tepla v určitom časovom intervale, potom je jeho vedenie tepla kvocientom tepla a časovým intervalom:

Tepelný tok

Teplo sa môže prenášať tromi rôznymi spôsobmi: tepelným vedením, tepelným tokom (konvekciou) a tepelným žiarením. Teplo sa prenáša z jedného tela na chladnejšie.

Ak sa teleso zahrieva v jednom bode, hustota kvapaliny v tomto bode klesá v dôsledku zvýšenia teploty. Kvôli vztlaku stúpa ohriata časť kvapaliny smerom hore a chladnejšia časť kvapaliny smerom dole. To vedie k transportu celého množstva kvapaliny, ktorá so sebou nesie tepelnú energiu.

U ľudí dochádza dokonca k neustálej výmene tepla s okolitým prostredím prostredníctvom nasledujúcich štyroch mechanizmov.

Vedenie (prenos tepla priamym kontaktom)

Tu teplo migruje z miest s vyššou teplotou do susedných (susedných) miest s nižšou teplotou. Prenos sa uskutočňuje postúpením kinetickej energie z molekuly na molekulu.

Konvekcia (výmena tepla médiom (vzduch, voda))

Pohyb častíc v kvapalinách a plynoch je tiež definovaný ako konvekcia. V kontexte ľudskej termoregulácie je to dôležitý faktor pre uvoľňovanie telesného tepla.
Konvekčný transport transportuje krvné plyny cez telo prietokom krvi.

Žiarenie (tepelné žiarenie z elektromagnetických vĺn)

Ak sa tepelná energia prenáša z teplejšieho telesa do chladnejšieho bez zapojenia stredného média, hovorí sa o tepelnom žiarení. Tepelné lúče vychádzajú nielen z teplých telies emitujúcich svetlo, ale aj z telies nevydávajúcich svetlo, akonáhle je ich vlastná teplota vyššia ako teplota okolia. Ak tepelné lúče zasiahnu telo pri nižšej teplote, zohrejú ho.

Odparovanie (strata tepla odparovaním)

K výparu dochádza cez pokožku vo forme potu.

Hlavný zákon termodynamiky

W.	vykonaná práca [J]
H	Entalpia [J]
U	vnútorná energia, bez jednotiek
p	tlak
V.	objem

Stav plynu je charakterizovaný tromi stavovými premennými tlak, objem a teplota. Zmeny v dvoch alebo všetkých stavových premenných sa označujú ako zmeny stavu. Jasne definovaná hodnota vnútornej energie patrí do každého stavu systému. Používa sa na to prvý zákon termodynamiky. Platí nasledujúce:

Ak Q je dodaná tepelná energia, W je mechanická práca a ΔU je zmena vnútornej energie, potom:

Pri ideálnych plynoch spôsobuje mechanická práca zmenu objemu. Dodaná tepelná energia vedie k zvýšeniu vnútornej energie a zvýšeniu objemu. Celá energia prítomná v systéme sa nazýva vnútorná energia. Je to stavová funkcia, ktorá závisí iba od stavu premenných tlak, objem a teplota. Zmena vnútornej energie je určená iba počiatočným stavom a konečným stavom.

Súčet vnútornej energie a súčin tlaku a objemu sa nazýva entalpia. Súčin tlaku a objemu zodpovedá výtlaku:

Vedenie

Pretože vedenie tepla je v medicíne obzvlášť dôležitou témou, bude sa mu podrobnejšie venovať v tejto kapitole.
Najjednoduchším typom prenosu tepla je vedenie tepla. Ako už bolo spomenuté, deje sa to prostredníctvom susedných látok, z ktorých teplejšia látka dodáva svoju energiu chladnejšej.

Vedenie tepla sa vyskytuje výlučne v hmote a vyžaduje si teplotný gradient. Rôzne materiály majú rôznu tepelnú vodivosť. Táto tepelná vodivosť je vyjadrená koeficientom tepelnej vodivosti. Koeficient tepelnej vodivosti udáva množstvo tepla, ktoré prúdi za jednotku času kockou s dĺžkou hrany 1 m medzi dvoma protiľahlými bočnými povrchmi, medzi ktorými je teplotný rozdiel jeden Kelvin. Ostatné povrchy kocky musia byť úplne nepriepustné pre teplo.

Tepelnú vodivosť látok je možné preukázať aj vo vzťahu ku konkrétnej látke. Potom sa získa relatívna vodivosť.

Kovy sú všeobecne dobrými vodičmi tepla. Zlé tepelné vodiče sú plyny, vlna, papier a mnoho ďalších. Tieto zlé tepelné vodiče sa používajú ako tepelnoizolačné materiály.

V medicíne sa používajú rôzne tepelné terapie na zlepšenie a udržanie funkcie pohybových orgánov, na posilnenie a relaxáciu svalov, na zlepšenie trofiky alebo na zmiernenie bolesti.

Populárne skúšobné otázky z termodynamiky

Riešenia nájdete pod odkazmi.

1. Nech je para v (dynamickej) rovnováhe s jej kvapalinou. Izotermy tejto pary sú v p-v diagrame vodorovné čiary, pretože tlak pár kvapaliny závisí iba od teploty.

1. Výrok 1 je správny, výrok 2 je správny, prepojenie je správne
2. Výrok 1 je správny, výrok 2 je správny, väzba je nesprávna
3. Výrok 1 je správny, výrok 2 nepravdivý, odkaz nie je možný
4. Výrok 1 je nesprávny, výrok 2 správny, odkaz nie je možný
5. Výrok 1 je nepravdivý, výrok 2 je nepravdivý, odkaz nie je možný

2. Aká je hodnota vzťahu T2/T1 ich príslušných absolútnych teplôt pre dve teploty t1 = 127 ° C a t2 = 47 ° C?

1. 1/3
2. 4/5
3. 5/4
4. 5
5. žiadna z hodnôt neplatí

3. Na zohriatie 2 litrov vody (cWater = 4,2 kJ * K -1 * kg -1) z T = 20 ° C na T = 40 ° C potrebujete energiu:

1. 42 kJ
2. 84 kJ
3. 168 kJ
4. 336 kJ
5. 420 kJ

nafúknuť

Gonsior, Physik für Mediziner, Schattauer Verlag, 1994, 2. vydanie

Seibt, Physik für Mediziner, Springer Verlag, 2009, 6. vydanie

Úvod do fyziky I, skript, O. von der Lühe a U. Landgraf

Správne odpovede: 1A (krivka tlaku pár), 2C (absolútna teplota sa počíta z teploty Celzia pridaním 273 K), 3C (dva litre vody zodpovedajú hmotnosti 2 kg)

---