Czy można przeliczyć energie elektryczną na temperaturę?

Pytanie

Pyta Dawid

Czy można przeliczyć energie elektryczną na temperaturę? Chodzi mi o to, że jeżeli mamy gram materii (jeżeli dobrze rozumiem pierwiastek nie robi różnicy, ale jeżeli tak by było to przyjmijmy wodór) to czy ogrzanie takiej ilości można opisać za pomocą watów? Jeśli tak, to ile watów by było potrzebne do tego?

Odpowiedź

Odpowiada Filip Malinowski

Rzeczywiście energię dostarczoną do układu można powiązać z jego temperaturą, lub też zmianą temperatury. Jest tak również w przypadku każdego rodzaju energii elektrycznej, kinetycznej i tak dalej. Istotne jest jedynie aby istniał element przetwarzający odpowiedni rodzaj energii na ciepło. W przypadku energii elektrycznej może to być rozgrzewanie się opornika (takiego jak spirala grzejna czy żarnik klasycznej żarówki) na skutek przepływu prądu.

Jednak taka sama energia może odpowiadać innej zmianie temperatury, nawet jeżeli mamy do czynienia z taką samą ilością materii (czy to w kilogramach, czy też licząc ilość pojedynczych atomów lub cząsteczek). Może to zależeć między innego od tego czy atomy materii powiązane są w molekuły. Może zależeć od stanu skupienia substancji. Po dokładnej analizie okazuje się nawet, że ta sama ilość energii może odpowiadać innej zmianie temperatury w zależności od początkowej temperatury tej substancji! Ale po kolei.

Energię potrzebną do ogrzania danej ilości substancji nazywamy ciepłem właściwym. Jej jednostką jest J/(kg * C) (dżul na kilogram na stopień Celsjusza). Na przykład, woda ma w przybliżeniu ciepło właściwe 4200 J/(kg * C). A więc potrzeba 4200 dżuli aby ogrzać kilogram wody (około litra) o jeden stopień Celsjusza. I tak kilowatowy czajnik elektryczny dostarcza 1000 dżuli na sekundę (1 wat to jeden dżul na sekundę). A zatem taki czajnik ogrzeje litr wody o jeden stopień w ciągu 4.2 sekundy (o ile izolacja czajnika jest idealna i cała moc zostanie wykorzystana na ogrzanie wody).

Jednak ciepło właściwe zależy istotnie od oddziaływania pomiędzy cząsteczkami. I tak w przypadku lodu, kiedy cząsteczki wody są związane w kryształ, ciepło właściwe jest mniej więcej o połowę mniejsze niż kiedy woda jest ciekła (około 2100 J/(kg * K)). Intuicyjne wyjaśnienie jest takie, że w lodzie dostarczona energia jest przeznaczona jedynie na drgania cząsteczek w krysztale. W płynnej wodzie część energii powoduje wirowanie cząsteczek. Im więcej jest sposobów na które cząsteczki mogą drgać i wirować, tym większe ciepło właściwe, bo taka sama energia rozdzielona jest pomiędzy różne mody drgań i rotacji.

W niektórych przypadkach bywa też, że dodanie energii nie zmienia temperatury. Kiedy lód topnieje cała dostarczona energia jest poświęcona na rozerwanie kryształu, ale temperatura mieszaniny wody z lodem nie wzrasta póki cały lód się nie rozpuści.

Podsumowując, oddziaływanie pomiędzy cząsteczkami ma ogromne znaczenie i nie da się w prosty sposób przewidzieć ciepła właściwego różnych substancji. Wiązania pomiędzy atomami wpływają na to na jakie sposoby cząsteczka może drgać i w jaki sposób może się obracać. A zatem wiązania pośrednio wpływają też na ciepło właściwe. W ogólności charakter drgań i rotacji zmienia się też w zależności od temperatury.

Kilka przykładowych wartości ciepła właściwego w temperaturze pokojowej dla różnych substancji można znaleźć na przykład tutaj.

Pewnym wyjątkiem w tym skomplikowanym zagadnieniu są gazy. W przypadku gazów oddziaływanie pomiędzy cząsteczkami jest stosunkowo słabe. Najszczególniejszym przypadkiem są gazy jednoatomowe, czyli takie w których pojedyncze atomy poruszają się swobodnie (np. hel, neon, argon, itd.). W takich gazach oddziaływania odgrywają znikomą rolę. W tym jedynym przypadku ciepło na liczbę atomów (nie na kilogram!) jest niemal identyczne dla kilku różnych substancji.