Θερμότητα

Θερμότητα και θερμοκρασία

Η θερμότητα και η θερμοκρασία είναι διακριτές, ωστόσο συχνά συγχεόμενες έννοιες. Η θερμοκρασία είναι καταστατικό μέγεθος, δηλαδή εξαρτάται αποκλειστικά από την κατάσταση ενός συστήματος. Αντιθέτως, η έννοια της θερμότητας προκύπτει σε θερμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ σωμάτων, οπότε δεν μπορεί να ειπωθεί ότι ένα σύστημα «έχει» κάποια τιμή θερμότητας (ακριβώς όπως ένα μηχανικό σύστημα δεν «έχει» έργο). Η εισροή θερμότητας σε ένα σύστημα μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της εσωτερικής ενέργειας του ή την παραγωγή έργου.

Μονάδες μέτρησης

Μονάδα μέτρησης στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων είναι το joule. Στο Τεχνικό Σύστημα η μονάδα θερμότητας είναι η Βρετανική μονάδα θερμότητας (Btu) που ορίζεται σαν η θερμότητα η αναγκαία για να αυξηθεί η θερμοκρασία μίας λίβρας νερού από τους 63 στους 64 βαθμούς Φαρενάιτ. Η θερμίδα (cal) και η χιλιοθερμίδα (kcal) ήταν η μονάδα που χρησιμοποιήθηκε αρχικά για τη θερμότητα. Μια χιλιοθερμίδα ορίζεται ως το ποσό θερμότητας που πρέπει να δώσουμε ανά λίτρο νερού που βρίσκεται σε ατμοσφαιρική πίεση για να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά ένα Κelvin.
Οι μονάδες θερμότητας έχουν μεταξύ τους τις ακόλουθες σχέσεις:
1 kcal = 1000 cal = 4186,8 joules = 3.968 btu.

Σχετικά μεγέθη

Η προσφορά θερμότητας σε ένα σώμα δύναται να προκαλέσει την ανύψωση της θερμοκρασίας του. Ο ρυθμός αλλαγής της θερμοκρασίας ως προς την προσφερόμενη θερμότητα ονομάζεται θερμοχωρητικότητα και ορίζεται από τη μερική διαφόριση C = ∂Q/∂Τ. Όπως αναφέρθηκε, η θερμότητα δεν είναι καταστατική ποσότητα, και ως εκ τούτου εξαρτάται από την διαδικασία που ακολουθείται κατά τη θέρμανση του υλικού, με αποτέλεσμα και η θερμοχωρητικότητα να εξαρτάται από αυτήν. Ως παράδειγμα, για την ίδια μεταβολή θερμοκρασίας ΔT, διαφορετικές διαδικασίες θέρμανσης μπορεί να απαιτούν διαφορετικά ποσά θερμότητας ΔQ. Δύο συνηθισμένες θερμοχωρητικότητες είναι η ισόχωρη (στην οποία όλη η προσφερόμενη ποσότητα αυξάνει την εσωτερική ενέργεια του σώματος), (∂Q/∂T)V = (∂U/∂T)V, και η ισοβαρής, (∂Q/∂T)ₚ.
Η ειδική θερμοχωρητικότητα (συνηθέστερα ειδική θερμότητα) είναι η θερμοχωρητικότητα ανά μονάδα μάζας, ενώ η γραμμομοριακή θερμοχωρητικότητα είναι θερμοχωρητικότητα ανά mole, και αναφέρονται σε υλικά και όχι σώματα.
Θερμική ροή ονομάζεται ο λόγος της θερμότητας ΔQ που προσφέρεται σε ένα σώμα σε σχέση με το χρόνο dτ Q = ΔQ/dτ.

Μετάδοση της θερμότητας με αγωγή

Σύμφωνα με τον Νόμο του Φουριέ, η μεταφορά θερμότητας με αγωγή εκφράζει τη ροή θερμότητας Q  από ένα σώμα στο άλλο μέσω επαφής και είναι ανάλογη  με τη διαφορά θερμοκρασίας τους. Ειδικότερα ισχύει:
Q = λAΔΤ/Δx
`Οπου λ ονομάζεται η θερμική αγωγιμότητα του θερμαινόμενου υλικού και εξαρτάται από το υλικό που χρησιμοποιούμε προς μελέτη, Α είναι η επιφάνεια επαφής και Δx το πάχος του υλικού.

Μετάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία

Για την μετάδοση της θερμότητας με αγωγή ή με μεταφορά χρειάζεται n παρουσία της ύλης (στερεά, υγρά ή αέρια). Η θερμότητα όμως διαδίδεται και στο κενό. Γνωστό παράδειγμα στη φύση είναι η θέρμανση της Γης από τον Ήλιο, όπου δεν υπάρχει μέσο διάδοσης.
Ο τρόπος αυτός διάδοσης της θερμότητας λέγεται διάδοση με ακτινοβολία.
Η θερμική ακτινοβολία διαδίδεται στο χώρο με ηλεκτρομαγνητικά κύματα (όμοια με τα φωτεινά), απορροφάται από τα διάφορα σώματα και τα θερμαίνει.
Η μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία θεωρείται συνήθως αμελητέα σε χαμηλές θερμοκρασίες και έτσι δεν λαμβάνεται υπόψιν. Για μέταλλα, π.χ. δεν συνυπολογίζεται για θερμοκρασίες χαμηλότερες της θερμοκρασίας ερυθροποίησης του μετάλλου.