Subjektivni osjećaj topline dobiva se dodirom s tijelima kojima je temperatura viša (toplo) ili niža (hladno) od temperature ljudskogatijela. Toplina se objektivno mjeri promatranjem djelovanja ugrijanih tijela na druga tijela (kalorimetrija).[1]
Ako stavimo ruku u posudu s vrućom vodom i držimo je nekoliko sekundi, a zatim je stavimo u posudu s toplom vodom, učinit će nam se kao da je tavoda hladna. Stavimo li ruku u hladnu vodu i držimo li je nekoliko sekundi, a onda je uronimo u onu toplu vodu, imat ćemo osjet kao da smo je stavili u vruću vodu. Odatle vidimo dačovječji osjet nije mjerodavan za prosuđivanje stanja nekogafizikalnog tijela, to jest njegove temperature.
Toplina itemperatura nisu jedno te isto. To najbolje možemo uočiti iz jednog primjera. U dvije po veličini različite prostorije ložimopeć iste veličine tako da trošimo istu količinugoriva na sat; vidjet ćemo da će temperatureprostorija biti različite. Veća prostorija imat će manju temperaturu, a manja veću, iako je svaka prostorija, to jestzrak u prostoriji, primio istu količinu toplineizgaranjem jednake količine goriva. Dva fizikalna tijela mogu imati istu količinu topline, a različitu temperaturu. Da bi veća prostorija imala istu temperaturu kao manja, morali bismo većoj dati veću količinu topline, to jest morali bismo potrošiti veću količinu goriva. Odatle vidimo da dva fizikalna tijela mogu imati istu temperaturu, ali različitu količinu topline.
Međutim, što je toplina? Na to pitanje odgovaramolekularno-kinetička teorija topline.Molekule u tijelima ne miruju, nego se nalaze u stalnomgibanju, čijabrzina može biti veća ili manja.Bušenjem,glodanjem,tokarenjem irezanjem pomoćualatnih strojeva, kao i kod svakeobrade materijalaalatom, stvara se toplina. Toplina nastaje na osnovu utrošenogmehaničkog rada, a i na računkinetičke energije. Udaromčekića, koji ima kinetičku energiju, onakovanj stvara se toplina. Tu se kinetička energija ne pretvara samo u toplinu nego i uenergiju zvuka i u mehanički rad potreban zadeformaciju tijela. Prisudaru dvaju tijela prenosi se gibanje, to jest kinetička energija s jednog tijela na drugo. To ne vrijedi samo za velika tijela nego i za sitne čestice, to jest molekule. Kinetička energija čekića pretvara se u kinetičku energiju molekula, to jest u njihovo nevidljivogibanje. Toplina je, dakle, kinetička energija molekularnog gibanja.
Što tijelo višegrijemo, molekule se sve brže gibaju i imaju sve veću kinetičku energiju. Zbog toga se molekule međusobno udaljavaju, pa kruto tijelo taljenjem prelazi u tekućeagregatno stanje.Tekuće tijelo zagrijavanjem prelazi uplinovito agregatno stanje. Molekule vode daljim zagrijavanjem kodvrelišta odlaze u zrak.Voda prelazi uvodenu paru.Para ima toliku kinetičku energiju da tjeraparni stroj. Koliki je stupanj toga molekularnog gibanja, kazuje temperatura. Temperatura je, dakle, stupanj toplinskog stanja tijela i o njoj ovisi agregatno stanje tijela.
Onaj dio nauke o toplini koji se bavi toplinom kao jednim oblikom energije i proučava pretvaranje toplinske energije u mehaničku radnju zove setermodinamika. Budući da je to pretvaranje naročito važno kod plinova, to se termodinamika bavi u prvom redu toplinskim promjenama kod plinova.[2]
Želimo li masu od 1kilogramvode ugrijati naplameniku od 10 °C na 20 °C, trebat će nam određenovrijeme. Zagrijanje 1 kilograma vode na tom plameniku od 10 °C na 30 °C bit će potrebno duže vremena. Za grijanje 2 kilograma vode trebat će dvostruko duže vremena nego za grijanje 1 kilograma vode. Dakle potrebna količina topline za zagrijavanje vode je to veća što je veća masa vode i što je zagrijavamo na višu temperaturu. Prema tome je:
gdje je:Q - količina topline izražena udžulima (J),m -masa vode ukilogramima (kg) it2 - t1 - razlika temperature ucelzijima (°C).
Količinu topline mjerimo kao i svaku energiju u džulima. Međutim, još se upotrebljava kao jedinica topline kilokalorija (kcal). 1 kcal je ona količina topline koja je potrebna da se 1 kilogram vode, kod normalnogtlaka zraka od 760 torra (1atm), zagrije od 14,5 °C na 15,5 °C. To je zbog toga što količine topline za zagrijavanje 1 kilograma vode, na primjer od 12 na 13 °C ili od 20 na 21 °C, nisu jednake. Međutim su razlike tako malene da se u praksi uzima da je za ugrijavanje 1 kilograma vode za 1 °C potrebna 1 kcal, bez obzira kod koje se to temperature vrši. Kod grijanja mora se toplina dovoditi, a kod ohlađivanja odvoditi. Kilokalorija (kcal), određena pri 15 °C, približno je jednaka 4,1855 kilodžula (kJ).
Za zagrijavanje 1 kilogramaželjeza trebat će manje vremena nego za zagrijavanje 1 kilogramaopeke. Znači da za različite tvari treba različita količina topline da bi se 1 kilogram te tvari ugrijao za 1 °C. Količina topline u J ili kcal koja je potrebna da se 1 kg neke tvari ugrije za 1 °C zove se specifična toplina ili specifičnitoplinski kapacitet, a označuje se malim slovomc.
Prema tome, ako je za ugrijavanje 1 kg neke tvari potrebna specifična toplinac, to je za ugrijavanjem kg tvari potrebnac ∙ m. Za ugrijavanjem kg tvari od temperaturet1 na temperaturut2 potrebna je toplina:
Kako voda ima veliku specifičnu toplinu, to ju je teško ugrijati. Zagrijana pak voda sadrži veliku količinu topline, što se mnogo iskorišćuje utehnici. Voda se upotrebljava kao nosilac topline kodcentralnog grijanja i uparnim kotlovima (generatorima pare).
Vođenje ilikondukcija je prijenos topline tako da se dio tijela zagrijava izravnim dodirom s izvorom topline, a susjedni se dijelovi redom dalje zagrijavaju. Ako se, na primjer, jedan krajmetalnoga štapa stavi upeć, toplina se po štapu širi vođenjem. Brzina prenošenja topline to je veća što je većatemperaturna razlika, a ovisi i o samojtvari. Budući da su dobrivodičielektričnih naboja (metali) ujedno i dobri vodiči topline,toplinska se vodljivost pripisuje ponajprije gibanju slobodnih elektrona.
Svako tijelo ne vodi toplinu jednako. Stavimo li u vatrudrvenu šipku umjesto metalne, moći ćemo je u ruci držati i onda kadagori. Tijela koja dobro vode toplinu zovemo toplinskim vodičima, a ona koja slabo vode toplinutoplinskim izolatorima. Poluvodiči topline su tijela (kaokremen,mramor,grafit i neke rude) koja toplinu vode slabije odkovina, ali bolje od pravihizolatora. Od tehničkih kovina najbolji vodič topline jesrebro,bakar, a zatimaluminij,mjed iželjezo. Loši vodiči topline suzrak, a zatim šupljikave tvari kaopluto,azbest, drvena piljevina,kamena vuna,polistiren i drugo. Šupljikave tvari su loši vodiči topline jer imaju u sebi mnogo šupljina, ispunjenih zrakom koji je toplinski izolator.Tekućine su također loši vodiči topline. Da jevoda loš vodič topline, pokazuje pokus kada u epruveti punoj vode na dnu imamo pričvršćenled (pričvršćen da ne ispliva), voda može gore već vrijeti, a led se neće jošrastaliti. Budući da je zrak loš vodič topline, on sprečava gubitak topline kod dvostrukihprozora.Termos-boca drži dugo toplinu zbog toga što ima dvostruku stijenku iz koje je isisan zrak, pa nema tijela koje bi vodilo toplinu.
Strujanje ilikonvekcija je prijenos je topline u tvarima koje mogu strujati, to jest utekućinama iplinovima (fluidi). Strujanje nastaje zbog promjenegustoće zagrijavanjem. Ako se, na primjer, voda grije odozdo, donji se slojevi vode ugriju, rašire i smanji im se gustoća, pa se ugrijana voda diže nad hladnu. Slično nastaju ivjetrovi uatmosferi.
Grijanje prostorija pomoćupeći osniva se strujanju. Toplina se od peći prenosi po sobi strujanjem zraka. U nekim zgradama vrši se grijanje više prostorija s jednog centralnog mjesta. To je takozvanocentralno grijanje. Ako postoji centralno grijanje samo za jedan stan, onda je to etažno grijanje. Prema vrsti sredstva za prenošenje topline centralno grijanje može biti zračno, vodno i parno. Pri zračnom grijanju upotrebljava se kao sredstvo za prenošenje topline zrak. Pri grijanju vodom upotrebljava se kao sredstvo za prenošenje topline voda, a osniva se na prirodnoj cirkulaciji tople i hladne vode. Voda se grije ukotlu koji je obično u podrumu, diže se krozcijevi i predaje svoju toplinu prekoradijatora stambenim prostorijama. Ohlađena voda vraća se drugimcjevovodom u kotao gdje se ponovo ugrije. Da bi se voda u napunjenom sistemu pri zagrijavanju mogla slobodno širiti, na tavanu se obično nalazi ekspanziona posuda koja prima višak vode. Pri parnom grijanju upotrebljava se kao sredstvo za prenošenje toplinevodena para od 0,05 do 2atm (od 100 do 200 kPa). U radijatorima para predaje svoju toplinu stijenama radijatora i tako zagrijava prostoriju.
Toplinsko zračenje ilitermalna radijacija je prijenos je topline tako da zagrijano tijelo odašiljeelektromagnetsko zračenje, a hladnije tijelo zagrijava se upijanjem (apsorpcijom) energijezračenja. TakoZemlja prima toplinu odSunca koja prolazi kroz zrakoprazni prostor. Toplinske zrake šire se istombrzinom svjetlosti kao isvjetlosne zrake.
Ako stojimo blizu ugrijanepeći, osjetit ćemo toplinu, iako je okolni zrak još hladan. Iz vrućeg tijela rasprostire se toplina na sve strane nevidljivim toplinskim zrakama. Iz tog se razloga nazivaju peći centralnog grijanjaradijatorima. Različita tijela vladaju se različito prema toplinskim zrakama.Staklo koje je za zrake svjetlosti prozirno apsorbira toplinske zrake, dokebonit koji je neproziran propušta toplinske zrake.Voda iled su nepropusni za toplinske zrake, to jest oni ih apsorbiraju i zbog toga se zagrijavaju.
Prveteorije o toplini osnivale su se na shvaćanju da je toplina tvar koja se nalazi pohranjena u svakom tijelu, te da dodirom prelazi iz toplijega tijela u hladnije. To se shvaćanje počelo mijenjati kada je potkraj 18. stoljećaB. Th. Rumford uočio da je toplina razvijena pribušenjutopovskih cijevi razmjerno utrošenomumehaničkom radu.J. P. Joulepokusima je 1843. pokazao da rad može prelaziti u toplinu.Jouleova toplina je toplina koju proizvedeelektrična struja prolaskom krozelektrični vodič tijekom nekoga vremena, jednaka je umnoškuelektričnoga otpora, kvadratajakosti električne struje i vremena.
Sunce je najveći izvor toplinske energije na čijoj površini vlada temperatura od 5 778K (5 505°C), a u unutrašnjosti se penje na milijune stupnjeva. Svakicm2 Zemljine površine na koju padaSunčeva svjetlost okomito prima u minuti prosječno 1,94cal, to jest 1,36W/m2. Ta se količina topline zoveSunčeva ili solarna konstanta. Pri tome se misli na površinu koja se nalazi na gornjoj graniciZemljine atmosfere, jeratmosfera upija znatan dio te topline tako da na samu Zemljinu površinu dolazi prosječno pola te vrijednosti.
Sunčeva energija je najvažnija za život na Zemlji. Na primjerenergija vodenih slapova je nastala od Sunčeve energije jer zagrijavanjem vode nastajeishlapljivanje;vodena para se diže uvis, pa onda pada na Zemlju u oblikuoborina kiše ili snijega. Sunčeva energija omogućuje rastbilja koje sakuplja tu energiju. Prirodnagoriva, na primjerugljen, nastala su iz biljaka koje su u davno vrijeme došle podZemljinu koru. Prema tome vidimo da sva raspoloživa energija dolazi uglavnom sa Sunca.
Zemlja je također izvor topline. Prema unutrašnjosti Zemlja je sve toplija, a u dubinama većim od 18metara ispod površine vanjske toplinske promjene temperature nemaju utjecaja. Znači, ovdje toplina ne dolazi izvana nego iz unutrašnjosti Zemlje. Na svakih 100 metara prema središtu Zemlje temperatura poprečno raste za 3 °C.
Kemijska energija, sadržana u različitimkemijskim tvarima, oslobađanjem se pretvara u toplinu. Najobičnija pojava topline nastaje kemijskim spajanjem tvari skisikom, a taj se proces nazivaoksidacija. Ako se pri tom javljaplamen, to jegorenje. Tvar iz koje dobivamo izgaranjem toplinu za kućnu i tehničku upotrebu zove segorivo. Toplina izgaranja goriva je njegovaogrjevna vrijednost ili ogrjevna moć, a to je ona količina topline koju potpunimizgaranjem razvije 1kilogramgoriva. Ogrjevna moć goriva određuje se takozvanomkalorimetrijskom bombom. U toj posudi nalazi se čistikisik podtlakom do 25bara. Ta je bomba smještena u posudi koja je napunjenavodom. Kada gorivo izgori voda se ugrije. Iztoplinskog kapaciteta posude i bombe, i povišenja temperature vode možemo izračunati ogrjevnu moć goriva. Zaplinove se ogrjevna moć navodi um3. Tako je na primjer ogrjevna moćkamenog ugljena od 7 000kcal/kg (7 000 ∙ 4,186 = 29 302kJ/kg = 29,3 MJ/kg) do 8 000 (8 000 ∙ 4,186 = 33 488 kJ/kg = 33,5 MJ/kg),koksa 29,3 MJ/kg,benzina 46 MJ/kg, rasvjetnog plina od 17 do 30 MJ/m3.
Izvor kemijske energije su procesi koji se zbivaju izmeđuatoma odnosnomolekula pojedinihkemijskih elemenata. Kako su atomi sastavljeni od najsitnijih čestica, kao što suprotoni,neutroni ielektroni, to procesi koji se zbivaju između tih najsitnijih čestica stvaraju nuklearnu ili atomsku energiju. Nuklearna energija je mnogo veća od kemijske, ali se i ona konačno pretvara u toplinsku energiju.
_as_of_January_20%2c_2020.jpg)
