Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας. Θερμική ενέργεια ονομάζουμε την κινητική ενέργεια των μορίων λόγω των συνεχών και τυχαίων κινήσεών τους. Θερμότητα λοιπόν, ονομάζουμε την ενέργεια, όταν ρέει από ένα σώμα προς ένα άλλο λόγω διαφορετικής θερμοκρασίας. Η θερμότητα ρέει πάντοτε από τα σώματα με υψηλότερη θερμοκρασία προς τα σώματα με χαμηλότερη θερμοκρασία.

Η θερμοκρασία είναι μια έννοια που μας βοηθά να περιγράψουμε πόσο θερμό ή ψυχρό είναι ένα σώμα. Η θερμοκρασία μετρά τη μέση κινητική ενέργεια των ατόμων ή των μορίων που αποτελούν ένα αντικείμενο. Καθώς προστίθεται θερμική ενέργεια σε ένα αντικείμενο, τα μόρια του αντικειμένου κινούνται πιο γρήγορα. Όταν τα μόρια κινούνται πιο γρήγορα, έχουν περισσότερη κινητική ενέργεια. Έτσι η θερμοκρασία αυξάνεται.

Εξηγώντας με απλά λόγια τις διαφορές θερμότητας – θερμοκρασίας

Φανταστείτε ότι έχετε ένα φλιτζάνι ζεστό κακάο. Τώρα, η ποσότητα του κακάο στο φλιτζάνι είναι σαν θερμότητα και η ζεστασιά που νιώθετε όταν αγγίζετε το φλιτζάνι είναι σαν θερμοκρασία.

Θερμότητα:

Ορισμός: Θερμότητα είναι η συνολική ποσότητα ενέργειας που περιέχεται σε ένα αντικείμενο. Είναι η “ποσότητα θερμότητας” ή “ενέργειας” που έχει κάτι.
Αναλογία: Αν έχετε ένα μεγάλο φλιτζάνι κακάο, έχετε πολύ κακάο (θερμότητα). Προσθέτοντας περισσότερο κακάο σημαίνει ότι προσθέτετε περισσότερη θερμότητα.

Θερμοκρασία:

Ορισμός: Η θερμοκρασία, από την άλλη πλευρά, είναι ένα μέτρο του πόσο ζεστό ή κρύο είναι κάτι. Είναι σαν το “καυτό” ή το “κρύο” του κακάο στο φλιτζάνι σας.
Αναλογία: Αν αγγίξετε το φλιτζάνι, μπορείτε να αισθανθείτε πόσο ζεστό είναι. Αυτή η αίσθηση είναι σαν τη θερμοκρασία. Αν το κακάο είναι πολύ ζεστό, η θερμοκρασία είναι υψηλή. Αν είναι πιο δροσερό, η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη.

Έτσι, συνοπτικά, η θερμότητα είναι η συνολική ενέργεια σε κάτι (όπως το συνολικό κακάο στο φλιτζάνι σας) και η θερμοκρασία είναι το μέτρο του πόσο ζεστό ή κρύο είναι κάτι (όπως το πόσο ζεστό αισθάνεστε το φλιτζάνι όταν το αγγίζετε). Σχετίζονται αλλά δεν είναι ακριβώς το ίδιο πράγμα.

Για την ανθρώπινη ζωή οι πολύ υψηλές ή χαμηλές θερμοκρασίες θεωρούνται ακραίες. Η θερμοκρασία στην οποία ο άνθρωπος νιώθει άνετα είναι περίπου 20 ^οC.

Με ειδικά όργανα, τα θερμόμετρα, μπορούμε να μετρήσουμε με ακρίβεια τη θερμοκρασία του σώματός μας. Η φυσιολογική θερμοκρασία του ανθρώπου είναι περίπου 37 οC.

Υπάρχουν διαφορετικά είδη θερμομέτρων.

Αν σε ενδιαφέρει να μάθεις περισσότερα για τα είδη των θερμομέτρων, μπορείς να πατήσεις πάνω στην παρακάτω εικόνα.

Ο Daniel Gabriel Fahrenheit πέτυχε δύο σημαντικές προόδους στην ιστορία της θερμομετρίας κατά τις πρώτες δεκαετίες του 18ου αιώνα. Δημιούργησε την κλίμακα Fahrenheit (την πρώτη τυποποιημένη κλίμακα θερμοκρασίας που χρησιμοποιήθηκε ευρέως) και το θερμόμετρο υδραργύρου σε γυαλί (το πρώτο ευρέως χρησιμοποιούμενο, ακριβές και πρακτικό θερμόμετρο).

Οι 3 κλίμακες της θερμοκρασίας: Κλίμακα Fahrenheit, Κλίμακα Celsius και Κλίμακα Kelvin

Όπως μάθαμε και στα προηγούμενα κεφάλαια άλλα σώματα είναι στερεά, άλλα υγρά και άλλα αέρια.

Προσομοιώσεις για κατάσταση ύλης: Προσομοίωση 1, Προσομοίωση 2

Παραπάνω μάθαμε πως η θερμότητα ρέει πάντοτε από το θερμότερα σώματα προς τα ψυχρότερα. Τι συμβαίνει όμως με το ψυγείο;

Τήξη – Πήξη

Τήξη: η μετάβαση ενός υλικού από τη στερεά στην υγρή φάση

Όταν σε ένα στερεό σώμα προσφέρεται θερμότητα, οι ταχύτητες των μορίων του μεγαλώνουν. Η θερμοκρασία αυξάνεται και τα μόρια απομακρύνονται όλο και περισσότερο από τις μόνιμες θέσεις τους. Σε κάποια χαρακτηριστική θερμοκρασία, τα μόρια εγκαταλείπουν τις θέσεις αυτές και αρχίζουν να μετακινούνται και να αλλάζουν θέσεις, έτσι όμως ώστε η μεταξύ τους απόσταση να μην αλλάζει, χωρίς δηλαδή να πλησιάζουν ή να απομακρύνονται το ένα από το άλλο. Το σώμα έχει γίνει υγρό. Αυτή τη διαδικασία ονομάζουμε τήξη του στερεού σώματος. Όση ώρα διαρκεί η τήξη, η θερμοκρασία δε μεταβάλλεται.

• Κάθε στερεό σώμα μετατρέπεται σε υγρό σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, η οποία ονομάζεται θερμοκρασία τήξης.
• Το σώμα απορροφά θερμότητα.
• Όση ώρα διαρκεί η τήξη,   η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή.
• Το καθαρό νερό έχει θερμοκρασία τήξης 0ο C.

Πήξη: η μετάβαση από την υγρή στη στερεά κατάσταση

Η αντίστροφη διαδικασία, η μετατροπή δηλαδή ενός υγρού σώματος σε στερεό, ονομάζεται πήξη. Όταν ένα υγρό αποβάλλει θερμότητα, οι ταχύτητες των μορίων του ελαττώνονται. Η θερμοκρασία μειώνεται, ωσότου σε κάποια χαρακτηριστική θερμοκρασία τα μόρια παγιδεύονται και κινούνται πια μόνο γύρω από μόνιμες θέσεις. Το σώμα έχει γίνει στερεό. Όση ώρα διαρκεί η πήξη, η θερμοκρασία δε μεταβάλλεται.

• Όση ώρα διαρκεί η πήξη, η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή. Κάθε υγρό σώμα μετατρέπεται σε στερεό σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, που ονομάζεται θερμοκρασία πήξης.
• Το σώμα αποβάλλει (χάνει) θερμότητα.
• Όση ώρα διαρκεί η πήξη,   η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή.
• Για κάθε σώμα οι θερμοκρασίες τήξης και πήξης είναι ίσες.

Η θερμοκρασία τήξης – πήξης κάθε καθαρής ουσίας είναι διαφορετική και χαρακτηριστική για τη συγκεκριμένη ουσία.

Εξάτμιση, Βρασμός και Υγροποίηση

Όταν ένα υγρό απορροφά θερμότητα, ένα μέρος του αλλάζει φυσική κατάσταση και γίνεται αέριο. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται εξάτμιση . Η εξάτμιση γίνεται μόνο από την ελεύθερη επιφάνεια του υγρού και όχι από όλη τη μάζα του.

Όταν θερμαίνουμε ένα υγρό, αυτό απορροφά θερμότητα. Η θερμοκρασία του αυξάνεται. Σε κάποια συγκεκριμένη θερμοκρασία, χαρακτηριστική για το υγρό, αυτό αρχίζει σταδιακά να αλλάζει φυσική κατάσταση και από υγρό να γίνεται αέριο. Η αλλαγή αυτή γίνεται σε όλη τη μάζα του υγρού και όχι, όπως στην εξάτμιση, μόνο από την ελεύθερη επιφάνειά του. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται βρασμός. Όσο διαρκεί ο βρασμός, η θερμοκρασία του υγρού δε μεταβάλλεται, παρά την απορρόφηση ενέργειας.
Η αλλαγή φυσικής κατάστασης από αέρια σε υγρή ονομάζεται συμπύκνωση ή υγροποίηση . Κατά την υγροποίηση το αέριο αποβάλλει ενέργεια και γίνεται υγρό.

Χαρακτηριστικά και παράγοντες της εξάτμισης

Τα δύο βασικά χαρακτηριστικά της εξάτμισης που την διαφοροποιούν από τον βρασμό είναι τα εξής:

1. Η εξάτμιση γίνεται σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, πάντα κάτω από το σημείο βρασμού της ουσίας.
2. Η εξάτμιση γίνεται μόνο από την επιφάνεια του υγρού. Στο βρασμό έχουμε τη δημιουργία φυσαλίδων αερίου σε όλο τον όγκο του υγρού.

Η εξάτμιση εξαρτάται από τους εξής παράγοντες:

1. Από το είδος του υγρού: Κάποια υγρά έχουν τη τάση να εξατμίζονται πιο εύκολα από κάποια άλλα, με άλλα λόγια είναι πιο πτητικά. Για παράδειγμα το οινόπνευμα, η βενζίνη είναι πτητικά υγρά, το νερό είναι λιγότερο πτητικό, ενώ το ελαιόλαδο δεν είναι πτητικό.
2. Από τη θερμοκρασία: Η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί την εξάτμιση. Είναι κοινή εκτίμηση ότι το καλοκαίρι τα πλυμένα ρούχα στεγνώνουν πιο γρήγορα απ’ ό,τι τον χειμώνα.
3. Από την επιφάνεια του υγρού. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια ενός υγρού, τόσο πιο γρήγορα πραγματοποιείται η εξάτμισή του.
4. Από την πυκνότητα του περιβάλλοντος αερίου σε μόρια του υγρού που εξατμίζεται. Όσο μεγαλύτερη είναι η ατμοσφαιρική υγρασία, τόσο πιο δύσκολα στεγνώνουν τα ρούχα. Επίσης όσο μεγαλύτερη είναι η άπνοια, τόσο περισσότερα μόρια εξατμισμένου νερού συγκεντρώνονται και μεγαλώνει τοπικά η υγρασία.

Μετάδοση θερμότητας στα στερεά

Η μεταφορά θερμότητας στα στερεά είναι σαν ένα παιχνίδι “καυτής πατάτας” με αόρατες πατάτες. Φανταστείτε ότι κάθε μικροσκοπικό κομμάτι ενός στερεού (όπως ένα κομμάτι μέταλλο ή ένας βράχος) έχει αυτές τις αόρατες καυτές πατάτες που ονομάζονται “θερμική ενέργεια”.

Τώρα, αυτές οι αόρατες καυτές πατάτες θέλουν να κινούνται. Όταν ένα κομμάτι έχει πάρα πολλές καυτές πατάτες (πάρα πολλή θερμική ενέργεια), θέλει να μοιραστεί μερικές με τα γειτονικά του κομμάτια. Οπότε, περνάει μερικές καυτές πατάτες σε αυτά. Αυτό το πέρασμα θερμικής ενέργειας από το ένα κομμάτι στο άλλο είναι αυτό που ονομάζουμε “αγωγή”.

Σκεφτείτε το σαν να στέκεστε σε έναν κύκλο και να περνάτε μια καυτή πατάτα από το ένα άτομο στο άλλο. Έτσι ταξιδεύει η θερμότητα μέσα στα στερεά σώματα.

Τώρα, ορισμένα στερεά είναι καλύτερα στο να περνούν καυτές πατάτες από άλλα. Τα μέταλλα, για παράδειγμα, είναι εξαιρετικά καλοί αγωγοί. Περνούν τις καυτές πατάτες πολύ γρήγορα. Αλλά, κάποια πράγματα όπως το ξύλο ή το καουτσούκ δεν είναι τόσο καλά στο να περνούν τις καυτές πατάτες, οπότε χρειάζονται λίγο περισσότερο χρόνο για να ζεσταθούν και ονομάζονται κακοί αγωγοί.

Αυτή είναι η βασική ιδέα της μεταφοράς θερμότητας στα στερεά – είναι σαν ένα παιχνίδι που περνάει καυτές πατάτες από το ένα μικροσκοπικό κομμάτι στο άλλο!

Για να έχουμε μετάδοση θερμότητας με αγωγή θα πρέπει:
   1. τα σώματα να βρίσκονται σε επαφή
   2. να υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας

Διάδοση θερμότητας στα υγρά και στα αέρια με ρεύματα

Ας φανταστούμε ένα σενάριο για να καταλάβουμε πώς λειτουργεί η διάδοση της θερμότητας με ρεύματα σε υγρά και αέρια.

Σκεφτείτε μια κατσαρόλα με νερό σε μια κουζίνα. Όταν ανοίγετε τη θέρμανση, το νερό κοντά στον πυθμένα της κατσαρόλας ζεσταίνεται πρώτο. Καθώς θερμαίνεται, γίνεται ελαφρύτερο και αρχίζει να ανεβαίνει. Ταυτόχρονα, το ψυχρότερο νερό κοντά στην κορυφή της κατσαρόλας γίνεται βαρύτερο και αρχίζει να βυθίζεται. Αυτό δημιουργεί ένα είδος κύκλου ή κυκλικής κυκλοφορίας του νερού στην κατσαρόλα.

Φανταστείτε ένα καλοριφέρ στο κάτω μέρος του δωματίου. Ο αέρας γύρω από το καλοριφέρ ζεσταίνεται και αρχίζει να ανεβαίνει, επειδή ο ζεστός αέρας είναι ελαφρύτερος. Καθώς ανεβαίνει, δημιουργεί μια ροή και ψυχρότερος αέρας από ψηλότερα ή από άλλα σημεία του δωματίου εισέρχεται για να τον αντικαταστήσει. Έτσι δημιουργείται μια κυκλοφορία του αέρα στο δωμάτιο.

Αυτή η κίνηση των υγρών ή αερίων λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας ονομάζεται “ρεύματα”. Είναι σαν ένας χορός όπου θερμότερα σωματίδια κινούνται προς τα πάνω και ψυχρότερα σωματίδια παίρνουν τη θέση τους.

Έτσι, όταν θερμαίνετε ένα υγρό ή ένα αέριο, τα θερμότερα μέρη ανεβαίνουν και τα ψυχρότερα μέρη βυθίζονται, δημιουργώντας μια ροή ή ένα ρεύμα που συμβάλλει στη διάδοση της θερμότητας σε όλη την ύλη. Με αυτόν τον τρόπο η θερμότητα διαδίδεται μέσω ρευμάτων στα υγρά και στα αέρια.

Σύστημα κεντρικής θέρμανσης

Ένα σύστημα λέβητα καλοριφέρ λειτουργεί θερμαίνοντας νερό και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας αυτό το ζεστό νερό για να θερμάνει τον αέρα σε ένα κτίριο.

• Θέρμανση του νερού:

Ο λέβητας είναι μια ειδική συσκευή που θερμαίνει το νερό. Μπορεί να τροφοδοτείται με ηλεκτρική ενέργεια, φυσικό αέριο ή άλλα καύσιμα.
Ο λέβητας θερμαίνει το νερό σε υψηλή θερμοκρασία, μετατρέποντάς το είτε σε ζεστό νερό είτε σε ατμό.

• Διανομή στα θερμαντικά σώματα:

Το ζεστό νερό ή ο ατμός από τον λέβητα στέλνεται στη συνέχεια μέσω σωλήνων στα θερμαντικά σώματα που βρίσκονται σε όλο το κτίριο.
Τα θερμαντικά σώματα είναι συσκευές που έχουν σχεδιαστεί για να μεταφέρουν θερμότητα από το ζεστό νερό ή τον ατμό στον περιβάλλοντα αέρα.

• Μεταφορά θερμότητας στα θερμαντικά σώματα:

Στο εσωτερικό του θερμαντικού σώματος, το ζεστό νερό ή ο ατμός απελευθερώνει θερμότητα στη μεταλλική επιφάνεια του θερμαντικού σώματος.
Καθώς το μέταλλο θερμαίνεται, μεταφέρει αυτή τη θερμότητα στον αέρα του χώρου.

• Δημιουργία ρευμάτων:

Ο ζεστός αέρας κοντά στο θερμαντικό σώμα ανεβαίνει, δημιουργώντας ρεύμα.
Στη συνέχεια, ψυχρότερος αέρας από το δωμάτιο εισέρχεται για να αντικαταστήσει τον ανερχόμενο θερμό αέρα.
Αυτή η κυκλοφορία του αέρα βοηθά στη διανομή της θερμότητας σε όλο το δωμάτιο.

• Επιστροφή στον λέβητα:

Αφού απελευθερώσει τη θερμότητά του στον αέρα, το ψυχρότερο πλέον νερό (εάν πρόκειται για σύστημα ζεστού νερού) ή ο συμπυκνωμένος ατμός (εάν πρόκειται για σύστημα ατμού) επιστρέφει στον λέβητα μέσω μιας άλλης σειράς σωλήνων.
Ο λέβητας θερμαίνει εκ νέου το νερό ή το μετατρέπει ξανά σε ατμό και η διαδικασία επαναλαμβάνεται.

Επισήμανση: Το δοχείο διαστολής είναι ένα εξάρτημα που χρησιμοποιείται συνήθως σε συστήματα θέρμανσης, ιδίως σε αυτά που περιλαμβάνουν νερό. Ο κύριος σκοπός του είναι να διευκολύνει τη διαστολή και τη συστολή του νερού καθώς θερμαίνεται και ψύχεται σε ένα κλειστό σύστημα. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε συστήματα όπου το νερό θερμαίνεται και στη συνέχεια κυκλοφορεί, όπως στα συστήματα κεντρικής θέρμανσης.