O nazwie „ciepło” - kilka chłodnych uwag

W języku potocznym używa się określeń typu „jest mi ciepło”, lub „Krzysiek ma dzisiaj ciepłe czoło – pewnie będzie miał gorączkę”. Tak się mówi, my rozumiemy o co chodzi, a więc jest dobrze, jednak warto wiedzieć, że z "naukowe" pojęcie "ciepła" do tych określeń nie pasuje. A niestety, konflikty pomiędzy używanym potocznie pojęciem ciepła, a jego fizycznym znaczeniem mogą nieraz spowodować kompletny mętlik w rozumieniu zjawisk termodynamicznych.

W jakim sensie fizycy używają słowa „ciepło”?

Po pierwsze ciepło to energia; czyli jest wyrażana w dżulach i powstaje z innych jej form – np. z energii kinetycznej, jądrowej czy chemicznej.

Jednak tym co bardzo wyraźnie odróżnia pojęcie ciepła od większości pozostałych rodzajów energii (typu kinetyczna, lub potencjalna) jest fakt, że ciepła nie można „mieć”. Ciepło „fizyczne” jest używane wyłącznie do opisu zjawisk przypływu energii. Inaczej mówiąc fizyk raczej nie powie, że kawałek metalu "ma" w sobie ciepło (chyba, że porozumiewa się np. ze swoją babcią na poziomie potocznym, niefizycznym), powie natomiast, że np. „przepływające ciepło ogrzało ten metal do temperatury 60°C”.

bo tym co ciało może „mieć” jest energia wewnętrzna, a

ciepło w sensie fizycznym można wyłącznie oddać lub przyjąć, ale nie można go "mieć"!

I tu dochodzimy do drugiej bardzo ważnej sprawy:
Ciepło jest to ta część energii, która jest przekazywana między ciałami. W momencie, gdy energia już dotarła, to nie mówimy już o cieple - teraz ciało posiada energię wewnętrzną..

To jednak nie koniec ważnych spraw i problemów związanych z ciepłem.

Istnieje jeszcze jedna bardzo ważna cecha związana z omawianą wielkością, a wiąże się z mikroskopowym mechanizmem przekazu ciepła::

Ciepło jest tą częścią energii przekazywanej, która zachodzi w wyniku zderzeń między cząsteczkami ciał.

To bardzo ważny element, ponieważ istnieje konkurencyjny wobec ciepła sposób zmiany energii, którego mechanizm jest inny.
W przypadku ciepła mamy do czynienia z przekazem na poziomie mikroskopowym, co oznacza, że odbywa się poza naszą możliwością obejrzenia go. Bo rzeczywistość jest taka, że cząsteczki i atomy, które mają wielkość miliony razy mniejszą niż 1 mm, poruszając się, wpadają jedne na drugie, zmieniają kierunek ruchu, przekazują sobie energię. Jeśli mocno rozpędzana cząsteczka uderzy w jakiegoś cząsteczkę-marudera, to nastąpi przekaz pędu i cząsteczka uderzona zacznie poruszać się z większą prędkością, a uderzająca zwolni.
Oczywiście opisany mechanizm odbywa się to niemal jednocześnie w odniesieniu do wielu miliardów cząsteczek, więc ostatecznie ciepło przepływa od ciała o wyższej temperaturze, do ciała o temperaturze niższej (niższa temperatura oznacza mniejszą energię kinetyczną cząsteczek).

W tym kontekście „ciepło” jest to ta część energii, która „zmienia właściciela” – przechodzi od cząsteczek uderzających do cząsteczek uderzanych podczas „obijania się” o siebie całej tej atomowo – cząsteczkowej chmary.

Trochę więcej na temat nomenklatury i słowa "ciepło"

Fakt, że „ciepło” jest inaczej rozumiane potocznie, a inaczej przez fizyków, spowodował próby innego nazywania tego pojęcia. Najbardziej ciekawym tego przykładem jest użyty przez Pana prof. Gintera termin „cieplny przepływ energii”. W podręczniku dla klasy VI szkół podstawowych był on konsekwentnie stosowany.

Jednak mój stosunek do inicjatywy jest mieszany – z jednej strony dobrze, że w nazwie zaznacza się dynamiczny charakter zjawiska (słowo „przepływ”) i fakt, że mamy do czynienia z „energią”. Wydaje się też, że taka zmiana nazwy może nieco zmniejszyć problemy z początkowym rozumieniem zjawisk cieplnych. Jednak są też wyraźne negatywne strony takiego odejścia od tradycji w nazwach - ów rozwlekły sposób nazywania wielkości, którą wszyscy fizycy po staremu nazywają „ciepłem” powoduje, że uczeń najpierw wchłania nazwę wielkości po szkolnemu, a potem staje przed problemem wymiany jej na nową. Poza tym trudno jest powiedzieć, że do wody dopłynęło „500 dżuli cieplnego przepływu energii”, a tak od strony rachunkowej ciepło jest traktowane. Ja osobiście, raczej omawianą wielkość najczęściej nazywam po staremu „ciepłem”, ale jednocześnie staram się dokładnie wytłumaczyć jak tę nazwę rozumiem.

Ciepło i praca jako formy przekazu energii, czyli pierwsza zasada termodynamiki

Wyżej napisałem, że pojęcie ciepła odnosi się do przekazywania energii metodą mikroskopową, czyli za pomocą zderzeń między cząsteczkami. Skoro tak podkreślana jest ta metoda, to zapewne istnieje jakiś konkurencyjny wobec niej sposób zmiany energii wewnętrznej ciała. Jest nim praca.

Praca w ujęciu termodynamicznym też dostarcza, lub ujmuje dżuli i też odnosi się do przekazu energii, a nie jej pobytu w ciele. Różnica jest taka, że pracę daje się zobaczyć. O ile ruchu cząsteczek nie obserwujemy nawet przez mikroskopy, o tyle praca jest do zauważenia na każdym kroku – poruszające się samochody wykonują pracę, wchodzący na schody ludzie – też. Właściwie większość obserwowanych przez nas ruchów wiąże się z pracą. Wyjątkiem są jedynie ruchy zachodzące bez tarcia i bez zmiany wartości prędkości.

Ale wracając do kwestii pracy. Przykładów jej wpływu na energię wewnętrzną ciała (czyli najczęściej po prostu temperaturę) można podać wiele: samochód po hamowaniu ma wyraźnie cieplejsze opony, używana przed chwilą piła jest nieraz tak rozgrzana, że nie można jej dotknąć, pompka rowerowa staje się ciepła już po kilku ruchach tłoczka. Wszystkie te rozgrzania się ciał związane są z tym, że praca wykonywana „nad ciałem” (to takie trochę dziwne określenie stosowane przez fizyków) powoduje wzrost energii wewnętrznej. Ostatecznie efekt jest taki sam, jak dostarczenie ciepła - ciało ogrzewa się.

Fakt, że energię wewnętrzną można zmienić na dwa sposoby został uhonorowany tytułem prawa fizyki i nazywany jest pierwszą zasada termodynamiki. Tutaj sformułuję ją trochę w nietypowy sposób:

Energię wewnętrzną ciała można zmieniać na dwa sposoby:

	niewidoczny dla oka – czyli poprzez dostarczenie ciepła
	i dający się zaobserwować makroskopowo - za pomocą pracy.

Całkowita zmiana energii wewnętrznej jest sumą wkładów pochodzących od tych dwóch sposobów.

Używałem tu słowa „makroskopowo” i mikroskopowo, rozumiejąc je jako przeciwieństwa. Na sam koniec postaram się wyjaśnić dokładniej jaka jest między nimi różnica

Mikroskopowo nie oznacza tu, że zaraz musimy sięgać po wspomniany przyrząd optyczny, raczej należy rozumieć to słowo jako "coś niewidocznego dla oka".
Z kolei makroskopowe są wszystkie obiekty znane nam z życia góry, rzeki, domy, samochody, krzesła, a nawet mrówki, pchły i ziarnka piasku, czyli takie obiekty, które dają się dostrzec bez zaawansowanej aparatury.