Temperatura, ciepło, energia wewnętrzna

Temperatura jest miarą energii kinetycznej cząstek materii (atomów, cząsteczek, jonów itp. ). Im wyższa jest jej wartość, tym większą średnią energię kinetyczną posiadają cząstki budujące dane ciało. Pojedynczy atom, umieszczony poza wpływem jakichkolwiek pól (także grawitacyjnych), spoczywający, posiada zerową energię kinetyczną, a więc również jego temperatura jest zerowa - 0 K (o ile wogóle można mówić o "temperaturze atomu"). Tak samo kryształ, którego atomy nie wykonywałyby jakichkolwiek drgań, spoczywając w swych położeniach równowagi w doskonałym bezruchu, posiadałby temperaturę równą 0 K. (Stan taki jest oczywiście niemożliwy do osiągnięcia w rzeczywistości).

Energia wewnętrzna ciała to suma wszelkich energii posiadanych przez cząstki tworzące dane ciało, a więc suma energii kinetycznych wszystkich cząstek oraz energii potencjalnych każdej cząstki względem wszystkich innych budujących dane ciało.

Ciepło natomiast rozumiemy jako ilość energii wewnętrznej wymienianą przez ciało (ciała) o różnych temperaturach (ciała o takich samych temperaturach nie wymieniają energii z prostego powodu - cząstki każdego z nich posiadają taką samą średnią energię kinetyczną). Gdy doprowadzamy do kontaktu ciał różniących się temperaturą, a więc średnią energią kinetyczną cząstek, następuje proces równomiernego rozprowadzania energii po całym układzie złożonym z tych ciał. Cząsteczki ciała A (ciała o początkowo wyższej temperaturze) spowalniają swój ruch, powodując równocześnie przyspieszenie ruchu cząsteczek ciała B (ciała o początkowo niższej temperaturze). Średnia energia kinetyczna cząsteczek ciała A maleje, natomiast ciała B rośnie, aż do chwili zrównania się ze sobą tych dwóch energii. Makroskopowo obserwujemy obniżania się temperatury ciała A i wzrost temperatury ciała B aż do chwili zrównania się tych temperatur.

Ciepło może również być wymieniane bez zmiany temperatury. Przykładem niech będzie proces topnienia lodu położonego na stole w ciepłym pokoju. Lód będzie powoli topniał, pobierając ciepło z otoczenia i tym samym powodując zmniejszenie jego temperatury. Po stopieniu ostatniej okruszyny lodu okaże się jednak, że powstała woda ma również temperaturę identyczną z lodem, który topił się. Cóż więc stało się z energią kinetyczną cząsteczek powietrza, która częściowo została przecież oddana topniejącej bryłce lodu? Przecież de facto nie nastąpiło zwiększenie średniej energii kinetycznej cząsteczek wody! Jednak okazuje się, że wraz z zamianą lodu w wodę, zmienił się układ cząsteczek wewnątrz substancji. W lodzie istniała sieć wiązań wodorowych, a cząsteczki - dipole wszystkie były zorientowane wobec siebie swymi przeciwnymi biegunami. Teraz ten porządek został zniszczony, wbrew siłom chcącym znów zbliżać cząstki do siebie i połączyć je w zwartą sieć. Oddalenie cząstek i ich "oswobodzenie" wymagało dostarczenia sporej ilości energii, która została następnie, po rozerwaniu sieci, zmagazynowana w formie potencjalnej energii elektrostatycznej. Analogicznie do ciężkiej skrzyni wnoszonej na wysokie piętro, która, mimo, iż włożyliśmy sporo energii w jej wniesienie, nadal spokojnie spoczywa na podłodze. W tym przypadku to grawitacyjna energia potencjalna cząstki się zwiększyła. W przypadku lodu zwiększeniu uległa potencjalna energia elektrostatyczna. Taki rodzaj ciepła, którego wymiana nie powoduje zmiany temperatury wskutek akumulacji energii nie w formie energii kinetycznej, lecz energii potencjalnej oddziaływań międzycząsteczkowych, nosi nazwę ciepła utajonego lub ciepła przemiany fazowej (jako że zmianie potencjalnej energii oddziaływań międzycząsteczkowych towarzyszy zazwyczaj zmiana jej stanu skupienia).