Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Η έννοια ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

1. Η οικοδόμηση της έννοιας

Η θερμότητα ως ποσότητα. Επί έναν αιώνα περίπου

τη μετρούσαν χωρίς να έχουν αποσαφηνίσει τη φύση της.

Όταν η φλόγα του κεριού πλησιάζει το καρφί η ανθρώπινη φαντασία «διακρίνει» ένα «ρευστό» να ρέει από τη φλόγα προς το καρφί και να ζεσταίνει . Τον 18^ο αιώνα οι ερευνητές έλεγαν «να προκαλεί την αύξηση της θερμοκρασίας του» . Ήταν 1760 όταν ο Joseph Black έκανε και τη σκέψη ότι το «ρευστό» θα μπορούσε να ποσοτικοποιηθεί προτείνοντας και μέθοδο για τη μέτρησή της ποσότητάς του - αγγλικά quantity -, αφού είχε διακρίνει ότι το «πόσο θα αυξηθεί» η θερμοκρασία ενός σώματος καθορίζεται και από τη μάζα του σώματος και από το «από ποιο υλικό συγκροτείται το σώμα»και από την ποσότητα του «ρευστού» που μεταβιβάζεται σε αυτό. Το σκοτεινό «ρευστό» είχε το όνομα θερμότητα – γαλλικά chaleur, αγγλικά heat, ιταλικά calore, γερμανικά Wärme – και οι ποσότητές του συμβολίζονταν και εξακολουθούν να συμβολίζονται με το γράμμα Q, αρχικό του quantity και του quantité .

Ήταν οι απαρχές του νόμου της θερμιδομετρίας. Ο ίδιος νόμος αφορούσε και στην ελάττωση της θερμοκρασίας ενός σώματος το οποίο θα μεταβίβαζε το «ρευστό» θερμότητα προς το περιβάλλον . Για πολλές δεκαετίες η θερμότητα ήταν μια ποσότητα η οποία μπορεί να μετρηθεί με θερμόμετρο και ζυγό με βάση την εξίσωση της θερμιδομετρίας Q = mcΔΤ

H εργαστηριακή δραστηριότητα του Black είχε επίσης καταδείξει ότι η «ροή θερμότητας» μπορεί να μην προκαλέσει αύξηση θερμοκρασίας εάν το σώμα είναι ένα στερεό όπως ο πάγος στη θερμοκρασία τήξης, αλλά και την αναλογία ανάμεσα στην παρεχόμενη θερμότητα και στην τηκόμενη μάζα. Στο εμπειρικό αυτό δεδομένο βασίστηκε και το λεγόμενο θερμιδόμετρο πάγου που παρουσίασε ( 1783) ο Laplace σε συνεργασία με τον Lavoisier μια συσκευή που πρόσφερε ακριβείς μετρήσεις ποσών θερμότητας, με την οποία ερεύνησαν τη «θερμότητα καύσης» και τη θερμότητα κατά την αναπνοή.

Και οι δύο είχαν πρόταση για τη φύση της θερμότητας. Σύμφωνα με τον Lavoisier η θερμότητα ήταν ένα αόρατο αβαρές υλικό ρευστό – κληρονομιά του στοιχείου «Πυρ» των Ελλήνων προσωκρατικών – με το όνομα caloric, το οποίο μπορούσε να ρέει μέσα από την ύλη. Το πρότεινε ως ένα από τα χημικά στοιχεία που συγκροτούν τον υλικό Κόσμο. Στο τέλος του αιώνα η θερμότητα είναι μια η ποσότητα η οποία διατηρείται, χωρίς να δημιουργείται από το μηδέν αλλά και χωρίς να καταστρέφεται . Η Διατήρηση του caloric έγινε αποδεκτή από σημαντικούς ερευνητές της εποχής και ήταν ανταγωνιστική με τη Διατήρηση της vis viva.

Ποια είναι όμως η ΑΙΤΙΑ για τη ροή θερμότητας ;

Με αφετηρία τον 18^ο αιώνα οι ευρωπαίοι ερευνητές είχαν καταλήξει στη θεώρηση ότι για να εκδηλωθούν φαινόμενα όπως το «ρεύμα αέρα» , το ηλεκτρικό ρεύμα και η «ροή θερμότητας»

η ΑΙΤΙΑ ήταν κάποια «διαφορά», μολονότι για τα δύο από αυτά – ηλεκτρικό ρεύμα και θερμότητα-

δεν είχαν αποσαφηνισμένη πρόταση για το τι ακριβώς «ρέει» .

Η αιτία για να φυσήξει άνεμος είναι η διαφορά πιέσεων δύο σημείων ( σημειακών περιοχών ) που βρίσκονται στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο, οπότε ο άνεμος - το «ρεύμα» αέρα - θα φυσά από την περιοχή μεγάλης (λέμε και υψηλής) πίεσης προς την περιοχή της μικρότερης (χαμηλής).

Για τους ερευνητές του ίδιου αιώνα η θερμότητα ήταν ένα «ρεύμα» κάποιας υλικής ουσίας το οποίο έρεε από την ψηλότερη θερμοκρασία προς τη χαμηλότερη όπως το «ρεύμα αέρα» έρεε από την περιοχή υψηλής πίεσης προς την περιοχή με τη χαμηλότερη . Αν η διαφορά στις τιμές της πίεσης ήταν η ΑΙΤΙΑ για ένα οριζόντιο ρεύμα αέρα , η ΑΙΤΙΑ για τη «ροή θερμότητας» ήταν

η διαφορά στις τιμές της θερμοκρασίας

a. η αιτία για να συμβεί «ροή θερμότητας» είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο περιοχών – με την προϋπόθεση ύπαρξης υλικού «αγωγού θερμότητας» -

και η κατεύθυνση της ροής θα είναι από την περιοχή με τη μεγάλη (υψηλή) θερμοκρασία προς την περιοχή με τη μικρότερη-χαμηλότερη

Λίγο αργότερα όταν η ανακάλυψη της ηλεκτρικής στήλης από τον Alessandro Volta είχε δημιουργήσει προοπτικές έρευνας για το φαινόμενο «δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος», οι ευρωπαίοι ήταν έτοιμοι να δεχθούν ότι η ΑΙΤΙΑ για τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος είναι μία ακόμα διαφορά .

β. Η αιτία για τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος είναι η διαφορά δυναμικού - με την προϋπόθεση ύπαρξης «ηλεκτρικού» αγωγού – μεταξύ των δύο περιοχών και η «φορά» του ρεύματος θα είναι από την περιοχή με το μεγαλύτερο ( υψηλότερο ) δυναμικό προς την περιοχή με το μικρότερο ( χαμηλότερο) δυναμικό.

Η θερμότητα «άγεται», όπως και το ηλεκτρικό φορτίο

Το 1822 και ενώ η θερμότητα δεν έχει ακόμα διαμορφώσει το «ενεργειακό της πρόσωπο», ο Γάλλος Fourier, εμπιστευόμενος τη θεώρηση ότι η ροή θερμότητας είναι μια «αγωγή» - διαδικασία προς ορισμένη κατεύθυνση- θα προτείνει ένα νόμο για την αγωγή θερμότητας διατυπωμένο με την εξίσωση

φ - -λgrad(T) ή με την αντίστοιχη dQ/dt = k_θερ.s ΔΤ/ΔL , όπου Q η ποσότητα θερμότητας, ΔΤ = Τ_1υψ – Τ _2χαμ

η διαφορά των θερμοκρασιών, αιτία για τη ροή, s το εμβαδόν διατομής του αγωγού, ΔL η απόσταση μεταξύ των δύο περιοχών με τις διαφορετικές θερμοκρασίες και k_θερ ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του υλικού στο οποίο συντελείται η αγωγή.

Το 1827, ο Γερμανός Georg Simon Ohm , εμπιστευόμενος επίσης τη θεώρηση ότι το ηλεκτρικό ρεύμα είναι μια «αγωγή» - μια διαδικασία προς ορισμένη κατεύθυνση- θα προτείνει ένα νόμο για την ηλεκτρική αγωγή απόλυτα ανάλογο με τον νόμο Fourier dQ/dt = k_ηλ. SΔV/ ℓ , όπου Q το διακινούμενο ηλεκτρικό φορτίο (dQ/dt η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος ) ΔV η διαφορά δυναμικού στα άκρα του αγωγού , s το εμβαδόν διατομής, ℓ το μήκος και k_ηλ ο συντελεστής ηλεκτρικής αγωγιμότητας, το αντίστροφο της ειδικής αντίστασης. Αν θέσουμε k_ηλ. = 1/ρ, dQ/dt= Ι κα ι ΔV = V προκύπτει η γνωστή μορφή Ι = V/R με R = ρℓ/S.

Αγωγιμότητα

Στους όρους «αγωγή θερμότητας» και «θερμική αγωγιμότητα» επιμένουν πάρα πολλές ευρωπαϊκές κοινωνίες , πιθανόν και όλες , κατά τη διδασκαλία της Φυσικής σε επίπεδο αντίστοιχο με της δικής μας Δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης όσο και σε επίπεδο τριτοβάθμιας. Οι Άγγλοι, λόγου χάρη, με το heat conduction, οι Γερμανοί με το Wärmeleitung, οι Ισπανοί με το conducción de calor

Εξάλλου ένα σωρό φαινόμενα της καθημερινής μας ζωής επιδέχονται εξήγηση μόνο μέσα από τη θερμική αγωγιμότητα και τον νόμο του Fourier ή έστω κάποια από τα βασικά στοιχεία του. Όταν περπατά ξυπόλυτη στο μαρμάρινο σκαλοπάτι το νιώθει πιο κρύο σε σχέση με αυτό που νιώθει για το ξύλινο πάτωμα και το γεγονός παραμένει γι αυτήν ανεξήγητο διότι έχουν την ίδια θερμοκρασία.

Ο νόμος Fourier, για την αγωγή θερμότητας. διδάσκεται στην τριτοβάθμια και ορισμένα στοιχεία από αυτόν στη Δευτεροβάθμια όπως η εξάρτηση της «ανά δευτερόλεπτο ποσότητας αγόμενης θερμότητας» από τη διαφορά θερμοκρασίας, από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του θερμικού αγωγού και από το υλικό. Στην εποχή μας το ενδιαφέρον για το ζήτημα της θερμικής μόνωσης βρίσκεται σε άνοδο.

Εξάλλου θα χρειαστούμε και το μοντέλο «αδιαβατικό τοίχωμα» για την αντίστοιχη συμπίεση ή εκτόνωση στα αέρια.

Από τη σκοπιά της Διδακτικής θεωρείται διδακτικά ενδιαφέρουσα η αξιοποίηση της σύγκρισης του νόμου Fourier, για τη θερμική αγωγιμότητα με τον νόμο του Ohm για την ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Το ότι η θερμότητα άγεται – κατευθύνεται κάπου – υπενθυμίζει και τον ιδιαίτερο «μονόδρομο» ο οποίος επισημαίνεται στη διατύπωση του Clausius του Δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.

θερμότητα και διεργασίες μεταβίβασης ενέργειας

Η εμπειρία που συσσωρεύτηκε από τη λειτουργία της μηχανής του ατμού στο ξέσπασμα της Βιομηχανικής Επανάστασης προσέδωσε έδωσε στην εξέλιξή των ιδεών νέες προοπτικές. Το 1824 ο Sadi Carnot, Σαντί Καρνό, με το Reflections sur la force motrice du feu – Σκέψεις πάνω στην κινητήρια δύναμη της φωτιάς- παρουσιάζει την πρώτη θεωρητική προσέγγιση για την απόδοση μιας ιδανικής μηχανής και ανοίγει τον δρόμο για την ιδέα ότι «η θερμότητα είναι κάτι σαν κινητήρια δύναμη».

Την ίδια χρονιά προτείνεται από τους Γάλλους και υιοθετείται η μονάδα θερμότητας 1 calorie, στα ελληνικά θα αποδοθεί αργότερα με το «μία θερμίδα». Η θερμότητα η οποία απαιτούμενη να θερμάνει ένα γραμμάριο νερού κατά ένα βαθμό Κελσίου.

Η ιδέα ότι η θερμότητα είναι κάτι σαν το έργο ήταν το κίνητρο για την παρέμβαση του Joule με τα κρίσιμα πειράματα της δεκαετίας του 1840 τα οποία θα έδειχναν ότι – σε σημερινές μονάδες - 4,2 περίπου τζάουλ έργου, είτε μηχανικού είτε ηλεκτρικού, προκαλούν στο ίδιο σώμα την ίδια αύξηση θερμοκρασίας με αυτά που προκαλεί μία θερμίδα. Είχε αρχίσει να εδραιώνεται η ιδέα της ισοδυναμίας. Το έργο θα μπορούσε να προκαλεί να προκαλεί – όπως και η θερμότητα – αυξομειώσεις της θερμοκρασίας αλλά και η θερμότητα θα μπορούσε να προκαλεί – όπως και το έργο - ανύψωση ενός σώματος ή κίνηση σε ένα αρχικά ακίνητο σώμα. Άρα και η θερμότητα θα μπορούσε να καταμετρά κάτι που μεταβιβάζεται από ένα σώμα σε

ένα άλλο.

Τι είναι θερμότητα ;

Η θερμότητα είναι πριν απόλα έννοια με ευρύ σημαινόμενο στο οποίο εμπεριέχεται ΚΑΙ το ποσοτικό στοιχείο, αλλά ΟΧΙ ΜΟΝΟ ΑΥΤΟ. Υπάρχουν δηλαδή δύο τουλάχιστον ερωτήματα

Το ένα είναι : « τι είναι θερμότητα, σύμφωνα με τη Φυσική ; ποια είναι η φυσική της σημασία ; ποιος είναι ο ρόλος της στη διαμόρφωση της ΓΛΩΣΣΑΣ της Φυσικής

Το άλλο : « Τι ακριβώς μετρά μια ποσότητα θερμότητας ; »

Η πιο περιεκτική απάντηση σε αυτά είναι :

Η μεταβίβαση ενέργειας συντελείται με δύο διεργασίες². Η μία από αυτές λειτουργεί με αιτία τη διαφορά θερμοκρασίας.

Είναι η μεταβίβαση ενέργειας με διεργασία θερμότητας. και λειτουργεί προς ορισμένη κατεύθυνση.

Η ποσότητα θερμότητας την οποία μετράμε είναι η ποσότητα ενέργειας που μεταβιβάζεται με τη διεργασία αυτή

Η άλλη διεργασία είναι μεταβίβαση ενέργειας με διεργασία έργου

Μικρόκοσμος

Η «κατάδυση» της ανθρώπινης σκέψης στους βυθούς του Μικρόκοσμου πρόσφερε και μια δυνατότητα διάκρισης ανάμεσα σε έργο και θερμότητα .

Με «έργο» λαμβάνει χώρα μεταβίβαση ενέργειας, ας υποθέσουμε στο σύστημα, από το περιβάλλον και για να την ερμηνεύσουμε δεν χρειάζεται να κάνουμε χρήση του σωματιδιακού χαρακτήρα της δομής ούτε του συστήματος ούτε του περιβάλλοντος. Σε κάποια χρονική στιγμή μπορούμε να περιγράφουμε την επίδραση του περιβάλλοντος με μία δύναμη ( Μακρόκοσμου) η τιμή της οποίας δεν εξαρτάται από το «πώς είναι ο Μικρόκοσμος του υλικού».

Με «θερμότητα» συντελείται επίσης μεταβίβαση ενέργειας στο ( ή από το ) σύστημα αλλά για να την ερμηνεύσουμε λέμε ότι πρόκειται για ενέργεια μεταβιβαζόμενη μέσα από την ξεχωριστή αλληλεπίδραση κάθε σωματιδίου του περιβάλλοντος με κάθε σωματίδιο του συστήματος . Για να προσδιορίσουμε μάλιστα την ποσότητα της μεταβιβαζόμενης αυτής ενέργειας χρειαζόμαστε τις τιμές ενέργειας που μεταβιβάζονται από σωματίδιο σε σωματίδιο, χρειαζόμαστε τις θέσεις και τις ταχύτητες κάθε σωματιδίου – για όλα τα σωματίδια – απαίτηση πρακτικά αδύνατη. Αποδεχόμαστε ότι η ποσότητα μεταβιβαζόμενης ενέργειας με μηχανισμό θερμότητα – την οποία μετράμε στα εργαστήρια του Μακρόκοσμου- είναι ο μέσος όρος των τιμών ενέργειας που ανταλλάσσουν τα σωματίδια.

Η εμπειρία στο Μακρόκοσμο καταδεικνύει επίσης και ότι κατά τη μεταβίβαση ενέργειας με θερμότητα η ενέργεια μπορεί ποσοτικά να διατηρείται αλλά ποιοτικά υποβιβάζεται. Για να δώσουμε μια ερμηνεία σε αυτό αποδεχόμαστε, ότι κατά τη διαδικασία αυτή αυξάνεται η αταξία των κινουμένων σωματιδίων . Η έννοια «αύξηση της εντροπίας περιγράφει α. σε γλώσσα Μακρόκοσμου την υποβάθμιση της πολυτιμότητας της ενέργειας

β. σε γλώσσα Μικρόκοσμου την αύξηση της αταξίας.

Το 1909 ο Κωνσταντίνος Καραθεοδωρή θα διατυπώσει τη θεωρία ότι «υπάρχουν τοιχώματα περατά μόνο από τη θερμότητα» Το πόρισμα είναι μια φυσική θεώρηση για την ύπαρξη θερμότητας. Δεν αναφέρει ωστόσο ότι υπάρχει «ένα μόνο είδος θερμότητας».

2. Η έννοια θερμότητα και

η διδασκαλία στη Δευτεροβάθμια εκπαίδευση

1. Η θερμότητα «άγεται»

Η θερμότητα άγεται μέσα από την ύλη, είναι δηλαδή διαδικασία προς ορισμένη κατεύθυνση.

Το υλικό του τοιχώματος του σπιτιού μας, το πάχος του τοίχου αλλά και η διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στον αέρα του δωματίου μας και στο περιβάλλον έξω από αυτό θα καθορίσουν το πόσες μονάδες θερμότητας θα άγονται κάθε δευτερόλεπτο μέσα από κάθε τετραγωνικό της επιφάνειας . Το ζήτημα έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη μόνωση του σπιτιού μας αλλά και της αίθουσας διδασκαλίας στο σχολείο μας.

2.Αιτία και αποτέλεσμα

Η ύπαρξη δύο διαφορετικών θερμοκρασιών συνιστά τη μοναδική ΑΙΤΙΑ για αυθόρμητη ροή – αγωγή θερμότητας ( ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ) με συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Όταν μεταξύ των δύο περιοχών με διαφορετικές θερμοκρασίες υπάρχει υλικό σώμα ( και όχι κενό ) η αγωγή θα συμβεί οπωσδήποτε.

Η εξαίρεση ( το να μην συμβαίνει αγωγή ) υπάρχει μόνο για το μοντέλο «αδιαβατικό τοίχωμα» αλλά πρόκειται για μοντέλο. Στη «χώρα» της πραγματικότητας η αγωγή συμβαίνει έστω και πάρα πολύ αργά.

3. Θερμότητα και μεταβίβαση ενέργειας

Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της Θερμοδυναμικής, στην Κλασική φυσική, αποδεχόμαστε ότι ένα οποιοδήποτε σύστημα «έχει ενέργεια». Η ενέργεια αυτή μπορεί να είναι κινητική, δυνητική (δυναμική) ή εσωτερική ενέργεια με πρόσωπα όπως η «εσωτερική θερμική» και η «εσωτερική χημική ενέργεια». Εφόσον το σύστημα είναι «κλειστό» η ποσότητα της ενέργειας του συστήματος διατηρείται. Εάν αυτό δεν συμβαίνει, η ενέργεια του συστήματος είναι δυνατόν να αυξομειώνεται μέσα από διεργασίες (μηχανισμούς) με τους οποίους μεταβιβάζεται ενέργεια από το σύστημα προς το περιβάλλον ή από το περιβάλλον προς το σύστημα. Εάν το σύστημα και το περιβάλλον είναι σύνολα υλικών σωμάτων χωρίς συμμετοχή κενού οι διεργασίες που μπορεί να λειτουργήσουν είναι α. έργο ( μηχανικό ή ηλεκτρικό ) και β. θερμότητα.

Η ενέργεια ενός συστήματος μπορεί επίσης να αυξομειωθεί και με ακτινοβολία, η οποία λειτουργεί ακόμα και στο κενό. Η ενέργεια ενός σώματος στο κενό μπορεί να ελαττωθεί εάν το σώμα εκπέμπει ακτινοβολία χωρίς να απορροφά.

Η μονάδα μέτρησης τόσο για την ενέργεια του συστήματος όσο και για έργο και θερμότητα είναι το 1 Joule. Όταν λειτουργεί, ας υποθέσουμε,

ο μηχανισμός θερμότητα από το περιβάλλον προς το σύστημα, θεωρούμε ότι «μεταβιβάζεται» ενέργεια 500, για παράδειγμα, τζάουλ , δεδομένου ότι η μια ποσότητα 500 τζάουλ ενέργειας δεν υπάρχει στο περιβάλλον και έχει εμφανιστεί στο σύστημα. Η ενέργεια του περιβάλλοντος έχει μειωθεί κατά 500 τζάουλ και η ενέργεια του συστήματος έχει αυξηθεί κατά 500 τζάουλ. Το «μεταβίβαση» ( transfer ) ενέργειας εμπεριέχει, δηλαδή , και τη διατήρησή της όπως όταν ο θείος μεταβιβάζει ένα μέρος της περιουσίας του στην ανιψιά .

4. Θερμότητα που θερμαίνει και θερμότητα που δεν θερμαίνει

Η ροή θερμότητας προς ένα σώμα (ΑΙΤΙΑ) μπορεί να έχει ως ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ την αύξηση της θερμοκρασίας του. Ωστόσο η ροή θερμότητας προς ένα σώμα μπορεί να μην προκαλέσει αύξηση της θερμοκρασίας του.

Αυτό συμβαίνει κατά της μεταβολές καταστάσεων όταν δηλαδή το σώμα βρίσκεται σε τέτοιο συνδυασμό πίεσης-θερμοκρασίας ώστε να αρχίσει να τήκεται ή να εξαερώνεται. Αυτό επίσης συμβαίνει εάν έχουμε ροή θερμότητας προς το σώμα αλλά ταυτόχρονα το σώμα μεταβιβάζει ενέργεια στο περιβάλλον με μηχανισμό έργου, όπως κατά την ισόθερμη εκτόνωση.

5. Θέρμανση χωρίς θερμότητα.

Η αύξηση της θερμοκρασίας ενός σώματος – συστήματος μπορεί να γίνει και

«χωρίς θερμότητα». Μπορεί , λόγου χάρη, να είναι αποτέλεσμα της μεταβίβασης ενέργειας με μηχανισμό έργου, όπως συμβαίνει κατά το φαινόμενο «αδιαβατική συμπίεση» , κατά το φαινόμενο Joule, θέρμανση ενός αγωγού ο οποίος διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα (μεταβίβαση ενέργειας στον αγωγό με μηχανισμό ηλεκτρικού έργου, ηλεκτρικής ενέργεια όπως λέμε συνήθως) ή και αποτέλεσμα απορρόφησης ακτινοβολίας.

6. Ακτινοβολία

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει αύξηση της θερμοκρασίας αλλά δεν είναι θερμότητα. Ειδικά η υπέρυθρη ακτινοβολία θερμαίνει σημαντικά. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο επί αρκετές δεκαετίες του 19^ου αιώνα το όνομά της ήταν «θερμική ακτινοβολία» .

Στον 20^ο αιώνα, κατά τη διάρκεια του οποίου η ακτινοβολία ερευνήθηκε με την εισαγωγή και του σωματιδίου φωτόνιο, οι φυσικοί επισημαίνουν ότι

η ακτινοβολία δεν είναι θερμότητα.

Μία σοβαρή διαφορά είναι ότι η θερμότητα «άγεται» μέσα από την ύλη και «άγεται» σημαίνει «κατευθύνεται». Στο κενό δεν υπάρχει θερμότητα.

Αντίθετα η ακτινοβολία δεν άγεται, ενώ «ταξιδεύει» ακόμα και στο κενό.

Όταν κλείνουμε τον διακόπτη στο κύκλωμα και ανάβει ο λαμπτήρας συμβαίνει μεταβίβαση ενέργειας από τη μπαταρία στον λαμπτήρα και στα καλώδια με μηχανισμό ηλεκτρικού έργου ( ηλεκτρικής ενέργειας) με συνέπειες την ελάττωση της εσωτερικής χημικής ενέργειας της μπαταρίας και την αύξηση της εσωτερικής θερμικής ενέργειας στα καλώδια σύνδεσης και στο νήμα του λαμπτήρα . Αυτό συνεπάγεται την αύξηση της θερμοκρασίας των καλωδίων και ακόμα περισσότερο της θερμοκρασίας του νήματος και την εκπομπή ακτινοβολίας (σε διάφορα μήκη κύματος σε υπέρυθρο και σε «ορατό» ) από το νήμα προς κάθε κατεύθυνση . Η «θερμότητα» έχει, συγκριτικά ασήμαντη συμμετοχή .

7. Και η «διάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία»;

Η διατύπωση «διάδοση θερμότητας με ακτινοβολία» - αγγλικής προέλευσης – είναι κατάλοιπο του 19^ου αιώνα , τότε που θερμότητα ήταν ακόμα «κάθε τι που θερμαίνει». Σε σύγχρονα βιβλία η διατύπωση αυτή αποφεύγεται δεδομένου ότι δημιουργεί και εννοιακή σύγχυση κατά τη διδασκαλία. Υπάρχει επίσης πρόβλημα με τον όρο «διάδοση της θερμότητας. Πρόκειται για ατυχή, κατά τη δική μου άποψη, απόδοση του αγγλικού heat transfer. H ίδια λέξη «διάδοση» χρησιμοποιείται, στην ελληνική γλώσσα, για τα κύματα, ως απόδοση του wave travel και το traveling waves. Χρειάζεται όμως να θυμίσουμε στους Έλληνες μεταφραστές ότι το travel δεν έχει το ίδιο σημαινόμενο με το transfer, το ένα ενδιαφέρεται για το ταξίδι, το άλλο εστιάζει στην Ιθάκη. Η γνώμη μου είναι να αγνοήσουμε το «διάδοση της θερμότητας» και να διατηρήσουμε το «το κύμα διαδίδεται» εμπλουτίζοντάς το εναλλακτικά και με το « το κύμα ταξιδεύει» .

8. Μετρώντας θερμότητα

Η θερμότητα συνιστά και ποσότητα η οποία μπορεί να μετρηθεί με θερμόμετρο και ζυγό, υπό προϋποθέσεις , με βάση το εμπειρικό δεδομένο αύξηση της θερμοκρασίας. Q = mcΔΤ Οι προϋποθέσεις είναι η αύξηση της θερμοκρασίας να είναι αποτέλεσμα της ροής θερμότητας και μόνο και να μην είναι αποτέλεσμα, λόγου χάρη, έργου ή απορρόφησης ακτινοβολίας όπως και το να μην συμβαίνει μεταβολή φάσης, όπως για παράδειγμα κατά την τήξη ή κατά την εξαέρωση.

Στο περίφημο πείραμά του, o Joule ΔΕΝ ΜΕΤΡΑΓΕ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ. Με τη μετροταινία και τον ζυγό μέτραγε το έργο που απαιτείται για να αυξήσει τη θερμοκρασία του νερού το οποίο είχε επίσης ζυγίσει. Στη συνέχεια υπολόγιζε τη θερμότητα η οποία – εάν μεταβιβαζόταν, μέσα από τις κατάλληλες εμπειρικές προϋποθέσεις - στην ίδια ποσότητα νερού – θα προκαλούσε την ίδια αύξηση θερμοκρασίας για να καταλήξει στο ότι – με σημερινές μονάδες – 420 περίπου τζάουλ έργου προκαλούν ΠΑΝΤΑ την ίδια αύξηση θερμοκρασίας ίδια με εκείνη που προκαλούσε θερμότητα 100 θερμίδων ( calories ).

9. Μια από τις μεγάλες πρωταγωνίστριες.

Ως έννοια η θερμότητα είναι μία από τις μεγάλες πρωταγωνίστριες στο έργο «Θερμοδυναμική» Συμμετέχει όχι μόνο στο Πρώτο νόμο «Μεταβολή εσωτερικής ενέργειας = έργο + θερμότητα + ακτινοβολία + . . . .» αλλά και στον δεύτερο νόμο δεδομένου ότι με βάση αυτήν και τη θερμοκρασία ορίζεται η κεντρική, για τον νόμο αυτό, έννοια ΕΝΤΡΟΠΙΑ. dS = dQ /T.

Εξάλλου μπορεί ο πρώτος νόμος να διακηρύσσει την ποσοτική ισοδυναμία έργου και θερμότητας, αλλά ο δεύτερος διακηρύσσει ότι το έργο μπορεί να είναι ποσοτικά ισοδύναμο με τη θερμότητα αλλά υπάρχει σοβαρή διαφορά. 100 τζάουλ έργου είναι κάτι πολυτιμότερο από 100 τζάουλ θερμότητας.

3. Η -μέσα από τη διδασκαλία-

οικοδόμηση της έννοιας ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

Το πρώτο βήμα . Η εμφάνιση της ΙΔΕΑΣ ότι σε φαινόμενα όπως η θέρμανση, η ψύξη και η ανάμειξη ποσοτήτων διαφορετικής θερμοκρασίας υπάρχει «κάτι» που μεταβιβάζεται.

Το δεύτερο βήμα . Η αναγνώριση του ότι «αυτό που μεταβιβάζεται» δεν είναι ποσότητες θερμοκρασίας. Η διαπίστωση της ανεπάρκειας της έννοιας θερμοκρασία στο να προβλέπουμε τα φαινόμενα. Η αναγνώριση της ανάγκης για τη δημιουργία μιας νέας έννοιας – ποσότητας η οποία μεταβιβάζεται

Το τρίτο βήμα . Η παρουσίαση της πρότασης των φυσικών ότι «αυτό που μεταβιβάζεται δεν είναι «είτε ψύχος είτε θερμότητα» αλλά ΜΟΝΟ θερμότητα. Η αναγνώριση της κοινής ΑΙΤΙΑΣ για «ροή θερμότητας».

Η παρουσίαση των ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ κατά τη «ροή θερμότητας»». .

Το τέταρτο βήμα. Η θερμότητα ως ποσότητα που μπορεί να μετρηθεί . Η σχέση της θερμότητας με τη μάζα - ποσότητα ύλης.

Η μονάδα ένα cal.

Το πέμπτο βήμα . Θερμική αγωγιμότητα. Η εμπειρία. Στοιχεία από τον νόμο του Fourier.

Το έκτο βήμα .. Η ΙΔΕΑ ότι η θερμότητα είναι «κάτι όπως το έργο» και η επιβεβαίωσή της. Το πείραμα του Joule με έμφαση στην ΕΝΟΠΟΙΗΣΗ δύο διαφορετικών μέχρι τότε εννοιών. Αξιοποίηση νέων τεχνολογιών. Η μονάδα ένα joule.

Το έβδομο βήμα Η έννοια (εσωτερική) θερμική ενέργεια και αποσαφήνιση της εννοιακή διάκρισης ανάμεσα σε θερμότητα και θερμική ενέργεια .

Το όγδοο βήμα .ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ και ΕΡΓΟ στον πρώτο νόμο της Θερμοδυναμικής. Θερμότητα και έργο σε επίπεδο Μικρόκοσμου.

Το ένατο βήμα Θερμότητα που δεν θερμαίνει. Τήξη και εξαέρωση. Ισόθερμη μεταβολή.

Θέρμανση χωρίς θερμότητα . Φαινόμενο Joule. Αδιαβατική μεταβολή

Το δέκατο βήμα .. ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ και ΕΡΓΟ με την έμφαση στο ότι το έργο είναι πολυτιμότερο από τη θερμότητα.

Ο δεύτερος νόμος της Θερμοδυναμικής

Το ενδέκατο βήμα . Οι έννοιες θερμοκρασία και θερμική ενέργεια από τη σκοπιά του Μικρόκοσμου. Η διαφορά ανάμεσα σε θερμότητα και έργο από τη σκοπιά του Μικρόκοσμου.

Τα πέντε πρώτα βήματα αναφέρονται στη διδασκαλία της έννοιας στο Γυμνάσιο. Τα βήματα από το τέταρτο έως το ενδέκατο στη διδασκαλία της έννοιας στο Λύκειο.

4. Το «όνομα του ρόδου».

Κάθε τυπική έννοια έχει ένα «δικό της» όνομα - αφηρημένο ουσιαστικό – το οποίο συνιστά το σημαίνον της

Η , σε γλώσσα ελληνική , έννοια θερμότητα, στην αγγλική λέγεται heat

στη γαλλική chaleur, στην ιταλική calore, στην ισπανική και στην πορτογαλική calor, στη ρουμανική căldură

στη γερμανική wärme, στην ολλανδική warmte, στη σουηδική värme

στη νορβηγική varme, στη γλώσσα των Δανών επίσης varme

στην πολωνική ciepło, στα τσέχικα και στα σλοβάκικα teplo, στα σλοβένικα toplote, στα κροάτικα topline στα σέρβικα топлота (προφέρεται τόπλοτα), στα βουλγάρικα топлина, στα ρώσικα тепла (προφέρεται τίπλο) , στα ουκρανικά тепла

στην αλβανική nxehtësi (προφέρεται ζέτεζι), στην ουγγρική hőmennyiség, στη φιλανδική lämpö , στα γλώσσα των Εσθονών soojust

στη γλώσσα των Λιθουανών šilumos, στη γλώσσα των Λεττονών siltuma, στη γλώσσα των Τούρκων isi , τη γλώσσα των Αζέρων istilik

5. Το εννοιακό δίκτυο στην περιοχή της έννοιας θερμότητα

Έννοιες που ανήκουν στην περιοχή του εννοιακού δικτύου όπου βρίσκεται η ορμή, συνδεόμενες με κάποιο είδος θηλιάς μαζί της είναι

η θερμοκρασία , η μάζα, η ειδική θερμότητα, η θερμοχωρητικότητα, η έργο,

η εσωτερική θερμική ενέργεια, η θερμική αγωγιμότητα, η εντροπία

Παραπομπές

1. H θερμοκρασία είναι μία ακόμα έννοια για την οποία η ποσοτικοποίησή της και τελικά η μέτρησή της πραγματοποιήθηκε ΠΡΙΝ από την εννοιακή της αποσαφήνιση. Η πρόταση για τη μέτρησή της έγινε το 1724 από τον Fahrenheit , η εκατονταβάθμια κλίμακα προτάθηκε από τον Celsius το 1742 αλλά η εννοιακή της οικοδόμηση ουσιαστικά ξεκίνησε το 1760 από τον Joseph Black.

2. Στη Μηχανική, το έργο εμφανίζεται σε μεταβιβάσεις ενέργειας στις οποίες η θερμοκρασία δεν έπαιξε κανένα ρόλο. Αν η ενέργεια μεταφέρεται εξ αιτίας διαφορών θερμοκρασίας μπορούμε να διακρίνουμε τη θερμότητα από το έργο ορίζοντας το έργο σαν την ενέργεια που μεταβιβάζεται από ένα σύστημα σε ένα άλλο με τέτοιο τρόπο που μια διαφορά θερμοκρασίας να μην εμπλέκεται άμεσα. Ο όρος έργο περιλαμβάνει όλες τις διεργασίες μεταβίβασης ενέργειας αλλά εξαιρεί ειδικά τη μεταβίβαση ενέργειας που προέρχεται από διαφορά θερμοκρασίας.

Halliday – Resnick 1^ος τόμος σελίδα 556.