1. Να ζεσταίνεται χωρίς θερμότητα

(η Αγία ΑΔΙΑΒΑΤΙΚΗ)

Ένα ιδιαίτερο ενδιαφέρον, από τη σκοπιά της Διδακτικής, παρουσιάζει το φαινόμενο ΑΔΙΑΒΑΤΙΚΗ μεταβολή. Για πολλούς λόγους. Ο κυριότερος είναι ότι διδάσκει πειστικά πως ένα αέριο μπορεί να θερμαίνεται χωρίς θερμότητα. Το αέριο θα ζεσταίνεται με έργο. Η ενεργειακή μεταβίβαση θα γίνεται με μηχανισμό έργου. Το έργο δηλαδή εμφανίζεται ικανό να κάνει αυτό ακριβώς που συνήθως κάνει η θερμότητα. Να ζεστάνει τα αέρια σώματα. Η αδιαβατική μεταβολή συντελείται με αέριο σε δοχείο με τοιχώματα μηδενικής θερμικής αγωγιμότητας, το οποίο κλείνεται με έμβολο επίσης θερμικά μονωμένο. Εάν ασκήσουμε δύναμη στο έμβολο έτσι ώστε να συμπιέζεται το αέριο – μεταβιβάσουμε δηλαδή ενέργεια με μηχανισμό έργου – θα παρατηρηθεί αύξηση της θερμοκρασίας. Το αέριο θερμαίνεται χωρίς να «εισρέει» θερμότητα από το περιβάλλον. Η εσωτερική του ενέργεια αυξάνεται σε ποσότητα ίση με τη μεταβιβαζόμενη ενέργεια με μηχανισμό έργου. Αυτό εκφράζεται αλγεβρικά με τη σχέση ΔU = - W

2. Θερμότητα που δεν το ζεσταίνει

(η Αγία ΙΣΟΘΕΡΜΗ)

Ακόμα μεγαλύτερο ενδιαφέρον, από τη σκοπιά πάντοτε της Διδακτικής, παρουσιάζει το φαινόμενο ΙΣΟΘΕΡΜΗ μεταβολή. Εξελίσσεται με αντιδιαμετρικώς διαφορετική λογική από την αδιαβατική μεταβολή. Το αέριο βρίσκεται σε δοχείο τα τοιχώματα του οποίου έχουν άπειρη αγωγιμότητα, επιτρέπουν δηλαδή τη «ροή» θερμότητας χωρίς κανένα πρόσκομμα. Το όλο σύστημα βρίσκεται σε περιβάλλον άπειρης θερμοχωρητικότητας, βρίσκεται, με άλλα λόγια , σε ένα «πέλαγος» η θερμοκρασία του οποίου είναι αδύνατον να μεταβληθεί λόγω της θερμότητας που μεταβιβάζεται στο αέριο του δοχείου.

Έτσι κατά την ισόθερμη εκτόνωση, σε μια στοιχειώδη μετατόπιση του εμβόλου ( προς αύξηση του όγκου) το αέριο αποδίδει στο περιβάλλον ενέργεια με μηχανισμό έργου. Αυτή βέβαια είναι ενέργεια την οποία βγάζει «από τα σπλάχνα του» με συνέπεια να συμβεί «στοιχειώδης» ελάττωση της εσωτερικής του ενέργειας άρα και της θερμοκρασίας του και αυτό ( η δημιουργούμενη στοιχειώδης διαφορά θερμοκρασίας με το περιβάλλον) να αποτελέσει αιτία για ροή θερμότητας από το περιβάλλον. Στην επόμενη στοιχειώδη μετατόπιση θα συμβεί το ίδιο. Η όλη «περιπέτεια» είναι μια σειρά με αιτίες και αποτελέσματα – στην οποία το κάθε αποτέλεσμα γίνεται με τη σειρά του αιτία για το επόμενο γεγονός, με τελικό απολογισμό ΝΑ ΕΙΣΒΑΛΛΕΙ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΣΤΟ ΑΕΡΙΟ ΧΩΡΙΣ ΝΑ ΤΟ ΘΕΡΜΑΙΝΕΙ και να αποδίδεται ενέργεια στο περιβάλλον ως έργο.

3. Να ζεσταίνεται μόνο με θερμότητα

(η Αγία ΙΣΟΧΩΡΗ)

Το φαινόμενο λέγεται ΙΣΟΧΩΡΗ ΘΕΡΜΑΝΣΗ. Το αέριο βρίσκεται μέσα σε κλειστό δοχείο με «σφραγισμένο το καπάκι» και θερμαίνεται από μία θερμική παροχή. Το αέριο πιέζει βέβαια το τοίχωμα αλλά δεν το μετακινεί και φυσικά δεν εκτελεί έργο. ΔU = Q

Η μεταβιβαζόμενη σε αυτό ενέργεια είναι μόνο θερμότητα και η συνέπεια είναι να αυξηθεί ισόποσα η εσωτερική του ενέργεια και ανάλογα η θερμοκρασία του.

Μπορούμε να πούμε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας του είναι αποτέλεσμα της θερμότητας που μεταβιβάστηκε. Διαπιστώνεται πειραματικά ότι η σχέση του ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΟΣ (ΔΤ)

με την ΑΙΤΙΑ ( Q) είναι σχέση αναλογίας ΔΤ = Q / mc_v

ή Q = mc_v ΔΤ άρα και ΔU = mc_v ΔΤ

Το c_v παριστάνει την ειδική γραμμομοριακή θερμότητα υπό σταθερό όγκο

Η σχέση όμως ΔU = mc_v ΔΤ ισχύει σε όλες τις αντιστρεπτές μεταβολές

4. Να ζεσταίνεται με θερμότητα αλλά να κάνει και έργο

(η Αγία ΙΣΟΒΑΡΗΣ)

Το φαινόμενο λέγεται ΙΣΟΒΑΡΗΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗ. Το αέριο βρίσκεται μέσα σε κλειστό δοχείο με το καπάκι το οποίο όχι μόνο δεν είναι σφραγισμένο αλλά μπορεί να μετακινείται χωρίς τριβή. Το δοχείο θερμαίνεται από μία θερμική παροχή και το αέριο πιέζει το καπάκι και το μετακινεί, εκτελεί έργο. Η θερμότητα που μεταβιβάζεται έχει ως αποτέλεσμα και ζεσταθεί το αέριο ( να αυξηθεί η εσωτερική του ενέργεια και η θερμοκρασία του ) ενώ συγχρόνως το αέριο αποδίδει ενέργεια στο περιβάλλον με μηχανισμό έργου.

Ανάμεσα στη θερμότητα που μεταβιβάζεται και στην αύξηση της θερμοκρασίας του διαπιστώνεται πειραματικά μία σχέση αναλογίας

ΔΤ = Q / mc_p ή Q = mc_p ΔΤ

Το c_p παριστάνει την ειδική γραμμομοριακή θερμότητα υπό σταθερή πίεση