Ciepło–zimno

Co to jest temperatura?

Na pierwszy rzut oka pytanie zdaje się podchwytliwie proste. Przecież każdy rozumie: temperatura to jest miara tego, jak bardzo coś jest ciepłe. Jako ludzie, powinniśmy mieć w miarę możliwości 36.6°C. Jeśli dotkniemy czegoś, co ma niską temperaturę, możemy przymarznąć, a jeśli czegoś, co ma wysoką temperaturę, możemy się oparzyć.

A jednak… jeśli rozgrzejemy piekarnik do 180°C, możemy spokojnie włożyć do niego rękę, i nie stanie się nam krzywda. Z drugiej strony – na przykład często mówi się, że Kosmos jest zimny. To prawda, rzeczywiście jest, a mimo to jednym z problemów dla statków kosmicznych, zwłaszcza załogowych, jest odprowadzanie ciepła. Są to działania, dzięki którym statek kosmiczny się nie przegrzeje. W takim razie o co chodzi?

A więc jeszcze raz – co to jest temperatura? Jeśli zapytacie fizyka, to dowiecie się, że jest to miara średniej szybkości cząsteczek w danym układzie¹Stąd też moderowanie neutronów, o którym więcej przeczytacie w artykule o reaktorach jądrowych, nazywa się również ich termalizowaniem – bo w reaktorze chcemy wykorzystywać neutrony o takiej prędkości, jaka odpowiada temperaturze pokojowej. Takie neutrony nazywamy neutronami termicznymi.. Im szybciej cząsteczki się poruszają, tym wyższa jest temperatura danego ciała. Trzeba jednak pamiętać, że ciepło to nie do końca to samo co temperatura – oznacza ilość energii przekazywanej pomiędzy dwoma układami. Zgodnie z drugim prawem termodynamiki ciepło płynie z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Ale dla naszego subiektywnego odbioru ciepła, w szczególności dla tego, czy się oparzymy, przymarzniemy czy będziemy mieli w miarę neutralne odczucia, istotna jest nie tylko różnica temperatur, ale też to, ile ciepła przeniknie z jakiegoś obcego ciała do naszego ciała.

Odrobina termodynamiki

Tutaj dobrym przykładem może być piekarnik. Z mojego doświadczenia ciasto najczęściej pieczemy w temperaturze 180°C. Gdy piekarnik się nagrzeje, to w całym jego wnętrzu jest taka sama temperatura. Zarówno ściany czy blacha, jak i powietrze, mają 180°C. Powietrze ma jednak bardzo niską gęstość w porównaniu do naszego ciała, a co za tym idzie – ilość ciepła, jaką może nam przekazać w danym czasie, jest stosunkowo niewielka. Natomiast powietrze szybko ochładza się po kontakcie z naszym ciałem. Gdybyśmy jednak dotknęli, choć na chwilę, wewnętrznej ścianki piekarnika, bardzo szybko byśmy się zorientowali, że to był kiepski pomysł. Podobnie zresztą by się stało, gdybyśmy trzymali rękę w piekarniku przez dłuższy czas, nawet niczego nie dotykając. W końcu nawet transfer ciepła przez powietrze sprawiłby, że zrobiłoby nam się nieprzyjemnie gorąco, a przy dłuższym pobycie – mógłby nas poparzyć. Nawet mięso w piekarniku w końcu się upiecze.

Na podobnej zasadzie działają rozgrzane ciała o niewielkiej pojemności cieplnej – czyli parametrze określającym, ile energii trzeba włożyć w ogrzanie tego ciała o jeden stopień. Wiecie przecież dobrze, że próba wyjęcia gorącego ciasta prosto z piekarnika zakończy się poparzeniem. Ale jeśli piekliście coś na folii aluminiowej, to spokojnie możecie chwycić za rogi rozgrzanej folii i w ten sposób coś z piekarnika wyjąć. Aluminium ma bardzo niską właściwą pojemność cieplną,²Właściwą, czyli przeliczoną na jednostkę masy, np. kilogram a do tego folia aluminiowa jest bardzo cienka i lekka. Pomimo wydajnego transferu ciepła, tego ciepła do przeniesienia jest tak mało, że nie zrobi to różnicy naszemu organizmowi. Tego akurat nie musicie się bać spróbować w domu!

Jak to jest w kosmosie?

Podobnie, tyle że w drugą stronę, działa kwestia termoregulacji w kosmosie. Wiele razy słyszeliśmy o tym, jaki to kosmos jest zimny. Owszem, jest. Jeśli coś zostawimy w przestrzeni kosmicznej, z dala od wszelkich źródeł ciepła, to po pewnym czasie ostygnie do temperatury około -270°C ³czyli 2,7 K. Ale kluczowe jest właśnie sformułowanie „po pewnym czasie”. Kosmos jest „zimny” w tym sensie, że średnia szybkość cząsteczek w przestrzeni kosmicznej jest niewielka.

Pamiętajmy natomiast, że kosmos to głównie próżnia, a co za tym idzie – nie ma tam za wiele cząsteczek, które mogłyby przejąć ciepło od naszego statku kosmicznego. Dlatego też niektóre obiekty – na przykład Międzynarodowa Stacja Kosmiczna – muszą wykorzystywać dużych rozmiarów radiatory⁴zaznaczone na obrazku poniżej, żeby pozbywać się ciepła przez emisję promieniowania podczerwonego. Oznacza to, że zamiast przekazywać ciepło bezpośrednio innym cząsteczkom, emitujemy je w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Odbywa się to w ten sam sposób, w który to promieniowanie dociera do nas ze Słońca. Dlatego też mitem jest twierdzenie, że człowiek wyrzucony w przestrzeń kosmiczną bez skafandra natychmiast by zamarzł. Owszem, wiele rzeczy by się takiemu człowiekowi przydarzyło, ale byłyby przede wszystkim związane z brakiem tlenu i niskim ciśnieniem. Zamarznięcie nastąpiłoby już długo po wyzionięciu ducha przez takiego nieszczęśnika.

Podobnie zresztą wygląda sytuacja z liofilizacją. W laboratorium wykorzystujemy tę metodę do wydzielenia z wody produktów naszej syntezy. Natomiast przemysł spożywczy korzysta z liofilizacji do odwadniania na przykład owoców czy kawy. Kawa rozpuszczalna to właśnie kawa poddana procesowi liofilizacji. Polega ona na zamrożeniu produktu (najczęściej w ciekłym azocie mającym około -200°C), a następnie wykorzystaniu wysokiej próżni. Próżnia sprawia, że lód sublimuje, co dodatkowo ochładza naszą próbkę. To właśnie dzięki próżni ciepło nie ma także którędy przedostać się z otoczenia do liofilizowanego produktu.

Transfer ciepła w domowej kuchni

A skoro o ciekłym azocie mowa. Kolejny mit naukowy, tym razem związany z azotem, brzmi: jeśli włożysz do ciekłego azotu rękę, to ona ci zamarznie i odpadnie. Uwaga: jeśli włożysz rękę do azotu na długo, to owszem, zamarznie i będzie nie do odratowania. Ale jeśli włożysz ją do azotu na krótko – nic ci się nie stanie. Dlaczego? Właśnie z powodu dużej różnicy temperatur. Ciekły azot nie potrzebuje dużo ciepła, żeby odparować. Gdy próbujemy włożyć do niego rękę, ze względu na dużą różnicę temperatur ciepło bardzo szybko przedostaje się z naszego ciała do azotu, powodując odparowanie pewnej jego ilości. Ta para stanowi swego rodzaju warstwę ochronną pomiędzy naszym ciałem a zimną cieczą. Dzięki temu nie odczuwamy zimna. Dzieje się to na podobnej zasadzie jak w piekarniku – ponieważ pary azotu słabo przewodzą ciepło. Nazywa się to zjawiskiem Leidenfrosta. Jest ono często demonstrowane na różnego rodzaju pokazach naukowych.

Demonstracja polega na tym, że ktoś wylewa trochę ciekłego azotu na stół. Azot natomiast, zamiast rozlać się tak, jak woda, zaczyna unosić się na niewielkiej „poduszce powietrznej”. Wprawdzie dostęp do ciekłego azotu nie jest łatwy, ale sam efekt Leidenfrosta można zaobserwować w domowej kuchni. Wystarczy wziąć suchą patelnię i ją solidnie rozgrzać (musi osiągnąć temperaturę powyżej 160°C), a następnie nalać na nią nieco wody. Jeśli dysponujesz zwykłą kuchenką elektryczną (nie indukcyjną!), to nie musisz nawet używać patelni. Kilka kropli wody możesz wylać na rozgrzaną płytkę. Efekt nie jest może aż tak spektakularny, jak w przypadku azotu, ale moim zdaniem i tak wygląda interesująco.

A czym jest para wodna?

A skoro mowa o parze wodnej – tutaj trzeba wyjaśnić jedną, bardzo istotną rzecz. W ścisłym tego słowa znaczeniu para wodna to po prostu woda w stanie gazowym. Jest ona bezbarwna i w ogóle niewidoczna, nierozróżnialna gołym okiem od powietrza. Ma nieco wyższa gęstość niż powietrze i ponad dwukrotnie wyższą właściwą pojemność cieplną, ale nie jest to duży problem. Natomiast to, co przywykliśmy nazywać parą wodną – na przykład to, co wylatuje z żelazka – jest to tzw. para mokra. Jest to mieszanina pary wodnej z drobnymi kropelkami wody. Taka para może być bardzo niebezpieczna! Powiedziałbym nawet, że zwodniczo niebezpieczna.

Ze względu na zawartość kropelek wody mokra para może mieć gęstość dużo wyższą niż powietrze. Wysoka pojemność cieplna oznacza, że mokra para ma dużo energii, którą chętnie przekaże dowolnemu ciału o niższej temperaturze – na przykład naszej ręce. Jak łatwo się taką parą oparzyć wie chyba każdy, kto kiedyś prasował, albo wlewał wodę do gorącego piekarnika, żeby go zaparować. A, i chyba wszyscy entuzjaści sauny wiedzą, że saunę suchą można rozgrzać do 90°C, ale sauna mokra nie powinna przekraczać 50°C. Przyczyną jest właśnie wysoka pojemność cieplna pary. Powietrze w temperaturze 90°C będzie nas grzało stosunkowo wolno. Natomiast para (zwłaszcza mokra) w tej samej temperaturze natychmiast nas bardzo dotkliwie poparzy.

Pamiętajcie więc, że sama temperatura to nie wszystko. Natura działa w sposób dużo bardziej skomplikowany, niż się wydaje. Gorący metal niekoniecznie Cię poparzy, gorącego serca nie zobaczysz na kamerze termowizyjnej, a fakir chodzący po rozżarzonych węglach… Nim zajmiemy się w innym wpisie.

Źródła:

https://www.tlv.com/global/ME/steam-theory/wet-steam-dry-steam.html

https://www.engineeringtoolbox.com/saturated-steam-properties-d_457.html

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!