Au venit căldurile

“Ies pe ștrase la plimbare cu mașina mea. Urlă muzica în boxe, vreau s-agăț ceva. Au venit căldurile, se dezbracă toate feteleeeee. Trag pe dreapta, las mașina, vreau să merg pe jos. Fetele îmi fac cu ochiul și zâmbesc frumos. Arde tare Soarele, dar mai rău ne ard fetițele. Aș vrea toate fetele să-și arunce hainele pentru noi și pentru voi! Ne-au topit căldurile, să-și arunce hainele pentru noi și pentru vuouooooi!” – ciumegii de la Body & Soul

Bucata asta de înțelepciune populară o puteai asculta peste tot într-una din verile de la începutul anilor 2000 (nu mai știu exact anul). Ah, ce vremuri! Ce trecut glorios! Acum o să o tot fredonezi până în octombrie. Sau poate ești mai tânăr de atât, iar în loc de Body & Soul o să fredonezi ceva mai actual, că până la urmă fiecare vară are o melodia ei. Ai putea să încerci The Nostalgia Machine, ca să îți mai aduci aminte de câteva. Cred că am început să delirez un pic. Oricum pică numa’ bine, pentru că a venit iar perioada aia a anului în care discuțiile nu mai încep cu “ce faci?”, “bine”, ci cu “ce faci?”, “pfff, uite mă chinui cu căldura asta”. Ce căldură dogoritoare e afară! Ce caniculă!

 A se foi

Căldura asta de o simți de dimineață până seara și de care tot începi să scapi este energie pură.  O caracteristică de a ei e că trece spontan de la un sistem la altul (scurtă explicație: un sistem poate fi orice lucru îl iei tu ca referință, adică un obiect, o ființă, un loc, o delimitare în timp sau spațiu, orice). Am vorbit foarte pe scurt despre asta în Să pui Lumea în mișcare, dar acum a venit timpul să vedem în amănunt care-i treaba cu ea. Deși sunt mai multe abordări posibile, cel mai ușor ne e să înțelegem căldura prin intermediul teoriei cinetice care spune că atomii sau moleculele dintr-un corp sunt într-o mișcare constantă.

Deși ea se referă de fapt și de drept la gaze, o putem aplica liniștiți și când vine vorba de lichide și solide. În momentul în care atomii sau moleculele dintr-un sistem încep să se agite, ele generează un tip de energie care se transferă la alt sistem, energie pe care o numim căldură. (Notă: de fapt aceasta este energia termică, în timp ce căldura este de fapt energia termică transferată de la un sistem la altul. Cu toate acestea, pentru a facilita înțelegerea textului și a-l face mai aerodinamic, o să folosim termenul pe care îl folosim în viața de zi cu zi când ne referim la energia termică, acela de “căldură”.)

E foarte simplu de înțeles: cu cât moleculele sau atomii dintr-un sistem se mișcă mai repede și mai violent, cu atât sistemul respectiv dă mai multă căldură, iar temperatura sa este mai crescută.

Aha! Uite un alt termen pe care îl întâlnești zi de zi. Temperatura este pur și simplu o mărime fizică ce ne permite să măsurăm starea termică a unui corp, lucru care ne ajută nespus de mult, pentru că în știință nu prea merge cu “da, apa din experiment era călâie, iar după ce am pus-o la foc, a devenit fierbinte”, ci trebuie să știm totul exact (după cum am povestit și în Limbajul Realității și în Cum știm ce știm). Noi în viața de zi cu zi folosim gradele Celsius când măsurăm temperatura unui corp, unde avem ca referință punctul în care îngheață apa (0°C) și în care fierbe (100°C), totul la presiunea atmosferică de la nivelul mării (100 kPa, kiloPascali, sau 1 atm, atmosferă).

Oamenii de știință, însă, folosesc gradele Kelvin, unde 0 K (zero grade Kelvin) este zero absolut, punctul în care nici un atom nu se mai mișcă. Din câte știm, nu există nicăieri în Univers vreun loc în care temperatura să fie de 0 K. Oamenii au reușit să ajungă în laborator la temperaturi foarte foarte apropiate de 0 K (cam 0,0000000001 K), dar niciodată la fix 0 K. Este incredibil de greu să ajungi la zero absolut și din câte știm, orice obiect sau substanță din Univers are peste 0 K, deci atomi care se mișcă în interiorul său. Chiar și atunci când te uiți la o cărămidă, ție ți se pare că e complet imobilă, dar moleculele ei se foiesc mai nervoase ca un puști care e la BAC și n-a învățat nimic.

 Dansul e chimie, iar fizica e dans

O întrebare interesantă care s-ar putea să îți fi venit în minte până acum e: “ce se întâmplă dacă moleculele dintr-o substanță încep să se agite mult? Adică foarte foarte foarte mult. Ce se întâmplă atunci?” Ei bine, chestia asta este strâns legată de starea de agregare a unei substanțe. Din câte știm, în Univers se găsesc patru stări de agregare: solid, lichid, gazos și plasmă. Voi vorbi despre primele trei, deoarece plasma necesită niște cunoștințe un pic mai avansate de fizică.

Ia o ciocolată și las-o în Soare. Îmi pare rău dacă aveai de gând să o mănânci, dar faci treaba asta ca să înțelegi mai bine un fenomen și să înveți ceva. Lași plăcerile vieții pentru mai încolo. Bun, ciocolata aia pare a fi un obiect solid care stă pe loc, dar știm deja că în măruntaiele ei există atomi și molecule care se agită încontinuu. Atomii din ciocolată sunt strâns legați unii de ceilalți, dar tot se agită. Asta se întâmplă în orice corp solid: atomii sunt ținuți strâns legați unul de celălalt de diverse forțe, ca să nu se îndepărteze prea mult în timp ce se agită. Dar peste vreo 5 minute vei observa că ciocolata începe să se topească. Se transformă din solid în lichid! Care-i faza?

Ideea e că Soarele încălzește ciocolata, iar energia primită de la stea agită atomii din ciocolată atât de mult, încât aceștia încep să se miște din ce în ce mai violent, iar forța care îi ținea împreună își bagă picioarele în ea de treabă și renunță: atomii tot sunt legați unul de celălalt, dar li se permite ceva mai multă libertate. Forța dintre ei le permite să se miște un pic mai mult. Ciocolata tocmai a ajuns la punctul de topire, când se face trecerea de la solid la lichid.

Acum du-te și fă-ți un ceai. Da, știu că am numai cerințe dubioase azi și că probabil sunt pe puțin 30°C la umbră, dar ai încredere în mine. Ca să-ți faci ceai, trebuie în primul rând să fierbi niște apă. Să vezi ce chestii interesante se petrec și aici. Dacă ai reușit să pornești de unul singur un calculator, probabil știi că apa este o substanță lichidă, deci deja legăturile dintre molecule sunt mai slabe. În momentul în care o încălzești și mai mult (adică îi dai mai multă energie), se întâmplă ceva dubios: moleculele de apă se eliberează complet de forța care le ținea împreună și încep să zboare care încotro. Asta pentru că ajung să se zgâlțâie atât de mult și au atâta energie încât reușesc să scape. Apa începe să se evapore, se transformă în aburi, adică în gaz. Acesta este punctul de fierbere, când un lichid se transformă în gaz.

Apropo de asta, în treacăt fie spus, una din temerile cele mai mari ale oamenilor anti-cuptoare-cu-microunde e că (cică) microundele pot ajunge să zgâlțâie atât de mult moleculele dintr-un aliment încât să-i schimbe ADN-ul și să îl facă (ține-te bine) TOXIC! Firește, n-are cum, pentru că microundele zgâlțâie moleculele de apă, făcându-le să genereze căldură. Ce se întâmplă dacă ajungi să zgâlțâi foarte foarte mult moleculele de apă? Fix ce am zis mai sus: transformi apa în aburi, adică o treci din stare lichidă în stare gazoasă.

Ca să îți dai seama și mai ușor cum stă treaba, gândește-te că e fix ca la o petrecere într-un club. Să zicem în Control. Eu merg în Control, că-s hipster. Mai întâi toți oamenii încep să danseze relaxați, că abia au venit. DJ-ul bagă muzică de warm-up. Oamenii dansează liniștiți, pe loc, iar atmosfera este foarte relaxată. Ai putea spune că întregul grup de oameni din club reprezintă un corp solid. La un moment dat, atmosfera se schimbă: muzica devine din ce în ce mai antrenantă, iar oamenii dansează și mai cu drag. Se formează grupuri mai mari, oameni dansează prin sală, plimbându-se de colo-colo, fiecare dansează cum vrea. Dar tot sunt niște grupulețe. Solidul a devenit lichid. Ajungi în punctul în care muzica e atât de bună încât nici nu mai contează unde dansezi, cu cine dansezi, distracție să fie. Lichidul devine gaz. Dar unii oameni sunt atât de agitați și e atât de cald acum, încât simt nevoia să iasă la aer. Oamenii ăștia sunt moleculele care se evaporă.

---

Mă topeeeeesc!

Acum, referitor la punctul de topire și punctul de fierbere, fiecare substanță le are diferite, în funcție de elementele din care sunt făcute. De exemplu, galiul poți să-l topești liniștit în mână, pentru că se topește la 29°C (vreo 302 K). Dacă vrei să topești fierul, însă, ai nevoie de ceva mai multă căldură decât se găsește în palma ta. Asta pentru că punctul lui de topire este de vreo 1538°C (1811 K). Ai o listă cu diversele puncte de topire și de fierbere ale tuturor elementelor chimice cunoscute aici. Toate temperaturile de care vorbesc în postarea asta sunt la presiunea standard de la nivelul mării, adică 100kPa sau 1 atm, asta fiind presiunea pe care o întâlnești zi de zi.

Dar asta nu-i tot, felul în care se combină diverse elemente chimice influențează aceste puncte de fierbere și topire! Uite, de exemplu, hidrogenul se topește la -259.14 °C (14 K), iar oxigenul la -218.79 °C (54 K). Dar în momentul în care pui la un loc doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen, situația se schimbă complet: se creează o moleculă de apă, care are punctul de topire la 0°C (273,15 K). 

Chestiile astea țin exclusiv de propietățile atomilor fiecărui element dintr-o substanță. Un proton în plus sau în lipsă e de ajuns ca să schimbe total proprietățile unei substanțe. Cum e cazul aurului și al mercurului. Aurul are 79 de protoni în nucleu (și 79 de electroni în general, excludem ionii): este solid la temperatura camerei și nu ne face nici un rău. Mercurul are 80 de protoni în nucleu (și 80 de electroni în general, iarăși excludem ionii): este lichid la temperatura camerei și este toxic pentru oameni. Ce ciudățenie!

---

 De la A la B

Căldura, fiind energie la fel ca lumina, nu apare așa de nicăieri. Știu că nu te-ai gândit niciodată la asta, dar căldura se propagă într-un anumit fel. Când mi-am cumpărat primul telescop, de exemplu, el nu s-a teleportat de la vânzător la mine acasă, ci a trebuit să fie transportat prin curier, cu mașina, ca să ajungă la mine. Așa și căldura, ea poate trece de la un obiect cald la un obiect mai rece. Transmiterea (sau transferul) căldurii se poate face doar când e o diferență de temperatură între două corpuri și se face NUMAI de la corpul cu temperatura mai ridicată, la cel cu temperatura mai scăzută. Sunt trei feluri prin care aceasta se poate transmite:

Conducția

Tocmai ți-ai făcut niște cafea fierbinte pe care ai pus-o în cană cu gândul să o bei. E dimineață, ești adormit, ești bosumflat, iar cafeaua e fix ce ai nevoie ca să te trezești. Ai pus niște zahăr și ai început să amesteci în cană cu o linguriță de metal. Pe măsură ce lingurița stă mai mult în cană, se încăzește și ea. “Ei, na!” Da, știu, știu că nu e nimic revoluționar ce îți spun, dar trebuie să stabilim contextul, nu?

Întrebarea reală este: cum s-a transmis căldura de la cafeaua fierbinte la linguriță? Nu, “e cafeaua fierbinte” nu e răspunsul pe care îl căutăm. Cafeaua e fierbinte, dar ne interesează ce se întâmplă în interiorul ei: moleculele se mișcă foarte foarte repede și tot împing una în cealaltă. Lingurița e și ea compusă din molecule care se mișcă, dar acum ele sunt îmbrâncite în plus de moleculele din cafea. Sunt îmbrâncite și tot sunt îmbrâncite încât ajung să le împingă chiar și pe cele care nu sunt în contact cu cafeaua și așa ajung să își mărească viteza toate moleculele din linguriță. Aceasta este conducția căldurii, în care niște molecule nervoase ajung să îmbrâncească niște molecule liniștite, care devin la rândul lor nervoase pentru că n-au fost lăsate în pace.

Convecția

Conducția are loc la nivel microscopic, dar convecția căldurii de care urmează să îți spun acum se petrece la un nivel macroscopic, familiar nouă. Ideea e că în fizică, lichidele și gazele sunt considerate fluide, pentru că ambele curg, iar ele au un mod aparte de a se comporta: fluidul cald urcă, fluidul rece coboară. Mereu. Indiferent că vorbești de un gaz sau un lichid, el urcă în momentul în care el se încălzește, fiindcă devine mai puțin dens. În momentul în care ajunge sus “la tavan”, el se răcește și devine mai dens, deci coboară.

D-aia te arzi când pui mâna deasupra unei oale în care fierbe apă: apa care e fierbinte încălzește aerul de deasupra ei, care scade în densitate și se înalță. Odată ajuns la o anumită înălțime, el se răcește și scade în densitate, ajunge la apa fierbinte și o ia de la cap. Chestia asta are o grămadă de aplicații în viața de zi cu zi de la centrale de încălzire cu apă până la baloane cu care să zbori.

Radiația

Soarele este efectiv motorul vieții de pe Pământ, absolut toate organismele de pe planeta asta mișto funcționează într-un fel sau altul pe baza energiei termice date de Soare. Dar cum reușește? Întreb deoarece conducția și convecția funcționează doar dacă se propagă căldura printr-un mediu (un obiect solid sau un fluid), dar între Soare și Pământ nu e nimic, e vid. Ei bine, știm cum stă treaba. Radiație. Bine, acum nu te gândi la radiații nucleare și alte chestii de genul ăsta, că nu are treabă.

Termenul de radiație descrie orice fenomen fizic în care este emanată și propagată o undă și fix asta se întâmplă și aici. Soarele (care este foate fierbinte) transmite căldura prin intermediul a trei tipuri de radiație electromagnetică: radiații ultraviolete, lumină vizibilă (sau lumină) și infraroșu (sau radiație infraroșie). În momentul în care energia Soarelui (cu precădere lumina vizibilă) ajunge la suprafața Pământului, aceasta se transformă în căldură, chiar dacă între cele două corpuri este vid. Practic Soarele ne trimite căldură fără să ne atingă. E ca și cum ar schimba posturile unui televizor cu telecomanda.

Imaginează-ți că ai un copac la o distanță de 5 metri de tine. Cum poți să îl miști fără să îl atingi? Legi un capăt de sfoară de el, iar celălalt capăt îl ții tu în mână. În momentul în care începi să miști sfoara de sus în jos (imaginează-ți că faci valuri cu ea), copacul începe să se miște, chiar dacă tu nu îi faci nimic. Îi transmiți și îi dai energie fără să îl atingi. Sfoara este de fapt unda infraroșie trimisă de Soare. După cum vezi, transmiterea căldurii prin radiație este foarte folositoare pentru că nu are nevoie de un mediu în care să se propage: că se propagă prin aer sau prin vid, îi e totuna.

---

Ce e foarte important de știut e că obiectele nu au căldură, adică nu posedă așa ceva în sinea lor. Căldura este efectiv energia care trece de la un obiect cu temperatură mai mare la un obiect cu temperatură mai mică. Ce au obiectele, în schimb? Energie internă. Adică energia cinetică cu care se tot zgâlțâie atomii sau moleculele din ele. Ce mai e de zis apropo de căldură? O grămadă. De exemplu felul în care ea poate fi transformată din energie în lucru mecanic. Sunt atât de multe chestii interesante de spus, încât căldura are o întreagă știință care să se ocupe de ea: calorimetria. Numele de calorimetrie provine de la calor (căldură în latină) și metron (a măsura în greacă). Având în vedere că este tot energie, cantitatea de căldură primită sau cedată de un sistem se măsoară tot în Jouli (J). Dacă nu ți-e clar care-i treaba cu chestiile astea (energie, sistem, Joule), poți foarte bine să continui să citești Să pui Lumea în mișcare unde o să vezi cum își găsește căldura locul în conceptul de energie. Pentru că și-așa am terminat postarea.