Γιατί μια κρύα λεμονάδα γίνεται ζεστή, αλλά το ζεστό τσάι γίνεται κρύο αν αφεθεί για λίγο;

Ο λόγος που η κρύα λεμονάδα γίνεται ζεστή, αλλά το ζεστό τσάι γίνεται κρύο αν αφεθεί για λίγο έξω, είναι επειδή η θερμότητα ταξιδεύει πάντα από ένα αντικείμενο σε υψηλότερη θερμοκρασία σε αντικείμενα με χαμηλότερη θερμοκρασία. Όταν ένα κρύο ρόφημα αφήνεται έξω, η θερμότητα από τον περιβάλλοντα αέρα το κάνει να ζεσταθεί. Όταν ένα ζεστό ρόφημα αφήνεται έξω, η θερμότητα από το ρόφημα μεταφέρεται στον περιβάλλοντα αέρα, προκαλώντας το κρύο του ποτού.

Μετά την επιστροφή από μια επιθετική προπόνηση στο γυμναστήριο, δεν υπάρχει τίποτα καλύτερο από ένα ποτήρι παγωμένη λεμονάδα. Με παρόμοιο τρόπο, ένα ζεστό φλιτζάνι τσάι είναι αναζωογονητικό ενώ κάθεστε στη βεράντα μια βροχερή μέρα. Ωστόσο, και τα δύο αυτά αγαπημένα ποτά έχουν ένα μάλλον ενοχλητικό, αλλά ενδιαφέρον χαρακτηριστικό – το πρώτο γίνεται ζεστό, ενώ το δεύτερο γίνεται κρύο αν αφεθεί για λίγο χωρίς επίβλεψη.

Γιατί συμβαίνει αυτό;

Σύντομη απάντηση: Επειδή η θερμότητα ταξιδεύει πάντα από ένα αντικείμενο με υψηλότερη θερμοκρασία σε αντικείμενα με χαμηλότερη θερμοκρασία.

Λίγα για τη Θερμοδυναμική

Ενώ μιλάμε για θερμότητα και θερμοκρασία, ένας όρος που εμφανίζεται πάντα είναι «θερμοδυναμική». Μπορεί να ακούγεται λίγο τρελό στην αρχή, αλλά στην πραγματικότητα είναι πολύ βασικό. Θερμοδυναμική είναι απλώς το όνομα που δίνεται στον κλάδο της φυσικής που ασχολείται με την ενέργεια και το έργο ενός συστήματος (ένα «σύστημα» μπορεί να είναι οτιδήποτε, από ένα φλιτζάνι τσάι μέχρι ολόκληρο το σύμπαν). Ένα αξιοσημείωτο πράγμα σχετικά με τη θερμοδυναμική είναι ότι ασχολείται κυρίως με τις μακροσκοπικές αποκρίσεις ενός συστήματος, δηλαδή αυτές που μπορούν να παρατηρηθούν και να μετρηθούν σε φυσικά πειράματα.

Ακριβώς όπως οι τρεις νόμοι της κίνησης (που υποβλήθηκαν από τον Ισαάκ Νεύτωνα), υπάρχουν τέσσερις νόμοι της θερμοδυναμικής, οι οποίοι περιγράφουν πώς ορισμένα φυσικά μεγέθη, συμπεριλαμβανομένης της ενέργειας, της θερμοκρασίας και της εντροπίας, συμπεριφέρονται υπό δεδομένες συνθήκες. Για το σκοπό αυτού του άρθρου, χρειάζεται μόνο να εξετάσουμε τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Ωστόσο, πριν προχωρήσετε σε αυτό, πρέπει να κατανοήσετε μια πολύ σημαντική πτυχή του δεύτερου νόμου…

Εντροπία

Ο δεύτερος νόμος βασίζεται σε μια μεταβλητή κατάσταση που ονομάζεται «εντροπία». Πιθανότατα το μάθατε στα μαθήματα Φυσικών Επιστημών στο γυμνάσιο. είναι μια έννοια που συνεπάγεται πολλές ερμηνείες, αλλά προς το παρόν, το μόνο που χρειάζεται να γνωρίζετε είναι ο πιο δημοφιλής ορισμός – μια μέτρηση της «διαταραχής» ενός μακροσκοπικού συστήματος.

Για να το θέσουμε σε μια προοπτική, σκεφτείτε το εξής:ας υποθέσουμε ότι έχετε ένα κουτί γεμάτο σοκολάτες. Όταν ανακινείτε δυνατά το κουτί, κάθε κομμάτι σοκολάτας απομακρύνεται από την αρχική του θέση και προσγειώνεται κάπου αλλού μέσα στο κουτί. Δεδομένου ότι ο αριθμός των θέσεων όπου μπορεί να βρίσκεται ένα συγκεκριμένο κομμάτι σοκολάτας είναι αρκετά μεγάλος, θα λέγαμε ότι οποιοδήποτε κομμάτι σοκολάτας στο κουτί έχει υψηλή εντροπία.

Από τεχνική άποψη, η εντροπία είναι ένα μέτρο του πόσες διαφορετικές μικροσκοπικές καταστάσεις μπορεί να βρίσκεται ένα σύστημα, δεδομένου ότι το εν λόγω σύστημα έχει μια συγκεκριμένη σταθερή σύνθεση, ενέργεια, πίεση, όγκο και θερμοκρασία. Η εντροπία αντιπροσωπεύεται συνήθως με «S».

Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής

Αρχικά, επιτρέψτε μου να σας πω τι λέει στην πραγματικότητα ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Δηλώνει ότι η συνολική εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος (ένα σύστημα που δεν αλληλεπιδρά με άλλα συστήματα και επομένως παραμένει ανεπηρέαστο από το περιβάλλον του) αυξάνεται πάντα με την πάροδο του χρόνου ή παραμένει σταθερή σε ιδανικά σενάρια, όπου το σύστημα υφίσταται μια αναστρέψιμη διαδικασία ή υπάρχει σε σταθερή κατάσταση.

Με απλά λόγια, αυτό σημαίνει ότι εάν μια φυσική διαδικασία είναι μη αναστρέψιμη, η εντροπία της πρέπει να αυξηθεί. Ένα σημαντικό συμπέρασμα από αυτή τη μεταφορά θερμικής ενέργειας, ή με απλά λόγια, μεταφορά θερμικής ενέργειας από/προς ένα σώμα, λαμβάνει χώρα με τέτοιο τρόπο ώστε το σώμα και το περιβάλλον να φτάσουν σε θερμική ισορροπία, δηλαδή σε μια κατάσταση όπου δεν υπάρχει διαφορά μεταξύ των θερμοκρασιών τους.

Αυτή είναι η βασική αρχή που υπαγορεύει όλες τις μορφές μεταφοράς θερμότητας και επίσης εξηγεί το ερώτημα που τίθεται στον τίτλο αυτής της ανάρτησης.

Γιατί η λεμονάδα γίνεται ζεστή και το ζεστό τσάι κρύο μετά από λίγα λεπτά;

Η θερμοκρασία οποιουδήποτε αντικειμένου τείνει να κατευθύνεται προς τη θερμοκρασία δωματίου ή τη θερμοκρασία περιβάλλοντος για να φτάσει σε θερμική ισορροπία.

Ένα παγωμένο ποτήρι λεμονάδας είναι σε χαμηλότερη θερμοκρασία από τον αέρα που το περιβάλλει σε ένα δωμάτιο (δηλαδή, θερμοκρασία δωματίου). Δεδομένου ότι η μεταφορά θερμότητας (σε κανονικές συνθήκες, όταν δεν γίνεται καμία εξωτερική εργασία) γίνεται από υψηλές συγκεντρώσεις σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις, ένα παγωμένο ποτήρι λεμονάδας γίνεται πιο ζεστό. Ομοίως, ένα φλιτζάνι τσάι γίνεται κρύο μετά από λίγα λεπτά, επειδή η θερμότητα ταξιδεύει από το φλιτζάνι στον περιβάλλοντα αέρα μέχρι να επιτευχθεί η θερμική ισορροπία.

Ένα ποτήρι λεμονάδα δεν θα ζεσταινόταν μετά από λίγο αν βρισκόσασταν στην Ανταρκτική, ούτε ένα φλιτζάνι τσάι θα κρύωνε σε μια εξαιρετικά ζεστή έρημο.

Λάβετε υπόψη ότι η θερμότητα δεν ταξιδεύει ποτέ προς την αντίθετη κατεύθυνση (υπό κανονικές συνθήκες), δηλαδή από ένα κρύο αντικείμενο σε ένα ζεστό, εκτός και αν γίνεται δουλειά. Αυτή είναι η βασική αρχή λειτουργίας πίσω από τα ψυγεία και τις αντλίες θερμότητας. Σε αυτές τις συσκευές, η ηλεκτρική ενέργεια κάνει τη δουλειά που απαιτείται για την ενεργή αντιστροφή της κατεύθυνσης μεταφοράς θερμότητας.

Έτσι, εάν θέλετε να διασφαλίσετε ότι το παγωμένο ποτήρι νερό σας παραμένει πάντα κρύο και να εγγυηθείτε ότι το τσάι σας δεν θα κρυώσει τόσο γρήγορα, ανεξάρτητα από το πόσο καιρό το αφήνετε χωρίς επίβλεψη, θα πρέπει να εξετάσετε το ενδεχόμενο να μετακινηθείτε σε νέο μέρος όπου η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι περισσότερο υπέρ σας – ένα εξαιρετικά κρύο μέρος (για λεμονάδα) ή ένα πολύ ζεστό μέρος (για τσάι), αντίστοιχα.

Κατά τη γνώμη μου, ωστόσο, αυτή είναι μια πολύ μεγάλη δέσμευση μόνο για να φτιάξετε τη λεμονάδα ή το τσάι σας!