Ορισμός της θερμοκρασίας

Με τις αισθήσεις του σώματος μας μπορούμε να έχουμε μια εμπειρική εκτίμηση της ζέστης και του κρύου ενός σώματος. Για παράδειγμα, λέμε ότι ο πάγος είναι κρύος και το καλοκαίρι κάνει ζέστη.

Έτσι δημιουργείται η ανάγκη να ορίσουμε ένα νέο φυσικό μέγεθος, τη θερμοκρασία, που δείχνει πόσο ζεστό ή κρύο είναι ένα σώμα.

Η εκτίμηση της θερμοκρασίας μας με τις αισθήσεις μας είναι υποκειμενική και οδηγεί σε παραπλανητική μέτρηση της θερμοκρασίας. Παράδειγμα: Παίρνουμε τρεις λεκάνες με νερό, στη μια έχουμε πολύ ζεστό νερό, στην άλλη πολύ κρύο και στην τρίτη λεκάνη χλιαρό νερό. Βάζουμε το ένα χέρι μας στο καυτό νερό και το άλλο στο παγωμένο νερό, όσο περισσότερο μπορούμε. Στη συνέχεια βάζουμε τα χέρια μας στο χλιαρό νερό. Παρατηρούμε ότι το χέρι που ήταν στο καυτό νερό θα νιώσει το χλιαρό νερό ως κρύο, ενώ το χέρι που ήταν στο παγωμένο θα νιώσει το χλιαρό νερό ζεστό.

Με αυτό το πείραμα καταλαβαίνουμε ότι χρησιμοποιώντας τις αισθήσεις μας εκτιμούμε ότι το ίδιο το νερό έχει κάθε φορά και διαφορετική θερμοκρασία. Έτσι για λόγους συνεννόησης και για επιστημονικούς λόγους, δημιουργείται η ανάγκη αντικειμενικής και ακριβούς μέτρησης της θερμοκρασίας ενός σώματος. Για να μετρήσουμε αντικειμενικά και με ακρίβεια  τη θερμοκρασία ενός σώματος χρησιμοποιούμε το όργανο μέτρησης που λέγεται θερμόμετρο επομένως η θερμοκρασία του σώματος είναι η ένδειξη του θερμομέτρου.

Η λειτουργία του θερμομέτρου βασίζεται στην ιδιότητα των υγρών να αλλάζουν τον όγκο τους ανάλογα με τη θερμοκρασίας τους. Ένα θερμόμετρο είναι ένας λεπτός σωλήνας ο οποίος στο κάτω άκρο του έχει ένα μικρό δοχείο με υδράργυρο ή οινόπνευμα.

Για να μετρήσουμε τη θερμοκρασία ενός σώματος, φέρνουμε το θερμόμετρο σε επαφή με το σώμα και περιμένουμε λίγο μέχρι να αποκατασταθεί θερμική ισορροπία. Η στάθμη του υγρού στο σωλήνα του θερμόμετρού θα ανέβει ανάλογα με την υπό μέτρηση θερμοκρασία. Έτσι όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο ψηλά θα είναι η στάθμη του υγρού. Ανάλογα με την εφαρμογή που έχουμε, χρησιμοποιούμε και τον κατάλληλο τύπο θερμομέτρου. Έτσι έχουμε θερμόμετρο ηλεκτρικής αντίστασης, το πυρόμετρο κ.ά.

Τι ονομάζεται βαθμονόμηση του θερμόμετρου

Για να μετρήσουμε τη θερμοκρασία με ένα θερμόμετρο, όπως αυτό που παρουσιάσαμε παραπάνω, πρέπει πρώτα να προχωρήσουμε στη βαθμονόμηση του. Η βαθμονόμηση ενός θερμομέτρου γίνεται με την εφαρμογή πάνω στο θερμόμετρο μιας κλίμακας, με την οποία θα μετράμε τη θερμοκρασία των σωμάτων που επιθυμούμε. Οι πιο διαδεδομένες κλίμακες θερμοκρασιών είναι:

Κλίμακα Κελσίου

Η κλίμακα Κελσίου, για τη δημιουργία της βασίζεται σε δυο σταθερές θερμοκρασίες: Βυθίζουμε ένα (υδραργυρικό) θερμόμετρο σε ένα δοχείο που περιέχει πάγο, που λιώνει με νερό και αφού σταθεροποιηθεί η στήλη του υδραργύρου, σημειώνουμε την στάθμη του υγρού του θερμομέτρου και μ’ αυτό τον τρόπο ορίζεται το μηδέν (0) της κλίμακας Κελσίου. Μετά βυθίζουμε το θερμόμετρο σε νερό που βράζει και αφού σταθεροποιηθεί η στήλη του υδραργύρου, σημειώνουμε την στάθμη του υγρού μέσα στο θερμόμετρο και μ’ αυτό τον τρόπο ορίζεται το 100 της κλίμακας Κελσίου. Έπειτα το διάστημα μεταξύ των δυο αυτών σημείων που σημειώσαμε, το χωρίζουμε σε 100 ίσα τμήματα, όπου το κάθε ένα από αυτά αντιπροσωπεύει μεταβολή ενός βαθμού Κελσίου (1^οC).

Η κλίμακα Φαρενάιτ

Ο Φαρενάιτ δημιούργησε την δική του κλίμακα για τη μέτρηση θερμοκρασιών, σε μια προσπάθεια να αποφύγει τη χρήση αρνητικών θερμοκρασιών. Το 0 της κλίμακας σημειώνεται,  ως η χαμηλότερη θερμοκρασία που πέτυχε ο Φαρενάιτ στο εργαστήριο του, με ένα μίγμα ίσων ποσοτήτων πάγου, νερού και θαλασσινού αλατιού. Το 96 αντιστοίχισε πάνω στην κλίμακα, στη θέση όπου το θερμόμετρο μετρά τη θερμοκρασία του σώματος ενός ανθρώπου που είναι υγιής.

Η κλίμακα που δημιούργησε ο Φαρενάιτ, έχει 96 ίσες υποδιαιρέσεις που ονομάζονται βαθμοί Φαρενάιτ (^οF). Για να μετατρέψουμε τους βαθμούς της κλίμακας Κελσίου σε βαθμούς Φαρενάιτ χρησιμοποιούμε τη σχέση:

Τ_F = 32 +n 1,8‧θ

Όπου Τ_F η θερμοκρασία σε βαθμούς Φαρενάιτ και θ η θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου. Η κλίμακα Φαρενάιτ χρησιμοποιείται και σήμερα στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής.

Απόλυτη κλίμακα θερμοκρασιών – κλίμακα Κέλβιν

Αντιστοιχία μεταξύ της κλίμακας Κελσίου και της κλίμακας Κέλβιν: Παραπάνω για τη βαθμονόμηση του θερμομέτρου ορίσαμε το σημείο μηδέν αυθαίρετα και για τις δυο αυτές κλίμακες. Στην επιστήμη ορίζεται μια νέα κλίμακα θερμοκρασιών, της κλίμακας Κέλβιν, που βασίζεται στη χαρακτηριστική θερμοκρασία -273^οC, που όπως αποδεικνύεται θεωρητικά και πειραματικά, χαμηλότερες θερμοκρασίες από αυτή την τιμή  είναι αδύνατο να επιτευχθούν στη φύση. Δεν μπορεί να υπάρξει θερμοκρασία μικρότερη από αυτή και για το λόγο αυτό η θερμοκρασία αυτή ορίστηκε ως το απόλυτο μηδέν. Έτσι η κλίμακα απόλυτων θερμοκρασιών ή αλλιώς κλίμακα Κέλβιν,  έχει ως σημείο μηδέν (0) σε αυτή την κατώτατη θερμοκρασία και επομένως στη κλίμακα Κέλβιν δεν υπάρχουν αρνητικές μετρήσεις και η μεταβολή της θερμοκρασίας κατά ένα βαθμό Κέλβιν ορίζεται ίση με μεταβολή θερμοκρασίας ενός βαθμού Κελσίου.

Για να μετατρέψουμε τους βαθμούς Κελσίου σε βαθμούς Κέλβιν (Τ_Κ) χρησιμοποιούμε την αριθμητική σχέση:

Τ_Κ = θ +273

Θερμοκρασία σε βαθμούς Κέλβιν = θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου+273 Έτσι η θερμοκρασία στην οποία λιώνει ο πάγος είναι 273Κ και η θερμοκρασία στην οποία βράζει το καθαρό νερό είναι 373^οΚ.

Θερμότητα: Μια μορφή ενέργειας

Ορισμός της θερμότητας

Παρουσιάζουμε δυο πειράματα: Στο πρώτο, ένα δοχείο που περιέχει νερό θερμοκρασίας 15^οC, θερμαίνουμε με μια εστία και χρησιμοποιόντας ένα θερμόμετρο περιμένουμε, την θερμοκρασία του να φτάσει στους 80^οC. Για να ερμηνεύσουμε αυτό το φαινόμενο, χρησιμοποιούμε την έννοια της ενέργειας. Δεχόμαστε ότι ενέργεια από την φλόγα μεταφέρεται στο νερό, με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του. (Υπενθύμιση: η ενέργεια μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο  ή μετατρέπεται από μια μορφή σε μια άλλη)

Στο δεύτερο πείραμα, έχουμε ένα δοχείο με αέρα που κλείνεται με ένα έμβολο. Με μια εστία θερμαίνουμε το δοχείο. Παρατηρούμε ότι το έμβολο ανυψώνεται. Για να εξηγήσουμε αυτό το φαινόμενο, δεχόμαστε ότι ενέργεια μεταφέρεται από την εστία προς τον αέρα του δοχείου, με αποτέλεσμα να αυξηθεί η θερμοκρασία του και το έμβολο να αποκτήσει κινητική και δυναμική ενέργεια.

Και στις δυο περιπτώσεις, έχουμε μεταφορά ενέργειας από την εστία, που έχει μεγάλη θερμοκρασία, στο νερό και στον αέρα του δοχείου, που έχουν μικρότερη θερμοκρασία. Γενικά θερμότητα λέμε την ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο, λόγω διαφοράς θερμοκρασίας και μεταφέρεται πάντα με φορά από ένα σώμα μεγαλύτερης θερμοκρασίας σε ένα σώμα μικρότερης θερμοκρασίας.

Στη καθημερινή ζωή, πολλές φορές χρησιμοποιούμε την έννοια της θερμότητας λανθασμένα, π.χ. λέμε ότι ένα ζεστό σώμα έχει μεγάλη θερμότητα ή ένα κρύο σώμα έχει μικρή θερμότητα. Στη γλώσσα της φυσικής, η έννοια της θερμότητας έχει αυστηρό ορισμό και ονομάζεται ως η ενέργεια η οποία μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο, λόγω του ότι έχουν διαφορά θερμοκρασίας. Η φράση «η θερμότητα είναι η ενέργεια που έχει ένα σώμα» στη φυσική θεωρείται λανθασμένη.  Για να γίνει κατανοητό, ας πάρουμε την έννοια του έργου που παρουσιάσαμε σε προηγούμενο κεφάλαιο. Τα σώματα έχουν κινητική ή δυναμική ενέργεια, δεν περικλείουν όμως έργο. Το έργο εκφράζει τη μηχανική ενέργεια που μεταφέρεται από ή προς ένα σώμα ή τη μετατροπή της από μια μορφή στην άλλη.

Η αύξηση της θερμοκρασίας ενός σώματος, εκτός από μεταφορά θερμότητας από ένα άλλο σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας, μπορεί να οφείλεται και σε άλλους μηχανισμούς όπως η τριβή. Ένα σώμα που σύρεται σε μια επιφάνεια με τριβή, έχει αποτέλεσμα να αυξηθεί η θερμοκρασία του, λόγω του έργου της δύναμης της τριβής. Επίσης, αν με ένα αναδευτήρα ανακατέψουμε νερό σε ένα δοχείο για αρκετή ώρα, θα έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού. Η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού σε αυτή την περίπτωση, οφείλεται σε προσφορά μηχανικής ενέργειας και όχι σε μεταφορά θερμότητας.

Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας, γι’ αυτό η μονάδα μέτρησης της στο Διεθνές Σύστημα μονάδων  S.I. είναι το 1Joule. Στην καθημερινή ζωή, χρησιμοποιούμε ως μονάδα θερμότητας το calorie (cal), για το οποίο ισχύει 1cal=4,18J. Η θερμότητα συμβολίζεται με το γράμμα Q.

Θερμική επαφή και θερμική ισορροπία

Για δυο σώματα για τα οποία είναι δυνατόν να μεταφερθεί θερμότητα από το ένα στο άλλο, στη φυσική λέμε ότι βρίσκονται σε θερμική επαφή. Ας δούμε το εξής φαινόμενο: Σε ένα δοχείο με νερό μεγάλης θερμοκρασίας 80^οC,  το οποίο είναι θερμικά μονωμένο από το περιβάλλον, βυθίζουμε ένα μεταλλικό κύλινδρο, ο οποίος βρίσκεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 25^οC. Ο κύλινδρος και το νερό βρίσκονται σε θερμική επαφή. Θερμότητα μεταφέρεται από το σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας (νερό) προς το σώμα μικρότερης θερμοκρασίας (μέταλλο). Η θερμοκρασία του νερού μειώνεται και του μετάλλου αυξάνεται. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, η θερμοκρασία του μετάλλου γίνεται ίδια με τη θερμοκρασία του νερού και η μεταφορά θερμότητας σταματά. Τώρα λέμε ότι το μέταλλο βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το νερό.

Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας ενός σώματος με θερμόμετρο, φέρνουμε το θερμόμετρο σε θερμική επαφή με το σώμα. Περιμένουμε λίγο, μέχρι να σταματήσει η μεταφορά θερμότητας και να αποκατασταθεί θερμική ισορροπία του θερμόμετρου με το σώμα και συνεπώς να αποκτήσουν την ίδια θερμοκρασία. Μπορούμε τώρα να διαβάσουμε την ένδειξη της θερμοκρασίας στο θερμόμετρο, που είναι η θερμοκρασία του σώματος. Ας επαναλάβουμε ότι, δυο σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία όταν έχουν την ίδια θερμοκρασία και έχει σταματήσει η μεταφορά θερμότητας από το ένα σώμα στο άλλο.

Θερμοχωρητικότητα

Σε αυτή την ενότητα, θα εξετάσουμε από τι εξαρτάται το ποσό της θερμότητας που απορροφά ή αποβάλλει ένα σώμα, για μια ορισμένη μεταβολή της θερμοκρασίας του. Θα απαντήσουμε αφού εκτελέσουμε τα παρακάτω τρία πειράματα:

Στο πρώτο πείραμα, εξετάζουμε πως σχετίζεται η ποσότητα της θερμότητας που μεταφέρεται σε ορισμένη μάζα νερού, με τη μεταβολή της θερμοκρασίας του. Από αυτό το πείραμα συμπεραίνουμε ότι η μεταβολή της θερμοκρασίας ενός σώματος είναι ανάλογη της ποσότητας της θερμότητας που μεταφέρεται προς ή από αυτό. Έτσι για διπλάσια αύξηση της θερμοκρασίας απαιτείται η μεταφορά προς το σώμα διπλάσια ποσότητα θερμότητας κ.τ.λ. Παρόμοια για διπλάσια μείωση της θερμοκρασίας απαιτείται να μεταφερθεί από το σώμα διπλάσια ποσότητα θερμότητας.

Στο δεύτερο πείραμα, εξετάζουμε ποια είναι η σχέση των ποσοτήτων θερμότητας που απαιτούνται για να μεταβληθεί η θερμοκρασία κατά ορισμένους βαθμούς, διαφορετικών μαζών νερού. Από αυτό το πείραμα συμπεραίνουμε ότι η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για συγκεκριμένη μεταβολή της θερμοκρασίας ενός σώματος είναι ανάλογη της μάζας του. Για παράδειγμα για να αυξηθεί κατά 30^οC η θερμοκρασία 2Kg νερού απαιτείται διπλάσια ποσότητα θερμότητας, απ’ ότι για την ίδια αύξηση θερμοκρασίας  1Kg νερού.

Στο τρίτο πείραμα, συγκρίνουμε το ποσό της θερμότητας  που απαιτείται για να μεταβληθεί η θερμοκρασία κατά ίσο ποσό, για ίσες μάζες νερού και λαδιού. Από αυτό το πείραμα συμπεραίνουμε ότι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται, για συγκεκριμένη μεταβολή της θερμοκρασίας δυο σωμάτων ίδιας μάζας, εξαρτάται από το είδος του υλικού των σωμάτων. Για παράδειγμα, για να μεταβληθεί κατά 30^οC η θερμοκρασία ίσων ποσοτήτων λαδιού και νερού, χρειάζεται να μεταφερθεί στο λάδι περίπου η μισή ποσότητα θερμότητας από ότι στο νερό.

Νόμος της θερμιδομετρίας

Το ποσό της θερμότητας που απορροφά ή αποδίδει ένα σώμα:

1. Είναι ανάλογο της μεταβολής της θερμοκρασίας του Δθ.
2. Είναι ανάλογο της μάζας του σώματος.
3. Εξαρτάται από το υλικό του σώματος.

Τα συμπεράσματα αυτά, εκφράζονται στη γλώσσα των μαθηματικών με τη σχέση:

Q = m‧c‧Δθ

Όπου Q συμβολίζουμε το ποσό της θερμότητας που μεταφέρεται από ή προς το σώμα, που έχει μάζα m και με Δθ συμβολίζουμε τη μεταβολή της θερμοκρασίας του σώματος, ενώ η ποσότητα c είναι μια σταθερά που εξαρτάται από το υλικό του σώματος και ονομάζεται ειδική θερμότητα.

Ειδική θερμότητα

Γνωρίζουμε πειραματικά ότι, για να μεταβάλλουμε την θερμοκρασία κατά το ίδιο ποσό, δυο σωμάτων που έχουν ίσες μάζες, τα οποία αποτελούνται από διαφορετικά υλικά, απαιτείται να μεταφερθεί  διαφορετικό ποσό θερμότητας. Τη διαφοροποίηση αυτή από υλικό σε υλικό, την προσδιορίζει με ακρίβεια το μέγεθος που λέγεται ειδική θερμότητα.

Η ποσότητα θερμότητας, που χρειάζεται για να μεταβληθεί η θερμοκρασία 1Kg κάποιου υλικού κατά 1^οC , ονομάζεται ειδική θερμότητα και συμβολίζεται με το γράμμα c,  το οποίο χαρακτηρίζει κάθε υλικό.

Μονάδα ειδικής θερμότητας είναι το 1J/Kg^oC.  Παράδειγμα αν γνωρίζουμε ότι για να μεταβληθεί η θερμοκρασία 1Kg νερού κατά 1^οC, χρειάζεται θερμότητα 4200J τότε λέμε ότι η ειδική θερμότητα του νερού είναι c=4200 J/Kg^oC

Θερμοκρασία, θερμότητα και μικρόκοσμος

Δομικοί λίθοι των σωμάτων

Τα υλικά σώματα, αέρια, υγρά και στερεά, αποτελούνται από ένα τεράστιο πλήθος μικροσκοπικών σωματιδίων, που διατηρούν τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του σώματος, που στη γλώσσα της Φυσικής λέγονται δομικοί λίθοι. Συνήθως είναι τα μόρια του σώματος, αλλά κάποιες φορές μπορεί να είναι άτομα ή ιόντα. Οι μακροσκοπικές ιδιότητες των σωμάτων, όπως το σχήμα και ο όγκος τους, μπορούν να ερμηνευτούν με βάση τον τρόπο κίνησης των δομικών λίθων τους.

1] Στα αέρια, οι δομικοί λίθοι (μόρια), κινούνται άτακτα με τυχαίο τρόπο, ελεύθερα προς κάθε κατεύθυνση, κατακλύζοντας τον χώρο που τους διατίθενται. Εδώ οι δομικοί λίθοι, βρίσκονται σε σχετικά μακρινή απόσταση μεταξύ τους, ασκώντας μεταξύ τους πολύ μικρές δυνάμεις. Γι’ αυτό τα αέρια δεν έχουν καθορισμένο σχήμα αλλά, ούτε καθορισμένο όγκο.

2] Στα υγρά, οι δομικοί λίθοι βρίσκονται κοντά ο ένας  με τον άλλο, έτσι ώστε οι δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ τους, έχουν σαν αποτέλεσμα, να βρίσκονται σε «σταθερή» απόσταση μεταξύ τους και επιτρέπουν στους δομικούς λίθους να «γλιστρούν» μεταξύ τους. Έτσι τα υγρά έχουν καθορισμένο όγκο, αλλά δεν έχουν καθορισμένο σχήμα, παίρνουν το σχήμα του δοχείου που βρίσκονται.

3] Στα στερεά, οι δομικοί  λίθοι βρίσκονται πολύ κοντά ο ένας με τον άλλο, έτσι ώστε οι δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ τους να είναι ισχυρές. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, οι δομικοί λίθοι να βρίσκονται σε σταθερές θέσεις και έτσι τα στερεά έχουν καθορισμένο όγκο και καθορισμένο σχήμα. Στα στερεά, οι δομικοί λίθοι μπορούν να εκτελούν μικρές άτακτες ταλαντώσεις γύρω από τη θέση τους.

Δομικοί λίθοι και θερμοκρασία

Με το παρακάτω πείραμα, θα εξετάσουμε πως σχετίζεται η κίνηση των δομικών λίθων ενός σώματος (εδώ ένα αέριο), με τη θερμοκρασία του. Παίρνουμε ένα δοχείο, που περιέχει ένα αέριο και το οποίο κλείνεται με ένα εμβολο. Θερμαίνοντας το αέριο, παρατηρούμε ότι το εμβολο κινείται. Αυτό εξηγείται ως εξής:  Με τη θέρμανση, οι δομικοί λίθοι (μόρια) του αερίου συγκρούονται με τα τοιχώματα, καθώς και με το εμβολο με μεγαλύτερες ταχύτητες, με αποτέλεσμα να ασκούν μεγαλύτερες δυνάμεις. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, η πίεση του αερίου να αυξηθεί και το εμβολο να κινηθεί. Όμως μεγαλύτερες ταχύτητες σημαίνει και μεγαλύτερες κινητικές ενέργειες. Συνεπώς, όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος τόσο μεγαλύτερη κινητική ενέργεια (και ταχύτητα) έχει ο κάθε δομικός λίθος του.

Μεταφορά θερμότητας και θερμική ισορροπία

Όταν φέρουμε δυο σώματα, τα οποία έχουν διαφορετική θερμοκρασία σε θερμική επαφή, οι δομικοί λίθοι του ενός συγκρούονται με τους δομικούς λίθους του άλλου. Κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων οι δομικοί λίθοι που έχουν μεγαλύτερη κινητική ενέργεια, δίνουν ενέργεια στους δομικούς λίθους με χαμηλότερη κινητική ενέργεια. Λόγω του μεγάλου αριθμού συγκρούσεων, έχουμε μεταφορά ενέργειας από το σώμα μεγαλύτερης θερμοκρασίας στο σώμα μικρότερης θερμοκρασίας και θα συμβαίνει αυτό μέχρι να εξισωθούν οι θερμοκρασίες των σωμάτων.

Συνεπώς η θερμότητα που μεταφέρεται από ένα σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας σε ένα σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας, που βρίσκονται σε θερμική επαφή, οφείλεται στην μεταφορά μηχανικής ενέργειας μέσω των άτακτων συγκρούσεων των δομικών λίθων των δυο σωμάτων.

Θερμική ενέργεια

Το άθροισμα των κινητικών ενεργειών των δομικών λίθων ενός σώματος λόγω της άτακτης κίνησης τους, ονομάζεται θερμική ενέργεια του σώματος.

Η θερμική ενέργεια ενός σώματος εξαρτάται από τη θερμοκρασία του, καθώς και από τη μάζα του σώματος. Πράγματι όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η κινητική ενέργεια των δομικών λίθων του. Επίσης, όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του σώματος, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των δομικών λίθων του.

Για να γίνει κατανοητό ας δούμε ένα παράδειγμα: Ένα ποτήρι με καυτό νερό, αν και έχει πολύ μεγαλύτερη θερμοκρασία από ένα παγόβουνο, όπου το τελευταίο έχει πολύ μεγαλύτερη μάζα από το ποτήρι με το νερό, το παγόβουνο έχει πολύ μεγαλύτερη θερμική ενέργεια από το καυτό νερό του ποτηριού.

Πρέπει να γίνει ξεκάθαρο το εξής: Η θερμική ενέργεια εκφράζει τη συνολική ενέργεια όλων των δομικών λίθων του, ενώ η θερμοκρασία εκφράζει τη μέση κινητική ενέργεια των δομικών λίθων του.

Δυνάμεις μεταξύ μορίων και εσωτερική ενέργεια σώματος

Δεχόμαστε ότι οι δομικοί  λίθοι των αερίων (μόρια), κινούνται ελεύθερα και δεν ασκούν δυνάμεις μεταξύ τους. Στα υγρά και στερεά, οι δομικοί λίθοι βρίσκονται αρκετά κοντά μεταξύ τους, ασκώντας δυνάμεις που στα στερεά είναι ισχυρότερες από ότι στα υγρά. Τώρα επειδή στα υγρά και στερεά, οι δομικοί λίθοι αλληλεπιδρούν ασκώντας δυνάμεις μεταξύ τους, εκτός από κινητική ενέργεια έχουν και δυναμική ενέργεια. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Εσωτερική ενέργεια ενός σώματος ονομάζουμε το άθροισμα της κινητικής και δυναμικής ενέργειας όλων των δομικών λίθων του σώματος.

Στα αέρια οι δομικοί λίθοι, δεν έχουν δυναμική ενέργεια, αφού βρίσκονται «μακριά» το ένα από το άλλο και δεν αλληλεπιδρούν. Η εσωτερική ενέργεια του αερίου, είναι ίση με την θερμική ενέργεια του. Μονάδα μέτρησης της εσωτερικής ενέργειας είναι το Joule.

Η θερμότητα και η αρχή διατήρησης της ενέργειας

Όταν θερμαίνουμε ένα αέριο που βρίσκεται σε ένα δοχείο που κλείνεται από ένα εμβολο τότε α) Αυξάνεται η θερμοκρασία του και συνεπώς και η εσωτερική ενέργεια του. β) Παράγεται μηχανικό έργο καθώς το αέριο μετατοπίζει το εμβολο.

Γνωρίζουμε ότι η ενέργεια μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο ή μετασχηματίζεται από την μια μορφή στην άλλη, έτσι ώστε η συνολική ποσότητα να παραμένει σταθερή. (Η ενέργεια δεν εξαφανίζεται αλλά ούτε δημιουργείται από το μηδέν) Αυτή η πρόταση εκφράζει την αρχή διατήρηση της ενέργειας.

Εφαρμόζοντας την αρχή διατήρησης της ενέργειας στο παράδειγμα μας οδηγεί σε μια πρόταση που είναι γνωστή ως πρώτος θερμοδυναμικός νόμος και συγκεκριμένα:

Η θερμότητα Q που μεταφέρεται στο αέριο είναι ίση με τη μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας  ΔU του αερίου συν το έργο W της δύναμης που ασκεί το αέριο στο εμβολο:

Q = ΔU + W

Ο πρώτος θερμοδυναμικός νόμος διατυπώθηκε για πρώτη φορά από το Γερμανό φυσικό και γιατρό Μάγιερ το 1844. Αποτέλεσε τη βάση για τη δημιουργία των θερμικών μηχανών. Αυτές είναι οι μηχανές που μετατρέπουν την θερμότητα σε μηχανική ενέργεια ή έργο, π.χ. οι μηχανές των αυτοκινήτων. Λίγα χρόνια αργότερα ο Γερμανός φυσικός Κλαούζιους τον διατύπωσε με μεγαλύτερη σαφήνεια.