Co je teplejší - voda, kov nebo dřevo?

Otázka připomíná známou hádanku o tom, co je těžší - kilogram olova nebo kilogram peří? Zatímco se ve druhém případě jedná o chyták, je otázka teploty daleko komplikovanější. (délka 5 min.)

Naše smysly se moc nehodí na určování absolutní teploty. Proč? 

O tom by se jistě dalo dlouho diskutovat. Evoluce nás zjevně neměla potřebu vybavit nutnými senzory. 

Běžnou teplotu vnímáme prostřednictvím kůže, když se dotýkáme zkoumaného předmětu. (Pominu případy opravdu vysoké teploty, například vyšší než 650°C - které můžeme i vidět, takové předměty totiž začínají znatelně zářit ve viditelné části elektromagnetického spektra). 

Dva příklady

Představme si plot kolem pozemku. Ploty bývají dřevěné i kovové. Při stejné teplotě vzduchu (když oba ploty mají zjevně stejnou teplotu jako jejich okolí) se nám ovšem bude jevit kovový plot chladnější. 

Ještě zřetelnější je příklad vody a vzduchu. Když bude venku 23 stupňů, nebude vám zřejmě moc zima. Zkuste ale vlézt do vody, teplé jen 23 stupňů celsia…

Proč se vlastně tak mýlíme při určení teploty?

Na vině je samozřejmě - jako skoro vždy - fyzika. 

Teplota objektu, tak jak ji chápe fyzika, je objektivní známka toho, jak je daný předmět teplý a jaké množství energie se v něm skrývá. Tělesa se skládají z molekul - a ty se pohybují různou rychlostí podle toho, jak jsou teplá. Čím vyšší rychlost mají molekuly, tím vyšší mají energii. 

Při dotyku dvou různě (objektivně) teplých těles předávají molekuly teplejšího tělesa v místě styku energii molekulám chladnějšího kolegy. 

Mimochodem… obráceně to nejde, protože něco, co není, nelze předat. 

Teplo se tedy předává od teplejšího objektu chladnějšímu z nich. 

Pokud se dotkneme rukou (pro zjednodušení předpokládejme teplotu ruky kolem 35 °C) chladnějšího plotu (nebo chladné vody) - předávají molekuly kůže teplo chladnějšímu předmětu (zde plotu nebo vodě). 

Molekuly, které jsou přímo na povrchu objektu se ohřívají, zvyšuje se tím jejich kinetická energie - u toho ale nezůstane. Předávají svou energii dál svým družkám, které jsou od povrchu vzdálené více než ony. Postupně se pak nastaví rovnováha, kdy se oba předměty tepelně sjednotí.

Trik s různým vnímáním teplot

… spočívá v tom, že ne všechny materiály umí předávat ve svém nitru teplo stejnou rychlostí - mají různou tepelnou vodivost. (Přenos tepla se může v plynech a tekutinách uskutečňovat také prouděním, o ten se zde ale nejedná.) 

Vzduch, který se skládá z poměrně izolovaných a navzájem vzdálených molekul, se ohřívá od vaší kůže méně rychle než voda. Ta je směsí molekul, které jsou navzájem daleko blíže než je tomu u vzduchu. Mohou si tedy předávat energii efektivněji. 

U pevných těles (dřevo, kámen, apod.) se nacházejí jejich molekuly ještě blíže - logickým důsledkem je pak ještě lepší tepelná vodivost. 

Ještě lépe se nese teplo uvnitř kovů. Ty mají totiž pravidelnou strukturu (jejich atomy se nacházejí blízko sebe a tvoří mřížku, kolem které “plavou” volné elektrony), která je navíc o hodně hustší než je to v případě vody (tekutiny) nebo vzduchu (plynu) ale i mnohých jiných pevných těles. Kovy tedy mohou vodit teplo nejen díky vzájemnému předávání energie jednotlivými atomy, ale také elektrony. 

Když se tedy dotkneme kovového předmětu, který je chladnější než my sami, bude vjem nejintenzivnější. Kov rychleji odvádí teplo naší ruky a zdá se proto chladnější než třeba dřevo, které (díky své struktuře) vede teplo hůře. 

To, co pokládáme za teplotu předmětů - je jen náš pocit, vzniklý z různých fyzikálních vlastností daného objektu. 

Chcete se přesvědčit?

Funguje to mimochodem také opačně. Předměty, které jsou teplejší než naše tělo, se jeví různě teplé - v závislosti na tom, z čeho jsou vyrobeny. 

Na stejnou teplotu zahřátá kovová lžíce se nám bude zdát být teplejší než dřevěná. Zatímco se o kovovou lžíci “spálíme”, dřevěnou už v ruce bez problémů udržíme. 

Můžete se o tom sami přesvědčit, když zahřejete (například v troubě) kovový a dřevěný předmět - nebo keramický hrnek plný horkého čaje. 

Pro zajímavost - maximální teplota, kterou “vydrží” lidská ruka aniž by se vyvolal ochranný reflex, který nás nutí ji stáhnout - je kolem 80 °C. Běžný netrénovaný člověk má ale problémy už s teplotou kolem 60 °C.