Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

varme

Oprindelig forfatter Elbek Seneste forfatter Redaktionen

varme, varmemængde, energiform som tilføres eller fragår et system pga. temperaturforskelle. Varme er således "energi i transit" fra en højere til en lavere temperatur.

Denne fysiske definition af varme har relation til termodynamikkens 1. hovedsætning (se energi og termodynamik), der i formel skrives som ΔU = Q + W. Her er Q den varme, og W det arbejde, som tilføres et system, og ΔU tilvæksten i systemets indre energi. Varme og arbejde optræder således på samme måde i 1. hovedsætning, og arbejde er ligesom varme energi i transit. Forskellen mellem dem er imidlertid, at ved varmeoverførsel flyttes indre energi, fx som uordnede molekylære bevægelser, fra ét system til et andet, mens der ved arbejde sker en omsætning fra én energiform til en anden.

Varme og arbejde regnes med fortegn i 1. hovedsætning: Er de negative, betyder det, at systemet hhv. har afgivet varme til eller udført arbejde på omgivelserne, således at den indre energi er blevet mindre. Den indre energi udmærker sig ved, at den kun afhænger af systemets tilstand, der fx for en gas kan angives som sammenhørende værdier af tryk og volumen. Man kan efter en ændring af et systems indre energi ikke vide, om ændringen er sket ved overførsel af varme eller arbejde.

Annonce

Et system er i termodynamisk forstand en del af verden, som kan afgrænses fra omgivelserne med en passende grænseflade. Et gnidningsfrit stempel, som indeslutter en gas i en cylinder, er et ofte benyttet eksempel ved mere teoretiske overvejelser. Grænsefladen kunne her være cylinderens og stemplets udadvendte flader. Et mere praktisk eksempel er en bygning, hvor bygningens mure og varmesystemets overflade kan udgøre grænsefladen.

Et system kan tilføres energi ved at tilføre det varme, Q. Varme kan måles på forskellig måde, fx med kalorimetre eller ved sammenligning med varmetilførsel fra elektrisk energi, som kan beregnes meget nøje. Tilføres en lille varmemængde dQ til et system ved en reversibel proces, forøges systemets entropi med dS = dQ/T, hvor T er systemets absolutte temperatur.

Varmetilførsel sker ved processer som varmekonduktion (ledning), konvektion og varmestråling. Ved konduktion overføres energien via stødprocesser mellem molekyler i det omgivende medium og molekyler i systemets grænseflade mod omgivelserne, men uden at der er nogen transport af stof. Ved konvektion sker varmeoverførslen mellem et strømmende fluid (væske) og systemets grænseflade. Varmestråling er elektromagnetisk stråling, der absorberes gennem grænsefladen. Disse processer kan hver for sig være ganske komplicerede, men resulterer alle i, at systemets indre energi forøges.

Historie

Kunsten at "gøre" ild har været behersket af mennesket i over 1 mio. år. Ilden og den dertil knyttede varme kunne udnyttes til komfort, lys, madlavning, håndværk og efterhånden til fremstilling af visse metaller, keramik og glas. Men det var sent i historien, at man mere systematisk undersøgte varmens egenskaber for at danne sig et billede af dens natur. Sanserne giver en fornemmelse af, om et legeme er varmere eller koldere end et andet, men fornemmelsen er usikker. Fx føles et stykke træ ved berøring varmere end et stykke metal, selvom begge er akklimatiseret i samme rum. Til mere præcis angivelse af et legemes varmetilstand kræves et nyt begreb, temperaturen, fastlagt med et termometer.

Anders Celsius. Udateret stik af Johann Gottlieb Böttger (1763-1825).

Anders Celsius. Udateret stik af Johann Gottlieb Böttger (1763-1825).

Galileis termoskop fra begyndelsen af 1600-t. var et tidligt termometer, hvor luften i en hul glaskugle ved opvarmning udvidede sig og pressede en væskesøjle ud af et tilsluttet snævert glasrør. En lukket, væskefyldt form af instrumentet blev væsentlig forbedret i begyndelsen af 1700-t., da Ole Rømer indførte vandets kogepunkt og frysepunkt som fikspunkter afsat på termometerrøret. Svenskeren A. Celsius delte afstanden mellem fikspunkterne i 100 lige store stykker, hvilket grundlagde den nu i Europa anvendte temperaturskala.

Indtil midten af 1800-t. blev varme opfattet som et særligt stof (se caloricteorien), som kan overføres fra et legeme til et andet. Denne teori forekom dog efterhånden urimelig; bl.a. observerede grev Rumford, at der ved udboring af kanoner kan bortføres varme, så længe det hestetrukne bor holdes i gang. Dvs. at kanonens indhold af caloric principielt er uendeligt. Man kunne heller ikke påvise nogen vægtforøgelse af et legeme tilført caloric. Sådanne iagttagelser gjorde det vanskeligt at opretholde caloricteorien, men omkring 1840 var tiden moden til en af de vigtigste opdagelser i videnskabens historie, loven om energiens bevarelse.

Det er ikke enkelt at sige, hvem der opdagede energibevarelse. Netop derfor opstod der en prioritetsstrid, som anslog primitive, nationalistiske følelser og medførte bitre beskyldninger mellem store fysikere. Men i hvert fald fire europæiske videnskabsmænd, J.R. Mayer, J.P. Joule, H. von Helmholtz og den danske stadsingeniør og fysiker Ludvig August Colding (1815-88), havde på det tidspunkt forstået væsentlige dele af begrebet energi og af loven om energiens bevarelse (termodynamikkens 1. hovedsætning), som forudsætter, at varme betragtes som en energiform, der kan tilføres eller fraføres et legeme på samme måde som arbejde.

I tidens løb har den præcise betydning af begreberne energi, varme og arbejde stadig ændret sig og har været forvekslet med andre begreber som kraft og bevægelse. Fremkomsten af den kinetiske molekylteori omkring midten af 1800-t. gav anledning til, at varme (i en gas) blev opfattet som uordnet molekylær bevægelse. I dag vil man sige, at det er den indre energi, der har denne form, som bestemmer gassens temperatur.

I løbet af 1700-t. blev brugbare dampmaskiner udviklet og efterhånden teknisk forbedret. En dampmaskine omsætter varme til nyttigt arbejde, først til pumpning i miner, men efterhånden også til fremdrift af jernbaner og skibe. I England skabte J. Watt en vis teoretisk forståelse af dampmaskinens funktion, men det var en fransk ingeniørsoldat, S. Carnot, som først spekulerede over, hvor effektivt man i det hele taget kan omsætte varme til arbejde. I en berømt afhandling fra 1824 påpegede han, at det alene er temperaturforskellen mellem den varme kedel og den kolde kondensator, som bestemmer det arbejde, maskinen kan yde. Carnot anviste også, hvordan en ideel maskine skal virke, og at den, skønt den aldrig kan bygges, kan tjene som reference, når man skal bedømme ydeevnen af praktiske maskiner.

Carnots maskine kører efter en reversibel proces, og det var Carnots fortjeneste at vise, at ingen anden maskine er mere effektiv end den reversible. Carnot kendte ikke termodynamikkens 1. hovedsætning, men hans idéer blev senere af W. Thomson (Lord Kelvin) og R. Clausius udbygget under hensyn til energiens bevarelse. Dette førte til termodynamikkens 2. hovedsætning og indførelse af et helt nyt begreb, entropi, i fysikken.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Bent Elbek: varme i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 18. februar 2019 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=178610