Της Καμέλια Σινταχμέτ
Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί κρυώνουμε τον χειμώνα και ζεσταινόμαστε το καλοκαίρι ή γιατί ύστερα από λίγο κρυώνει το ζεστό φαγητό μας και ζεσταίνεται το παγωμένο αναψυκτικό; Την απάντηση σ' αυτά και πολλά ακόμα ερωτήματα δίνει η Θερμοδυναμική, ο κλάδος της Φυσικής που ασχολείται με τη θερμότητα και τη μεταφορά της.
Θερμότητα και θερμοκρασία
Η θερμοκρασία είναι ένα εύκολα μετρήσιμο φυσικό μέγεθος -πρόκειται για τις τιμές σε βαθμούς Κελσίου που μετράμε με ένα θερμόμετρο ή ακούμε στο δελτίο καιρού-, ενώ η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας και μετράται σε Τζάουλ (Joule – προς τιμήν του Αγγλου πρωτοπόρου της Φυσικής, Τζέιμς Πρέσκοτ Τζάουλ), μονάδα μέτρησης που δεν αναφέρεται συχνά στην καθημερινότητά μας.
Μιλάμε για «μεταβολή» της θερμοκρασίας, αλλά και για «μεταφορά» της θερμότητας, από ένα σώμα σε ένα άλλο. Αυτά τα «σώματα» μπορεί να είναι οτιδήποτε, από το σώμα μας και το φαγητό μας ώς το νερό της θάλασσας όταν κολυμπάμε ή ο αέρας που μας περιβάλλει. Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο σωμάτων που βρίσκονται κοντά το ένα στο άλλο προκαλεί τη μεταφορά θερμότητας από το θερμότερο στο ψυχρότερο.
Το αντίστροφο δεν γίνεται αυθόρμητα, παρά μόνο αν χορηγήσουμε εμείς ενέργεια, αναγκάζοντας με κάποιον τρόπο το κρύο σώμα να γίνει ακόμα ψυχρότερο. Ετσι, αν ανοίξουμε ένα παράθυρο τον χειμώνα, δεν θα «μπει το κρύο» στο δωμάτιο, αλλά, αντίθετα, θα «βγει η ζέστη» προς τα έξω.
Η απάντηση στο ερώτημα «γιατί κρυώνουμε;» είναι, λοιπόν, πολύ απλή για έναν φυσικό: Οταν κάνει κρύο, η θερμοκρασία του αέρα είναι πολύ χαμηλότερη από εκείνη του σώματός μας και, όπως υπαγορεύουν οι νόμοι της Θερμοδυναμικής, μεταφέρεται θερμότητα από το σώμα μας στον αέρα. Αντίστοιχα, τις ζεστές ημέρες του καλοκαιριού μεταφέρεται θερμότητα από τον ζεστό αέρα που μας περιβάλλει στο σώμα μας.
Ο οργανισμός αμύνεται στο κρύο
Φυσικά, ο ανθρώπινος οργανισμός διαθέτει μηχανισμούς ομοιόστασης, που διατηρούν τη θερμοκρασία του περίπου σταθερή, χωρίς να επηρεάζεται εύκολα από τις εξωτερικές μεταβολές της θερμοκρασίας, κάτι που θα ήταν καταστροφικό για τα βιολογικά μας συστήματα.
Στο δέρμα μας υπάρχουν αισθητικοί νευρώνες που ανιχνεύουν τη θερμοκρασία και τις μεταβολές της, στέλνοντας σήμα στον εγκέφαλο να αντιδράσει. Το πόσο έντονα αντιλαμβάνεται το κρύο ο καθένας εξαρτάται από την ηλικία, το σωματικό βάρος, το φύλο και το πόσο συνηθισμένο είναι το σώμα του στις χαμηλές θερμοκρασίες.
Οι μηχανισμοί άμυνας στο κρύο είναι το τρέμουλο, με το οποίο εκλύεται θερμότητα, η ανατριχίλα, που έχει σκοπό να παγιδεύσει θερμότητα κοντά στο δέρμα μας και η συστολή των αιμοφόρων αγγείων κοντά στο δέρμα, η οποία περιορίζει την απώλεια θερμότητας από το αίμα.
Αντίθετα, όταν ζεσταινόμαστε, ο οργανισμός επιλέγει να διασταλούν τα συγκεκριμένα αγγεία, για να διευκολυνθεί η απώλεια θερμότητας, καθώς και να ιδρώσουμε, γιατί η εξάτμιση του ιδρώτα απαιτεί ενέργεια, η οποία λαμβάνεται από τη θερμότητα του σώματός μας, με αποτέλεσμα να δροσίζεται το δέρμα μας. Κάτι αντίστοιχο συμβαίνει και όταν βγαίνουμε από το ντους: η εξάτμιση, του νερού αυτή τη φορά, από το σώμα μας απαιτεί θερμότητα από εμάς, με αποτέλεσμα να κρυώνουμε.
Οι νόμοι της Θερμοδυναμικής
Η θερμότητα, όπως και κάθε άλλη μορφή ενέργειας, δεν χάνεται ποτέ, απλώς αποκτά άλλη μορφή, κι αυτή η βασική αρχή εκφράζεται στον πρώτο νόμο της Θερμοδυναμικής. Ο δεύτερος νόμος, ο οποίος έχει αρκετές διαφορετικές διατυπώσεις, μας δηλώνει στις πιο απλές εκδοχές του την αυθόρμητη κατεύθυνση της θερμότητας προς το ψυχρότερο σώμα, με την παρατήρηση πως δεν μπορούμε να τη μεταφέρουμε από ένα ψυχρότερο σ' ένα θερμότερο σώμα σε ποσοστό 100%. Σύμφωνα με τον τρίτο νόμο, είναι αδύνατο να φτάσουμε τη θερμοκρασία του απόλυτου μηδέν, η οποία αντιστοιχεί σε -273,15 βαθμούς Κελσίου. Τ
Τέλος, σύμφωνα με τον λεγόμενο μηδενικό νόμο της Θερμοδυναμικής, αν δύο συστήματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία με ένα τρίτο, αν έχουν, δηλαδή, την ίδια θερμοκρασία μ' αυτό, τότε βρίσκονται και μεταξύ τους. Ο διάσημος φυσικός Μάξγουελ «μεταφράζει» τον νόμο λέγοντας πως υπάρχει μόνο ένα «είδος» θερμότητας και η συγκεκριμένη διαπίστωση αποτελεί την αρχή λειτουργίας των θερμομέτρων, όπου έχουμε σε θερμική ισορροπία το σώμα του οποίου τη θερμοκρασία μετράμε, το θερμόμετρο εξωτερικά και τον υδράργυρο στο εσωτερικό του.
*Αναδημοσίευση από τον Φιλελεύθερο, αρ. φύλλου 70
**Κάθε ημέρα, οι συνεργάτες του μη κερδοσκοπικού οργανισμού επικοινωνίας επιστημονικών θεμάτων στο ευρύ κοινό SciCo παρουσιάζουν με απλά λόγια ένα θέμα που φέρνει την επιστήμη πιο κοντά μας.
