Bilans cieplny. 

Bilans cieplny - w termodynamice to równanie opisujące sumę procesów cieplnych określonego układu termodynamicznego. W pewnym sensie kompletny zapis bilansu cieplnego jest równoważny sformułowaniu I zasady termodynamiki dla szczególnego przypadku analizowanego układu. 

Bilans cieplny uwzględnia: 

• sumę ciepła dostarczanego do układu z otoczenia 
• sumę ciepła, którą układ wydziela na zewnątrz 
• efekt cieplny procesów zachodzących wewnątrz układu 
Zgodnie z I zasadą termodynamiki, różnica energii termicznej dostarczanej i wydzielonej z układu równa się zmianie energii wewnętrznej układu. Gdy w układzie nie zachodzą procesy zmieniające jego energię wewnętrzną lub suma energii tych procesów jest równa 0, ciepło dostarczane do układu musi być równe ciepłu wydzielanemu. Prowadzi to do wniosku, że w układzie zamkniętym, suma procesów cieplnych jaka w nim zachodzi nie może zmienić jego ogólnej energii wewnętrznej. 

Każdy bilans ciepła można zapisać z "punktu widzenia" układu lub otoczenia. 

Tradycyjnie, w konwencji termodynamicznej, bilans ciepła pisze się zawsze "z punktu widzenia" analizowanego układu. Stąd, w bilansie tym ciepło dostarczane dla układu jest zapisywane jako wartość dodatnia, a ciepło wydzielane jako wartość ujemna. Dla układów, w których przeważają procesy egzotermiczne (układ generuje energię termiczną) bilans ciepła przyjmuje zatem wartość ujemną, zaś w układach, w których przeważają procesy endotermiczne (układ pochłania ciepło), bilans ciepła przyjmuje wartość dodatnią. 

W zastosowaniach "inżynierskich", często wygodniej jest przyjąć konwencję pisania bilansu "z punktu widzenia" otoczenia, co powoduje, że znaki dla ciepła dostarczanego i wydzielonego są odwrócone w stosunku do konwencji termodynamicznej. 

Zmiany stanu skupienia a ciepło. 

Kiedy ciało stałe przechodzi w ciecz, jest to proces topnienia. Odwrotny proces to krzepnięcie ciała. 
Kiedy ciecz przechodzi w gaz, jest to proces parowania lub wrzenia w zależności od sytuacji. Procesem odwrotnym jest skraplanie się gazu. 
Może również nastąpić proces w którym ciało stałe przechodzi bezpośrednio w w gaz. Jest to proces sublimacji. 
W procesach topnienia i krzepnięcia są ściśle określone temperatury w jakich to zjawisko zachodzi i są one sobie równe. 
Przykłady: 

Lód topi się w temperaturze 0 stopni Celsjusza, a woda krzepnie również w temperaturze 0 stopni Celsjusza. 

Cyna topi się w temperaturze 231,69 stopni Celsjusza i w takiej samej temperaturze krzepnie. 

W trakcie procesu topnienia i krzepnięcia ciało nie zmienia swojej temperatury. 
Jeżeli będziemy ogrzewać lód to w pewnym momencie osiągnie on temperaturę 0 stopni Celsjusza i zacznie się topić. W tym czasie zarówno powstała z lodu woda jak i pozostały lód cały czas będą mieć temperaturę 0 stopni Celsjusza. Dopiero kiedy pozostanie sama woda przy dalszym ogrzewaniu temperatura zacznie stopniowo rosnąć. 
Zmiana stanu skupienia nie oznacza zmiany temperatury, ale zawsze oznacza wydzielenie się lub pochłonięcie ciepła. 
Efekt cieplny zmiany stanu skupienia wyraża uniwersalny wzór: 

Symbol L oznacza (w zależności od sytuacji) ciepło topnienia, ciepło parowania, ciepło krzepnięcia albo ciepło skraplania. Wartość L dotyczy topnienia, krzepnięcia, parowania albo skraplania ciała o masie 1kg. Jeśli ciało miało inną masę niż 1kg, ilość ciepła będzie inna dlatego w powyższym wzorze występuje wartość m. Należy również pamiętać, że powyższy wzór dotyczy sytuacji, gdy temperatura była stała, a zmieniał się tylko stan skupienia. 

Tyle samo ciepła wydziela się przy krzepnięciu, ile pochłania się przy topnieniu. 
Tyle samo ciepła wydziela się przy skraplaniu, ile pochłania się przy parowaniu. 


Wrzenie to takie parowanie, które zachodzi w całej objętości cieczy a nie tylko na jej powierzchni. 
Parowanie zachodzi samorzutnie niezależnie od temperatury. Parują cząsteczki z powierzchni ciała. Parowanie wymaga energii. 
Parowanie zachodzi w każdej temperaturze. Od temperatury zależy jedynie szybkość parowania. 
Gdy ciecz ogrzewamy i ona paruje, czyni to na koszt energii dostarczonej z zewnątrz. Ale parowanie zachodzi również kiedy cieczy nie podgrzewamy. Odbywa się to kosztem energii wewnętrznej cieczy. Parująca ciecz stygnie, bo traci cząsteczki o największej energii. Odrywają się od powierzchni cząsteczki najruchliwsze, a zostają te, które mają małą energię. 
Ciepło parowania w temperaturze wrzenia nazywamy ciepłem wrzenia. 
Wrzenie pod danym ciśnieniem zachodzi w ściśle określonej temperaturze. Jeżeli ciśnienie rośnie temperatura wrzenia też rośnie.